Вплив гармонік на вимірювання потужності і енергії

Вимірювальні прилади калібруються при чисто синусоїдальному струмі і напрузі, тому при їх використанні для вимірювання потужності при спотворених струмах і напрузі вони можуть давати похибки понад нормовані.

Значення і напрям гармонічних спотворень (вторинної потужності) важливі для комерційних розрахунків за електроенергію, оскільки знак похибки визначається напрямом вторинної потужності. Дослідження показали, що значенням похибки вимірювань, викликаної вищими гармоніками, варіюється в широких межах і можливі як позитивні, так і негативні похибки.

Найбільш поширеним приладом для вимірювання енергії є індукційний лічильник електромагнітної системи, обертові і гальмівні магнітні потоки якої, діють на ротор лічильника, створюючи результуючий момент обертання. У лічильнику передбачені спеціальні елементи, що створюють вторинні потоки і що дозволяють збільшити точність вимірювання і компенсувати момент тертя реєструючого механізму. Ці елементи, що створюють первинний і вторинний моменти, зазвичай нелінійні по відношенню як до амплітуди, так і до частоти. Нелінійні елементи включають в себе струмові і напругові частини, перевантажувальні магнітні шунти і частотно-чутливі елементи, такі, як диск, квадратурний і антифрикційний контури.

Чутливість лічильника до частот, які знаходяться за межами розрахункових параметрів, невелика. Вираз для потужності в мережі можна записати в наступному вигляді

,

де , , - напруга, струм і потужність постійної складової; , - напруга, струм і потужність основної гармоніки; , , - напруга, струм і потужність гармонічних складових.

Лічильник не вимірює , але чутливий до його присутності, вимірює з великою точністю і з набагато меншою точністю, залежною від частоти. Сумарна потужність гармонік отримується сумуванням всіх компонентів з частотами, вище і нижче основної.

Будь-яка постійна складова, що поступає з системи або генерується споживачем, викликає похибку, пропорційну відношенню Знак похибки визначається напрямом потоку Так само гармонічні складові викликають похибки, які визначаються співвідношенням , де коефіцієнт k залежить від амплітудно-частотної характеристики лічильника, а знак визначається напрямом потоку потужності гармоніки.

Складові постійного струму і вищих гармонік не можуть самі по собі створити момент обертання, але спотворюють вимірювання потужності на основній частоті. Постійний струм порушує робочі потоки і змінює магнітну проникність магнітних елементів. Потоки, які викликаються гармоніками, взаємодіють з потоками тієї ж частоти, що виникають через невідповідність елементів конструкції лічильника, і викликають вторинні моменти.

Дослідження показали, що зазвичай індукційні лічильники завищують потужність, споживану перетворювачами, на декілька відсотків (були відмічені випадки до 6 %) в основному внаслідок слабого демфування в інтервали відсутності струму. Такі споживачі являються автоматично покараними за внесення спотворень до мережі, тому в їх відповідних інтересах установка відповідних засобів для гашення гармонік. Підвищені показники лічильників добре компенсують додаткові втрати потужності в мережі енергосистеми, які викликаються гармоніками.

Кількісних даних про вплив гармонік на точність вимірювання максимуму навантаження немає, проте ймовірно він такий же, який і у випадку точності вимірювання енергії. Точне вимірювання енергії незалежно від форми кривих струму і напруги забезпечується електронними лічильниками, що мають вищу вартість.

Гармоніки впливають і на точність вимірювання реактивної потужності, яка точно визначена лише для випадку синусоїдальних струмів і напруги, і на точність вимірювання коефіцієнта потужності.

Рідко згадується вплив гармонік на точність повірки і калібрування приладів в лабораторіях, хоча ця сторона питання також важлива.

Показники несинусоїдності

Несинусоїдність напруги за ГОСТ 13109-97 характеризується такими показниками:

· коефіцієнт спотворення синусоїдності кривої напруги K_U ;

· коефіцієнт n-ї гармонічної складової напруги K_U(n)

Показники якості напруги, які характеризують спотворення синусоїдності її кривої, визначають на основі вимірювань гармонічного складу напруги відповідними приладами (аналізаторами гармонік). Для кожного і-го спостереження за період часу 24 год. визначають діюче значення напруги n-ї гармоніки U_(n)і (В, кВ) та розраховують значення коефіцієнтів гармонік (%) за формулою

, (1)

де U_(1)і – діюче значення напруги основної частоти в і-му спостереженні (В, кВ); замість цієї величини стандартом допускається використовувати значення номінальної напруги U_ном .

Значення коефіцієнта n-ї гармонічної складової напруги K_U(n)(%) як результат осереднення N спостережень на інтервалі Т_ks , що дорівнює 3 с, розраховують за формулою

. (2)

Як результат і-го спостереження для гармонік з 2-ї до 40-ї розраховують значення коефіцієнта спотворення кривої напруги K_Uі (%) за формулою

. (3)

Допускається не враховувати гармонічні складові, значення яких становить менше 0,1 %, а також замість діючого значення напруги основної частоти U_(1)і використовувати значення номінальної напруги U_ном.

Значення коефіцієнта спотворення синусоїдності кривої напруги K_U (%) розраховують як результат осереднення N спостережень K_Uі за інтервал часу Т_ks,, що дорівнює 3 с, за формулою

. (4)

Кількість спостережень N повинна бути не менше 9.

Якість електричної енергії за коефіцієнтами n-ї гармоніки та коефіцієнтом спотворення синусоїдності кривої напруги в точці загального приєднання вважають такою, що відповідає вимогам стандарту, якщо найбільше з усіх виміряних упродовж 24 год значень коефіцієнтів спотворення синусоїдності кривої напруги не перевищує гранично допустимого значення, а значення коефіцієнта спотворення синусоїдності кривої напруги, яке відповідає ймовірності 95% за встановлений період часу, не перевищує нормально допустимого значення.

Додатково допускається визначати відповідність нормам стандарту за сумарною тривалістю часу виходу виміряних значень цього показника за нормально допустимі значення, яке не повинно перевищувати 5% від встановленого періоду часу, тобто 1 год. 12 хв., а для гранично допустимого значення – 0%

Нормування несинусоїдності

Нормально допустимі та гранично допустимі значення коефіцієнта спотворення синусоїдності кривої напруги в точках загального приєднання до електричних мереж з різними номінальними напругами U_ном наведені в табл.1.

Таблиця 1