Чем обусловлены провалы напряжения в электрической сети

Провалы напряжения в системах электроснабжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СИСТЕМА / ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ / ПРОВАЛЫ НАПРЯЖЕНИЯ / КОМПЕНСАЦИЯ / ОБСЛУЖИВАНИЕ / ЕМКОСТНЫЕ ТОКИ / ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ / ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ / SYSTEM / ELECTRICAL EQUIPMENT / VOLTAGE DIPS / COMPENSATION / MAINTENANCE / CAPACITIVE CURRENTS / OPERATION / INDUSTRIAL ENTERPRISE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Шпиганович Александр Николаевич, Шпиганович Алла Александровна, Богомолов Илья Игоревич

Анализируются причины провалов напряжения , приводятся их параметры. Дается классификация средств защиты от провалов напряжения и возможные пути их исследования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

VOLTAGE SAGS IN POWER SYSTEMS

In the article the causes of voltage failures are analyzed, their parameters are given. Classification of means of protection against voltage dips and possible ways of their investigation are given.

Текст научной работы на тему «Провалы напряжения в системах электроснабжения»

ПРОВАЛЫ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

А.Н. Шпиганович, А. А. Шпиганович, И.И. Богомолов

Анализируются причины провалов напряжения, приводятся их параметры. Дается классификация средств защиты от провалов напряжения и возможные пути их исследования.

Ключевые слова: система, электрооборудование, провалы напряжения, компенсация, обслуживание, емкостные токи, функционирование, промышленное предприятие.

Одним из основных негативных факторов систем электроснабжения служат провалы напряжения. Их появление обусловлено объективными и субъективными причинами, а именно ударами молний, загрязнением изоляции, механическими повреждениями, касанием токоведущих частей посторонними предметами, ошибочными действиями оперативного и ремонтного персонала и т.д. Они могут возникнуть из-за запуска мощных приемников на предприятии или на соседнем производстве в той же распределительной сети, работы устройства повторного включения, изменения нагрузки переключением. Призваны на сегодняшний день две основные причины провалов напряжения. Это подключение значительных нагрузок потребителем или неисправности на смежных электрически связанных участках системы электроснабжения. Схематически причины провалов напряжения представлены на рис. 1. Согласно ГОСТу провал напряжения — внезапное понижение напряжения в точке электрической системы ниже 0,9 номинального напряжения, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд. Физически это означает, что требуемая энергия не поступает к приемнику. Параметрами провала являются его длительность, величина остаточного напряжения, выражаемая в процентах от номинального значения, и частота появления провалов напряжения [1]. Наблюдаются также групповые провалы от повторного включения нагрузки. В результате их появления осуществляется накопительный эффект [2]. Он более опасен чем отдельные провалы. Провалы длительностью менее 3 секунд имеют место в электрических сетях, где устройства автоматического включения резерва на трансформаторной подстанции выполнены на стороне 0,4 кВ со временем срабатывания 0,2 секунды.

Для конкретной системы электроснабжения, что бы разработать защиту от провалов напряжения и предотвратить их последствие следует располагать прогнозом провалов.

Рис. 1. Причины возникновения провалов напряжения

Регистрация глубины и длительности провалов напряжения выполняется путем использования измерительной аппаратуры. Достоверность прогноза тем выше, чем шире масштаб охваченной измерениями системы. Необходимо учитывать реальную структуру и конфигурацию системы электроснабжения вплоть до подключенных шин 0,4 кВ, а также режимы работы электрооборудования. Результаты измерений должны отражать значения напряжения, тока, мощности в интересующих узлах, но и отклонения этих параметров от номинальных значений [3].

Анализ результатов литературных источников и выполненных измерений свидетельствует, что в кабельных и воздушных распределительных сетях преобладают провалы напряжения глубиной (35-99)% продолжительностью (1,5-3,0) секунд. Каждое производство, которое получает электроэнергию от распределительной кабельно-воздушной сети, испытывает до 30 провалов в год, а от кабельной сети — до 10 провалов. Согласно статистике около 70% повреждений воздушных сетей 110 кВ приходится на однофазные короткие замыкания, 20% — на двухфазные или двухфазные на землю, 10% — на трехфазные короткие замыкания. В кабельных сетях 6-10 кВ преобладают однофазные короткие замыкания на землю. При оперативном отключении поврежденного электрооборудования они не переходят в многофазные короткие замыкания и не вызывают провалов. Соотношение параметров для кабельных линий представлено в таблице, а на рис.2 отображены их параметры.

Рис. 2. Параметры провалов напряжения: ином — номинальное напряжение, В;

ит1п — минимальное из всех измеренных среднеквадратичных значений напряжения, В; 1 ,1 н — начальный и конечный моменты времени провала, с; т( 5ипА1 п )- число провалов напряжения глубиной 5ип-и длительностью Д1 п за период времени Т; М — общее число наблюдений

Продолжительность провалов напряжения при близких однофазных коротких замыканиях определяется временем действия первой ступени защиты. Обычно это составляет 0,25. 0,35 с. С удалением места повреждения от источника питания остаточное напряжение прямой последовательности увеличивается, а обратной — уменьшается. При этом уменьшается число провалов линейных и фазных напряжений, но увеличивается длительность провала, так как увеличивается время действия защиты [4].

Характеристики провалов напряжения для кабельных линий

Глубина провалам/о Доля интервалов, %, при длительности провала, с Всего, %

0,01-0,1 0,1-0,5 0,5-1,0 1,0-3,0 3-20 20-60

10-30 33 20 4 0,5 0,5 — 58

30-60 4 15 2 — — — 21

60-95 3 9 0,5 1,5 — — 14

100 0,5 0,5 1 — — 5 7

Итого 40,5 44,5 7,5 2,0 0,5 5 100

Каждый провал напряжения приводит к кратковременному сбою в работе технологического оборудования. Разные нагрузки промышленности реагируют по-своему на это явление. Особенно ощутимое влияние провалы напряжения оказывают на так называемые «непрерывные технологические процессы» в металлургической, химической, нефтепереработке и других подобных отраслях. Возникающий при этом ущерб в лучшем случае выражается в браке части продукции, а в худшем — требует полной остановки технологического процесса. В отдельных случаях необходимо учитывать и стоимость недовыпущенной продукции. Если из-за внезапных провалов наносится экологический ущерб, то должны быть учтены затраты на ликвидацию всех возможных последствий. Оценить степень влияния провалов напряжения на потребителей можно зная глубину и длительность, а также степень чувствительности его приемников. При большом числе и мощности электрических двигателей на предприятии их одновременное включение после провала напряжения может оказаться недопустимым. Вызвано это тем, что в момент самозапуска возникает новый провал напряжения. Переходный процесс сильно затягивается, а часть электродвигателей может отключиться из-за перегрузки по току. Необходимо в таких случаях использовать специальные схемы, предусматривающие повторное включение электродвигателей последовательными очередями [5]. В процессе построения характеристик провалов напряжения зачастую возникает задача выбора точек вероятных коротких замыканий и контрольных точек, для которых следует рассчитать величины посадок напряжения, изменения активной, реактивной мощностей. Это необходимо, исходя из требований минимума средств измерений, для получения наиболее достоверной картины распределения провалов напряжения. Наиболее энергоемким оборудованием промышленных предприятий являются технологические установки, оснащенные асинхронными или синхронными электродвигателями. Пуск таких приемников прямым включением в сеть сопровождается большими ударными токами и знакопеременными электромагнитными моментами. Броски тока также вызывают (до 30%) значительные провалы напряжения в основном на шинах распределительных устройств, что негативно сказывается на работе соседних приемников. Безопасным считается уровень провала не превышающий 10%. Поэтому чтобы предел провала не превышал 10%, требуется выбирать мощность трансформаторов подстанций, в данном случае, на ступень выше или ограничивать пусковые токи с помощью устройств плавного пуска, а также использовать преобразователи частоты. Чтобы сократить число провалов напряжения следует применять современные микропроцессорные устройства релейных защит и средств автоматики, осуществлять секционирование шин подстанций и распределительных пунктов, снижать сопротивление заземления, Использовать грозозащитные устройства, проводить профилактические мероприятия по чистке изоляции и замене дефектных изоляторов.

Улучшение качественных характеристик сети с целью устранения провалов напряжения не всегда осуществимо. В большинстве случаев требуется специальное оборудование, выбор которого не велик в зависимости от вида нагрузки. Самым экономичным способом противостоять провалам является выбор оборудования, устойчивого к провалам в силу своей конструкции. Важную роль играет взаимодействие и согласованная работа средств технологической автоматики с автоматикой системы электроснабжения. Наиболее правильным является комплексный подход к решению проблемы не нарушения технологических процессов при кратковременных провалах напряжения в системах электроснабжения производства, отвечающий анализу работы технологических машин, технологической автоматике, высоковольтных и низковольтных приемников всех механизмов в тесной увязке с работой средств релейной защиты и автоматики в системах электроснабжения.

В настоящее время используются быстродействующие вакуумные выключатели типа ВВЭМ, ВБЧЭ с электродинамическим устройством управления. Время срабатывания их может достигать нескольких секунд, что приводит к величине напряжения на пусковых органах (0,75.. .0,80)% от номинального. В результате не защищается чувствительное к таким помехам электрооборудование.

Универсальным средством защиты, как от провалов напряжения, так и его превышения служат источники бесперебойного питания. Они способны сохранять электроснабжение отдельных электроприемников или локальных сетей. Если для этой цели используются аккумуляторные батареи, то с их использованием можно поддерживать необходимый уровень напряжения в течение 5.20 мин. Этого времени более чем достаточно для ввода резервного питания [6]. К устройствам, защищающим электрооборудование от провалов напряжения можно отнести: маховик, статический источник бесперебойного питания, статический компенсатор, динамический компенсатор искажений напряжения, параллельно работающий синхронный двигатель, активный фильтр, бестрансформаторный усилитель и д. р. [7,8].

Схематически виды средств защиты от провалов напряжения приведен на рис. 3.

Двигатель-генератор вместе с моховиком защищает технологические процессы практически от всех провалов напряжений. Когда наступает падение напряжения, то подключение маховика, соединенного с двигателем-генератором замедлит снижение напряжения на нагрузке. Во время провала напряжения динамический компенсатор искажений напряжения остается подсоединенным к электрической сети. Он добавляет отсутствующую часть напряжения через трансформатор, включенный последовательно с нагрузкой. Статический компенсатор снижает провалы напряжения за счет добавления реактивной мощности в сеть. Способность снижать провалы напряжения может быть усилена использованием дополнительного источника энергии, например, как сверхпроводящий магнитный источник энергии. Параллельно подсоединенный синхронный двигатель с нагрузкой аналогичен по своему действию статическому компенсатору, но он не содержит силовой электроники. Способность синхронного двигателя обеспечивать большую реактивную нагрузку позволяет ограничивать провалы глубиной до 60% на протяжении 6 секунд [9].

Средства защиты от

— Маховик Современные микропроцессорные устройства релейных защит —

— Статистический компенсатор Секционирование шин 110 кВ —

Применение грозозащитных устройств линий 110 кВ Статистический источник бесперебойного питания (ИБП)

Активный фильтр Динамический компенсатор искажений напряжения

Комплексы устройств быстродействующего АВР Параллельно работающий синхронный двигатель

Активный регулятор напряжения Бестрансформаторный усилитель «-1

Рис. 3. Средства защиты от провалов напряжения

Для защиты электрооборудования постоянного тока от провалов напряжения используют преобразователи, повышающие напряжение шин постоянного тока до номинального уровня. Величина провала, которая может быть компенсирована преобразователем, зависит от его номинального тока. Повышающий преобразователь начинает работать сразу, как провал напряжения будет зафиксирован на шинах. Со способностью обеспечить компенсацию симметричного провала напряжения до 50%, повышающий преобразователь имеет возможность компенсировать глубокие несимметричные

провалы, такие как отказ одной из фаз системы. Для защиты от полного отключения электроэнергии преобразователь снабжается батареями [10-12]. Активный фильтр должен постоянно поддерживать напряжение в течение всего периода его провала. Максимальное значение компенсации провала напряжения определяется током фильтра [13]. Динамический компенсатор должен: осуществлять непрерывное регулирование трехфазного понижения напряжения и его провалов вплоть до 90% от номинального; восстанавливать провалы не менее чем за 30 секунд; ослаблять дозы фликера в напряжении; симметрировать трехфазные падения напряжения до 50% и однофазные провалы до 30%; компенсировать линейные падения напряжения.

На основании выполненного анализа литературных источников следует проводить исследования по влиянию провалов напряжения на безотказность систем электроснабжения, вызванных внешними и внутренними возмущающими факторами, с учетом того, что они носят случайный характер. Поэтому одним из этапов в работе является исследование провалов напряжения на основе вероятностных подходов.

1. Маслеников Г.К. Обеспечение качества электроэнергии в системахэлектро-снабжения общего назначения // Энергосбережение, 2002. № 1. С. 15-21.

2. Фишман В. С. Провалы напряжения в сетях промышленных предприятий // Новости электротехники, 2004. №5 (29).

3. Гамазин С.И., Марков Ю.В., Пупин В.М. Современные способы повышения надежности электроснабжения потребителей напряжением 0,4, 6 10 кВ // Промышленная энергетика, 2008. № 8. С. 15-19.

4. Шпиганович А.Н., Черных И.А., Шилов И.Г. Провалы напряжения в высоковольтных электрических сетях // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2006. № 1. С. 16-19.

5. Фишман В.С. Провалы напряжения в сетях промышленных предприятий. Минимизация последствий // Новости электротехники, 2004. №6 (30).

6. Шпиганович А.Н., Ладанов А. С. Анализ влияния колебаний напряжения на режимы работы электродвигателей. Липецк: ЛГТУ, 2004. 180 с.

7. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Интернет инжиниринг, 2005. 672 с.

8. Берх И.М., Мазуров М.И., Николаев А.В. Система векторного регулирования статического компенсатора СТАТКОМ // Изв. НИИПТ, 2003. №59.

9. Пупин В.М. Устройства защиты от провалов напряжения // Приложение к журналу Энергетик, 2011. №5(149).

10. Ивкин О.Н., Киреева Э.А., Пупин В.М. Применение динамических компенсаторов искажений напряжения с целью обеспечения надежности электроснабжения потребителей // Главный энергетик, 2006. № 1. С. 25-27.

11. Шпиганович А.Н., Пестунов В. А. Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения. Липецк: ЛГТУ, 2004. 281.с.

12. Куро Ж. Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передаче и распределении // Новости электротехники. 2005. №1. С. 25-27.

13. Бородин Б.Н., Пупин В.М., Егорова М.С. Системный подход к повышению надежности электроснабжения потребителей Оскольского электрометаллургического комбината // Промышленная энергетика, 2008. № 11. С. 32-36.

Шпиганович Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, камер ами. lipetsk.ги, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Шпиганович Алла Александровна, д-р техн. наук, профессор, kaf-eo@stu. lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Богомолов Илья Игоревич, студент, kaf-eo@stu.lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

VOLTAGE SAGS IN POWER SYSTEMS A.N. Shpiganovich, A.A. Shpiganovitch, I.I. Bogomolov

In the article the causes of voltage failures are analyzed, their parameters are given. Classification of means of protection against voltage dips and possible ways of their investigation are given.

Key words: system, electrical equipment, voltage dips, compensation, maintenance, capacitive currents, operation, industrial enterprise.

Shpiganovich Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical science, professor, head of chair, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Shpiganovich Alla Aleksandrovna, doctor of technical science, professor, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Bogomolov Ilya Igorevich, student, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО БЕЗРЕДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА СКРЕБКОВОГО КОНВЕЙЕРА

Г.И. Бабокин, В. А. Готовцева

Рассмотрены преимущества применения безредукторного электропривода скребкового конвейера с синхронным двигателем с постоянными магнитами, разработана четырехмассовая математическая модель электропривода для исследования динамических процессов. Математическая модель электропривода отличается учетом изменения жесткости рабочего участка тяговой цепи и массы перемещаемого груза в зависимости от положения очистного комбайна, что позволяет с большей точностью рассчитывать переходные процессы в рабочих и аварийных режимах электропривода.

Ключевые слова: математическая модель, скребковый конвейер, безредуктор-ный электропривод, тяговая цепь, синхронный двигатель с постоянными магнитами, инвертор, система управления.

При подземной добыче полезных ископаемых (угля, сланца калийной соли) в горнодобывающей промышленности широко применяются механизированные комплексы, в состав которых входят очистной комбайн и скребковый конвейер, определяющие в значительной мере эффективность функционирования предприятий [1, 2]. Очистной комбайн формирует грузопоток полезного ископаемого, а скребковый конвейер обеспечивает транспортирование полезного ископаемого на ленточный конвейер штрека [1, 2].

Особенности определения провалов напряжения в системах электроснабжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ершов Сергей Викторович, Жабин Борис Андреевич

Рассмотрены методы и модели анализа электрических сетей, в которых возникают провалы напряжения . В основу методики определения параметров напряжения положен комбинированный способ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FEATURES OF DEFINITION OF VOLTAGE DIPS IN POWER SUPPLY SYSTEMS

Methods and models of the analysis of electrical networks that are experiencing a brownout are considered. In a basis of a technique of definition of parameters of voltaget a combined method.

Текст научной работы на тему «Особенности определения провалов напряжения в системах электроснабжения»

Dmitriev Anton Mikhailovich, magister, kafelene@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University

ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

С.В. Ершов, Б. А. Жабин

Рассмотрены методы и модели анализа электрических сетей, в которых возникают провалы напряжения. В основу методики определения параметров напряжения положен комбинированный способ.

Ключевые слова: электроснабжение, напряжение, провал напряжения, моделирование, проектирование.

Обычно провалом напряжения называют кратковременное снижение или полную потерю напряжения. С физической точки зрения это означает, что требуемая энергия не поступает к нагрузке. Такое явление может привести к серьезным последствиям. Параметрами провала напряжения являются его длительность Atn и величина остаточного напряжения dUn, выражаемая в процентах от номинального (рис.1). В большинстве случаев падением напряжения будет являться относительно длительное его снижение. Такой способ применяют для уменьшения нагрузки в периоды максимума потребления энергии или уменьшения возможного ее наличия в сравнении со спросом.

Считается, что электродвигатели, в том числе и установки с регулируемым приводом, наиболее подвержены влиянию провалов напряжения из-за того, что нагрузке необходима энергия, которой уже недостаточно. При этом исключением будет являться инерция движущихся частей. Если в системе несколько электроприводов, то управляющие элементы могут управлять отключением двигателя с различными значениями напряжения и применять различные принципы замедления. Это ведет, например, к потере контроля за процессами непрерывных производств чугуна.

На данный момент признаны две основные причины провалов напряжения, а именно подключение значительных нагрузок потребителем или неисправности на смежных электрически связанных участках цепи. При запуске электродвигателей, имеющих значительную мощность, пусковые токи могут в разы превышать номинальные. В случае расчета подключенного кабеля на номинальную мощность пусковые токи приводят к снижению напряжения как в питающей сети, так и на стороне нагрузки.

Рис.1. Возникновение провала напряжения

Для измерения длительности провала напряжения ДtTl (рис.1) фиксируют начальный момент времени резкого спада (с длительностью менее 10 мс) огибающей среднеквадратических значений напряжения, определенных на каждом полупериоде основной частоты, ниже уровня 0,9ином. Регистрируют конечный момент времени ¡к восстановления среднеквадратичного напряжения до 0,9 Uн0м. На конечном этапе определяется длительность провала напряжения Д^ по соотношению [1]

где t н, t к — начальный и конечный моменты времени провала напряжения.

Глубину провала напряжения 5ип в процентах (рис.1) определяют следующим образом. Выполняют замеры среднеквадратичных значений напряжения за каждый полупериод основной частоты во время провала напряжения в вольтах, киловольтах. Определяют минимальное из всех измеренных среднеквадратичных значений напряжения и^. Далее проводят вычисление глубины провала напряжения ди в процентах по формуле

дип = Пн и™п ■ 100 % (2)

Частоту появления провалов напряжения в процентах принято рассчитывать по выражению [1]:

где т (дип ,Д) — число провалов напряжения глубиной дип и длительностью Д1 п; М — суммарное число посадок за период времени наблюдения.

Величина значений провалов напряжения может быть определена запасом сети по мощности, сопротивлением кабельных линий и точки общего подключения. Посадкам, вызванным пусковыми токами двигателей, свойственны невысокие значения уменьшения напряжения, но большая длительность, чем у тех, которые вызваны нарушениями в распределительной сети. Такие провалы продолжаются от одной до нескольких десятков секунд.

Если в сети имеются проблемы из-за сопротивления кабелей, то они решаются относительно просто. Значительные нагрузки могут быть определены при подключении к источнику через точки общего доступа или вторичной обмотке питающего силового трансформатора. В случае проблемы из — за сопротивления либо из-за недостаточной мощности на стороне питания необходимо принятие особых мер. В данном случае может быть применено устройство для «мягкого пуска». Данные устройства позволяют снизить амплитуду величины провалов напряжения, рассредоточив дополнительную нагрузку во времени. Так же могут быть использованы питающие цепи с меньшим полным сопротивлением. Но в действительности такое решение бывает весьма затратным. Если провалы невозможно устранить, то нужно применять оборудование, дающее возможность компенсировать или минимизировать это явление. На сегодняшний день это могут быть механические стабилизаторы с сервоуправлением, электронные регуляторы и системы с динамическим восстановлением напряжения.

Необходимо отметить, что распределительные сети электроснабжения металлургических предприятий очень сложны. Уровень влияния повреждения участков друг на друга зависит от конфигурации сети, относительного значения общего сопротивления на аварийном участке, нагрузки и генератора в точке, где есть подсоединение. На рис. 2 показан пример возникновения и развития провалов напряжения в типовой распределительной сети. В примере повреждение в точке 2 привело к провалу глубиной 100 % на нагрузке №3, 36 % — на нагрузке №2 и 2 % — на нагрузке №1. Авария в точке 1 вызывает провал напряжения у остальных потребителей с величиной 100 % на нагрузке №1 и до 50 % — на всех остальных участках сети, показанный в примере.

Потребители 3 Остальные потребители

Рис.2. Образование и протекание провалов напряжения в обобщенной распределительной электрической сети

Нужно заметить, что авария на секции I влияет на большее число потребителей, чем на секции II, где нагрузки подвержены большему числу провалов напряжения. Поэтому чем более близко расположена нагрузка к источнику питания, тем меньше будет значение глубины провалов напряжения. Продолжительность посадки находится в зависимости от времени реакции защиты на установление и определение повреждения. В большинстве случаев оно составляет несколько миллисекунд. Часто повреждения могут оказаться случайными, в данных ситуациях их необходимо устранять как можно скорее.

Если участок сети отключен релейной защитной или автоматикой на большой промежуток времени, то приемники электропитания отключаются до устранения аварии и повторного ввода. Устройства автоматического повторного включения (АПВ) способны частично решить проблему, но в то же время часто могут привести к увеличению числа провалов напряжения. АПВ рассчитано на восстановление питания в течение примерно одной секунды, как только сработает автоматика. Если аварийная ситуация устранена, то повторное включение завершится удачно, и электроснабжение аварийного участка будет восстановлено. Тем не менее, во время между срабатыванием защиты и повторным включением величина провала напряжения может достигнуть 100 %. На других участках может возникнуть провал меньшей величины и длительности. Если повреждение к моменту повторного включения не будет устранено, то защитная автоматика сработает снова. Ситуация будет повторяться в зависимости от числа

попыток, предусмотренных алгоритмом АПВ. Каждый раз при повторном включении на других участках вновь будет возникать посадка, т.е. на остальные приемники будут действовать повторные провалы.

Качество электроэнергии от поставщика, как правило, полностью определяется по среднему значению перерывов питания у потребителя в минутах. К тому же в расчетах учитываются нарушения подачи питания только свыше одной минуты. Это повлияло на повсеместное использование устройств АПВ и, как следствие, привело к увеличению вероятности провалов напряжения. Другими словами, уменьшение времени перерыва подачи электроэнергии достигнуто за счет ее качества.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ, ПРОВАЛЫ, НЕСИММЕТРИЯ И ПРЕРЫВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Обычно сетевое напряжение отклоняется от номинального значения, в следующих случаях:
— Включение мощного потребителя (пуск мощного электродвигателя) или одновременное включение множества мощных потребителей (подключение в сеть нескольких электроустановок предприятия) чаще всего вызовет кратковременный провал напряжения, обусловленный большими пусковыми токами.
— Одновременная работа множества кондиционеров (при одновременном пуске могут вызвать еще и кратковременный провал напряжения) или электрообогревателей, включенных в сеть не предназначенную для большой нагрузки вызовут долговременное снижение напряжения.
— Обрыв нулевого провода. В этом случае нагрузка пары фаз оказывается включенной последовательно на напряжение 380 вольт, соответственно, если одна фаза была в несколько раз сильнее нагружена чем другая, то и напряжение на потребителях менее нагруженной пары превысит 220 Вольт будет стремиться к 380 Вольт (на практике как правило редко бывает больше 300 Вольт так как фазы нагружены относительно равномерно),
— Плохой контакт с нулевым проводом или при недостаточном сечении нулевого провода получается «перекос фаз» — напряжение на некоторых фазах выше номинального, а на некоторых ниже. Очень часто в старых щитках на лестничных площадках можно увидеть раскаленный докрасна болт, крепящий нулевой провод, его нагрев как раз и обусловлен плохим контактом.
— Перепутали нулевой и фазный провод при подключении потребителей к трехфазной сети, в этом случае потребителям на двух фазах поступят 380 Вольт вместо 220 Вольт.
— Обрыв и попадание нулевого провода на одну из фаз в воздушной линии.

В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное напряжение электропитания равно 220 В (или 230 Вольт по последним стандартам, допустимы обе величины) (между фазным и нейтральным проводниками для однофазных и четырехпроводных трехфазных систем) и 380 В (между фазными проводниками для трех и четырехпроводных трех фазных систем).
Медленные изменения напряжения электропитания (как правило, продолжительностью более 1 мин) обусловлены обычно изменениями нагрузки электрической сети. Показателями качества электроэнергии, относящимися к медленным изменениям напряжения электропитания, являются отрицательное и положительное отклонения напряжения электропитания в точке передачи электрической энергии от номинального / согласованного значения, %.
Установлены следующие нормы: положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального или согласованного значения напряжения в течение 100 % времени интервала в одну неделю.

Перенапряжение: Временное возрастание напряжения в конкретной точке электрической системы выше установленного порогового значения.
Перенапряжения, как правило, вызываются переключениями и отключениями нагрузки. Перенапряжения могут возникать между фазными проводниками или между фазными и защитным проводниками. В зависимости от устройства заземления короткие замыкания на землю могут также приводить к возникновению перенапряжения между фазными и нейтральным проводниками. Перенапряжение рассматривается как электромагнитная помеха, интенсивность которой определяется как напряжением, так и длительностью. Длительность перенапряжения может быть до 1 мин.

Провал напряжения: Временное уменьшение напряжения в конкретной точке электрической системы ниже установленного порогового значения.
Провалы напряжения обычно происходят из-за неисправностей в электрических сетях или в электроустановках потребителей, а также при подключении мощной нагрузки. Провал напряжения, как правило, связан с возникновением и окончанием короткого замыкания или иного резкого возрастания тока в системе или электроустановке, подключенной к электрической сети. Провал напряжения рассматривается как электромагнитная помеха, интенсивность которой определяется как напряжением, так и длительностью. Длительность провала напряжения может быть до 1 мин. В трехфазных системах электроснабжения за начало провала напряжения принимают момент, когда напряжение хотя бы в одной из фаз падает ниже порогового значения начала провала напряжения, за окончание провала напряжения принимают момент, когда напряжение во всех фазах возрастает выше порогового значения окончания провала напряжения.

Прерывание напряжения: Ситуация, при которой напряжение в точке передачи электрической энергии меньше 5 % опорного напряжения.
Создаваемые преднамеренно прерывания напряжения, как правило, обусловлены проведением запланированных работ в электрических сетях. Случайные прерывания напряжения подразделяют на длительные (длительность более 3 мин) и кратковременные (длительность не более 3 мин). Ежегодная частота длительных прерываний напряжения (длительностью более 3 мин) в значительной степени зависит от особенностей системы электроснабжения (в первую очередь, применения кабельных или воздушных линий) и климатических условий. Кратковременные прерывания напряжения наиболее вероятны при их длительности менее нескольких секунд.

Несимметрия напряжений: Состояние трехфазной системы энергоснабжения переменного тока, в которой среднеквадратические значения основных составляющих междуфазных напряжений или углы сдвига фаз между основными составляющими междуфазных напряжений не равны между собой.
Несимметрия трехфазной системы напряжений обусловлена несимметричными нагрузками по требителей электрической энергии, несимметрией элементов электрической сети, обрывом нулевого провода.

ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения

ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009) Напряжения стандартные

Провалы напряжения: введение

Под провалом напряжения понимается кратковременное снижение или полная потеря RMS напряжения 1 . Параметрами провала напряжения являются его длительность и значение самой малой величины остаточного напряжения, обычно выражаемое в процентах от номинального RMS напряжения. Провал напряжения означает, что требуемая энергия не поступает к нагрузке, и последствия этого могут быть весьма серьезными в зависимости от назначения и характера такой нагрузки.

При этом падение напряжения – относительно длительное по времени снижение напряжения, обычно осознанное мероприятие со стороны поставщика энергии с целью снижения нагрузки в период пика потребления или из-за необычного снижения возможного наличия энергии в сравнении со спросом на нее.

Электродвигатели, включая изделия с регулируемым приводом, особенно уязвимы перед провалами напряжения, поскольку нагрузка все еще требует энергии, которой, за исключением инерции движущихся частей, уже недостаточно. В системах с несколькими электроприводами управляющие элементы определив снижение напряжения могут подать сигнал на отключение двигателя при разных фактических значениях уменьшенного напряжения и применить различные величины замедления по сравнению друг с другом, что приведет к полной потере контроля за таким скоротечным процессом.

Оборудование для обработки цифровых данных также крайне чувствительно к провалам напряжения, поскольку это событие может привести и к потере данных, и снижает общую эффективность системы обработки цифровых данных. Цена последствий может быть весьма существенна и подробно рассматривается в Разделе 2.

Существуют две основных причины провалов напряжения: подключение значительных нагрузок потребителем или неисправности на смежных электрически связанных участках цепи.

Провалы, вызванные большими нагрузками

При включении больших нагрузок, как например, мощных электродвигателей, пусковые токи могут в разы превышать номинальные. А если цепи и кабельное хозяйство рассчитаны только на номинальные значения тока, пусковые токи вызовут снижение напряжения как в питающей сети, так и на стороне нагрузки. Масштаб явления связан с общим запасом сети по мощности, полным сопротивлением в точке общего подключения (PCC) и полным сопротивлением кабелей. Провалам, вызванным пусковыми токами электродвигателей, свойственны не слишком высокие значения уменьшения напряжения, но бо’льшая длительность, чем у тех, которые вызваны проблемами распределительной сети и длятся от одной до нескольких десятков секунд.

Проблемы у потребителя, вызванные сопротивлением кабелей, решаются относительно легко. Большие нагрузки можно напрямую подсоединить к источнику через точки общего присоединения (PCC) или вторичной обмотке питающего силового трансформатора. Если проблема вызвана полным сопротивлением в точки общего присоединения, т. е. недостаточной мощностью на стороне питания, то требуется принятие мер. Одним из решений может быть применение устройств «мягкого пуска», которые позволяют снизить абсолютные величины провалов напряжения, распределив дополнительную нагрузку во времени. Другим решением может быть устройство по согласованию с компанией-поставщиком питающих цепей с меньшим полным сопротивлением, хотя такое решение может оказаться весьма затратным. Если причину провалов напряжения устранить не удается, то необходимо оборудование, позволяющее компенсировать это явление. К числу таких устройств относятся традиционные механические стабилизаторы с сервоуправлением, электронные регуляторы напряжения и системы динамического восстановления напряжения (DVR).

Эти виды оборудования подробнее рассматриваются в Разделе 5.3.

Провалы сетевого происхождения

Распределительные сети очень сложны. Степень влияния повреждения на одном участке сети на другие ее части, именно величина провала напряжения и длительность, напрямую зависит от топологии сети, относительного значения полного сопротивления на проблемном участке, нагрузки и генератора в точке общего присоединения.

На рис. 1 представлен пример. Повреждение в точке F3 вызвало провал напряжения 0 % на нагрузке 3, провал 64 % на нагрузке 2 и провал 98 % на нагрузке 1.

Проиcхождение провалов напряжения

Проблема в точке F1 приведет к провалу напряжения у всех потребителей с величиной 0 % на нагрузке 1 и до 50 % на всех других. Обратите внимание, что повреждение на уровне 1 окажет большее влияние на большее число потребителей, чем повреждение на уровне 3. Нагрузки уровня 3, вероятно, будут подвержены большему числу провалов напряжения, чем нагрузки уровня 1, поскольку число участков с возможными проблемами больше – именно на уровнях 1 и 2.

Нагрузки на уровне 2 и 1 соответственно менее зависимы от проблем на уровне 3. Чем ближе нагрузка к источнику питания, тем меньше будут провалы напряжения.

Длительность провала напряжения зависит от времени реакции защиты на обнаружение и изолирование повреждения и составляет, обычно, несколько миллисекунд. Некоторые повреждения могут быть случайными, например, упавшее на воздушную линию дерево – такие проблемы устраняются быстро.

Если участок отключается на длительное время защитной автоматикой, то все потребители на нем обесточиваются до устранения проблемы, проверки и повторного подключения такого участка. Устройства автоматического повторного включения (АПВ) могут несколько облегчить ситуацию, но также могут привести и к учащению числа провалов напряжения. АПВ пытается восстановить питание в течение примерно одной секунды после срабатывания защитной автоматики. Если повреждение устранено, повторное включение завершится успешно, и питание аварийного участка будет восстановлено. Для такого участка в период между срабатыванием защиты и повторным включением величина провала напряжения составит 100 %, в то время как нагрузки на других участках испытают провал меньшей величины и длительности. В случае если повреждение к моменту повторного включения еще не устранено, то защитная автоматика сработает снова и это процесс будет продолжаться в соответствии с числом попыток, предусмотренных программой конкретного АПВ. Но при каждой попытке повторного включения на прочих участках вновь происходит провал напряжения, т. е. прочие потребители будут подвержены целой серии провалов. Оценка качества энергии от поставщика на нерегулируемых государством рынках частично, а в некоторых странах, как, например, в Великобритании, полностью осуществляется по среднему значению отсутствия питания у потребителя в минутах, причем в расчет обычно берутся перерывы только свыше одной минуты. Это послужило широкому распространению устройств АВП и, как следствие, увеличило вероятность провалов напряжения. Иначе говоря, снижение суммарного статистического времени перерыва подачи энергии осуществлено за счет ее качества.

Чувствительность оборудования

Компьютеры стали неотъемлемым элементом любого хозяйственного процесса независимо от их вида – рабочие станции, серверы или управляющие модули. Они незаменимы в обработке потоков данных, системах связи различного типа. Именно повсеместное внедрение компьютерной техники высветило проблему провалов напряжения (и заодно почти все проблемы КЭ), и на заре компьютерной эры установки требовали больших усилий по обеспечению их непрерывного функционирования из-за тогда необъяснимого множества случайных отказов. Методом проб и ошибок были созданы так называемые кривые CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturers Association) (рис. 2), ныне известные как кривые ITIC (Information Technology Industry Council) (рис. 3), а ее варианты включены в стандарты IEEE 446 ANSI (рис. 4).

Интервал длительности события в части отклонения значения напряжения от номинала двумя сходящимися кривыми образует сегмент, в пределах которого при соответствующих отклонениях от номинального напряжения в течение определенного интервала времени компьютерное оборудование должно функционировать непрерывно и без потери данных. Применительно к провалам напряжения интерес представляет нижняя кривая. Эта линия и является границей между допустимыми и недопустимыми провалами напряжения по величине и длительности с точки зрения компьютерного оборудования.

В идеальном мире скорее такие кривые должны были бы описывать фактические показатели сети, а производители компьютерной техники подстраиваться под такие фактические данные. Проблема в том, что, если оборудование большинства производителей действительно укладывается в требования упомянутого стандарта, подобное нельзя сказать о фактических показателях электросетей.

Характеристики чувствительности оборудования

Блоки питания электронных приборов, компьютеров, например, имеют накопительный конденсатор для сглаживания двухполупериодных выпрямленных сигналов, поэтому они по определению устойчивы к провалам напряжения малой длительности. Чем больше емкость конденсатора и разница напряжения конденсатора и минимально необходимого для нормальной работы преобразователя напряжения, тем выше такая устойчивость. Конструкторы, тем не менее, стремятся снизить емкость такого конденсатора, поскольку нацелены на снижение размеров и веса изделия, полагаясь на минимально необходимые значения емкости и напряжения исходя из возможной комбинации максимума по нагрузке и минимума по напряжению на питании. Однако для действительно полноценной защиты от провалов напряжения требуется конденсатор с как минимум двойным запасом по емкости, чтобы выдержать один цикл провала и как минимум 100-кратным запасом для провала длительностью в одну секунду. Другой стратегией могут быть схемотехнические решения, рассчитанные на как можно меньшие допустимые значения напряжения по питанию. Соответственно запас «прочности» у оборудования, рассчитанного на 230 В больше, чем у оборудования, рассчитанного на 110 В. По умолчанию этот принцип применяется для оборудования, рассчитанного на эксплуатацию при различных номиналах напряжения. В принципе, не существует технических преград для создания блоков питания, устойчивых к провалам напряжения, просто потребители не поставили соответствующий вопрос перед производителями, и, разумеется, у таких решений есть своя цена. Тем не менее, затраты на защиту от провалов напряжения в этом направлении несоизмеримо меньше, чем затраты на предотвращение провалов напряжения на питающей сети.

Регулируемый электропривод может быть поврежден провалами напряжения, и изделия обычно снабжены детекторами напряжения с порогами срабатывания при 15–30 % падении напряжения. Регулируемый электропривод с улучшенными эксплуатационными свойствами будет предметом обсуждения в следующих Разделах настоящего Пособия.

Индукционные двигатели обладают инерцией, что помогает при провалах напряжения малой длительности, по сути возвращая в этом момент энергию. Однако при повторном разгоне энергию придется возместить, и если скорость вращения упала до 95 % от номинальной или ниже, то для разгона потребуется ток, почти равный пусковому. А поскольку в процесс вовлечены все двигатели одновременно, ситуация может усугубиться.

Реле и контакторы чувствительны к провалам напряжения и могут стать слабым звеном в цепи. Установлено, что устройство может разомкнуть цепь даже в случае, когда напряжение еще не снизилось до пороговой величины. Здесь имеет значение не только величина падения напряжения и интервал длительности, но и участок синусоиды в момент провала – наименьшая устойчивость наблюдается на гребне.

Ртутные источники света также уязвимы перед провалами напряжения. Так, разогретой лампе требуется более высокое значение стартового разряда, чем холодной, поэтому после провала напряжения погасшая лампа может не включиться. Значение критического провала напряжения для новой лампы может быть 45 %, а для старой – даже 2 %.

Большинство приборов и систем включают в себя один и более из упомянутых устройств, т. е. имеют определенную уязвимость перед провалами напряжения. На рис. 5 иллюстрируется, что дешевле и надежнее улучшать устойчивость к провалам напряжения соответствующего уязвимого оборудования, чем поступать также применительно ко всему процессу, всей электроустановке завода или распределительной сети. Как здесь видно, цена решения стремительно растет по мере удаления от оконечного оборудования и приближения к инфраструктуре сети.

Характеристики провалов происхождения по питанию

Как уже указывалось, вероятность возникновения провалов напряжения, их величина и длительность зависит от топологии сети в районе объекта. Хотя некоторые исследования на эту тему велись во многих странах, сегодня будет верным утверждение, что достоверной статистики для конкретных участков не существует. Это затрудняет выбор места для важных и критически важных объектов. Остается рассчитывать на общие принципы: так, расположение объекта ближе к генерационным мощностям с соединением подземными силовыми линиями среднего напряжения будет лучшим решением, чем удаленное от генерации расположение с воздушной линией. Вопрос только о количественной мере такого преимущества. Несложно оценить качество транспортной составляющей, например, и на самом деле это фактор становится решающим. А вот качество инфраструктуры энергоснабжения оценить куда сложнее. Также сложно решить вопрос оценки в «чистом поле», поскольку отсутствуют объекты сравнения. При этом именно в «чистом поле» и можно сразу создать действительно качественную инфраструктуру энергоснабжения, с «чистого листа», если, конечно, поставщик энергии настроен на конструктивное сотрудничество за ваш счет!

При этом даже те малые исследования, которые проводились, дают основание заключить, что провалы напряжения по причинам на стороне питания, как правило, имеют большие интервалы длительности и выходят за пределы упомянутых кривых.

На рис. 6 показана вероятная длительность и величина провала типичной распределительной сети. На том же рисунке для сравнения нанесены кривые ITIC.

Из схемы явно видно, что современному компьютерному оборудованию следовало бы быть в 100 раз качественнее, чем предполагается кривыми ITIC. А до тех пор, наверное, было бы правильно полагать, что такого действительно устойчивого к провалам напряжения компьютерного оборудования пока не производится.

Типичная характеристика провала и кривая ITIC

Сужая разрыв

Очевидно, что в бизнесе потребитель вправе ожидать достаточной устойчивости оборудования к типичным и характерным проблемам, но применительно к типичному ассортименту товаров это не относится. Как видно из рис. 5, стоимость коррекции свойств оборудования гораздо ниже, если реализуется на этапе проектирования и разработки изделия. А такой подход требует понимания природы явления и вероятности повреждения. А таковые знания зачастую отсутствуют. Но, повторим, это самый экономичный и рациональный путь.

Справедливости ради следует заметить, что отдельные производители все-таки признают проблему, но жестокая конкуренция, в первую очередь ценовая, вынуждает их прислушиваться к сформулированным требованиям потребителя. До тех пор, пока потребитель не сформулирует для себя уровень соответствующих требования, маловероятно ожидать предложения таких решения со стороны производителей. Исключения составляют производители регулируемого электропривода с улучшенной стойкостью к провалам напряжения.

Традиционным подходом является предложение дополнительного оборудования для поддержания мощности во время провала напряжения – о таком оборудовании мы расскажем в последующих Разделах. В случае маломощных нагрузок распространения получили ИБП как средство защиты от провалов, так и перерывов в энергоснабжении. Резервным источником питания обычно является химический источник тока, аккумулятор, в силу чего длительного эффективного резервирования от ИБП ожидать не приходится.

Обычно ИБП обеспечивает необходимое для аварийного, но штатного сворачивания текущих процессов, защищая таким образом данные. Но для повторного включения все равно потребуется значительное время. Иногда ИБП обеспечивает переключение питания аварийного генератора.

Для незначительных по величине потерь напряжения провалов применяются автоматические регуляторы напряжения (АРН), в том числе электромеханические и электромагнитные. Поскольку в этих устройствах нет необходимости применения запасания энергии, они могут быть эффективны в течение длительных интервалов как при провалах, так и при перенапряжении. АРН рассматриваются в Разделе 5.3.1.

Для значительных нагрузок или больших величинах провалов напряжения хорошо зарекомендовали себя системы динамического восстановления напряжения (DVR). Такие устройства соединены с нагрузкой и восполняют недостающую часть питания: при падении напряжения до 70 % DVR обеспечивает недостающие 30 %. DVR обеспечивают компенсацию в течение непродолжительного интервала, для чего используется запасенная энергия от мощных батарей, суперконденсаторов и даже маховиков. Эти устройства не могут использоваться для длительных периодов провалов или перенапряжения.

Заключение

Улучшение качественных характеристик сети с целью устранения провалов напряжения крайне затратно и практически неосуществимо. В некоторых случаях, где цель оправдывает затраты, организуют дублирования энергоснабжения от достаточно удаленных друг от друга участков сети, чтобы условно считать их электрически не связанными.

В большинстве же случаев требуется специальное оборудование, выбор которого велик в зависимости от вида нагрузки.

Самым экономичным способом противостоять провалам напряжения является выбор оборудования, устойчивого к провалам в силу своей конструкции, но такой способ не активно поддержан производителем.

Перепечатано с сокращениями из издания Европейского института меди

«Прикладное руководство по качеству электроэнергии»

Перевод с английского Е. В. Мельниковой, Редактор перевода В. С. Ионов

1 ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» дает следующее определение провалу напряжения: «…Внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9 Uном, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд».

Please wait.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.

Подпишитесь на наши статьи и вы будете узнавать свежие новости и получать новые статьи одним из первых!

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №4’2005

распечатать статью

распечатать статью —>

Обсудить на форуме

Предыдущая статья

Следующая статья