CC BY
421
Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, проф., доц., erschov.serrg@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Дмитриев Антон Михайлович, магистр, eists@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
APPLICA TION OF DIAGNOSTIC COMPLEXES OF POWER SUPPLY SYSTEMS TO
IMPROVE THEIR PERFORMANCE
S. V. Ershov, A.M. Michailov
Considers the application of diagnostic systems of electro-supply, characteristics, structure and their impact on the performance of the systems of electrical supply.
Key words: power supply, diagnostic systems, reliability of power supply.
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, erschov. serrg@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Dmitriev Anton Michailovich, magister, eists@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 62-83
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
С.В. Ершов, Б. А. Жабин
Рассмотрены вопросы возникновения провалов напряжения и их влияния на показатели систем электроснабжения.
Ключевые слова: электроснабжение, провалы напряжения, надежность электроснабжения.
Одним из наиболее важных вопросов в электроснабжении является обеспечение требуемых показателей качества электроэнергии для потребителей, что регулируется ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения». Весьма важным показателем для промышленности в целом являются провалы напряжения. Согласно ГОСТу, провал напряжения - это внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9ином, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков се-
кунд. Провалы характеризуются длительностью, глубиной и частотой. Однако ГОСТ нормирует только длительность провала: электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно она не должна превышать 30 с. Из приведённых в ГОСТе статистических данных можно заключить, что в нашей стране в городских сетях напряжением 6-10 кВ преобладают провалы напряжения глубиной от 35 до 99 % с частотой до 10 в год в кабельных сетях и до 25 - в кабельно-воздушных.
Колебания и провалы напряжения в электрической сети приводят к следующим последствиям:
- колебаниям светового потока осветительных приборов (фликер -эффект);
- ухудшению качества работы телевизионных приемников;
- нарушению в работе рентгеновского оборудования;
- ложной работе регулирующих устройств и ЭВМ;
- нарушениям в работе преобразователей;
- колебаниям момента на валу вращающихся машин, вызывающим дополнительные потери электроэнергии и увеличенный износ оборудования, а также нарушения технологических процессов, требующих стабильной скорости вращения.
Степень влияния на работу оборудования определяется амплитудой колебаний и их частотой.
Колебания нагрузки большой мощности, например, прокатных станов, вызывают колебания момента, активной и реактивной мощности генераторов местных электростанций.
Колебания и провалы напряжения с глубиной более 10 % могут привести к погасанию газоразрядных ламп, повторное зажигание которых в зависимости от типа лампы может происходить только через значительный промежуток времени. При глубоких колебаниях и провалах напряжения (более 15 %) могут отпасть контакты магнитных пускателей, вызвав сбои в производстве.
Колебания с размахом в 10-12 % могут привести к выходу из строя конденсаторов, а также вентилей выпрямительных агрегатов.
Резкие колебания напряжения отрицательно сказываются на динамике ведения поездов. Скачки тока и тягового усилия, вызываемые колебаниями напряжения, снижают надежность работы контакторов и опасны с точки зрения возникновения буксования. Для электроподвижного состава опасны колебания порядка 4-5 %.
На качество дуговой электросварки колебания напряжения практически не влияют (в силу инерционности тепловых процессов в металле шва), но заметно влияют на качество точечной сварки.
Увеличение потерь электроэнергии во внутризаводских сетях, вызванное колебаниями напряжения с амплитудой в 3 %, не превышает 2 % от начального значения потерь.
На металлургических заводах колебания напряжения более 3 % приводят к рассогласованию скоростей работы приводов клетей станов непрерывной прокатки металла, что снижает качество (стабильность толщины) прокатываемой ленты.
При производстве хлора и каустической соды колебания напряжений вызывают резкое увеличение износа анодов и снижение производительности.
Провалы напряжения при производстве химического волокна вызывают останов оборудования, на повторный запуск которого затрачивается от 15 мин в случае отказа 10 % оборудования) до 24 ч при отказе 100 % оборудования). Брак продукции составляет от 2,2 до 800 % от тоннажа одного технологического цикла. Время же полного восстановления технологического процесса достигает 3 суток.
Заметное влияние оказывают колебания и провалы напряжения на асинхронные двигатели малой мощности. Это представляет опасность для текстильного, бумагоделательного и других производств, предъявляющих высокие требования к стабильности скорости вращения электроприводов. В частности, колебания напряжения на заводах химического волокна приводят к нестабильности вращения намоточных устройств. В результате капроновые нити либо рвутся, либо получаются с неравномерной толщиной.
Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования
Несимметрия трехфазной системы напряжений приводит к возникновению токов обратной последовательности, а в 4-проводных сетях дополнительно и токов нулевой последовательности. Токи обратной последовательности вызывают дополнительный нагрев вращающихся машин, появление нехарактерных гармоник при работе многофазных преобразователей и другие явления.
При несимметрии напряжений в 2 % сроки службы асинхронных двигателей сокращаются на 10,8 % синхронных - на 16,2 %; трансформаторов - на 4 %; конденсаторов - на 20 %. Нагрев оборудования осуществляется за счет расхода дополнительной электроэнергии, что снижает к.п.д. электроустановок. Скорость вращения асинхронных двигателей несколько снижается, возрастают вибрация вала и шум.
Для того чтобы избежать перегрева двигателя, его загрузку приходится снижать. В соответствии с публикацией 892 МЭК полная загрузка двигателя допускается только при коэффициенте обратной последовательности напряжения не более 1 %. При 2 % загрузка должна быть снижена до 96 %, при 3 % - до 90 %, при 4 % - до 83 % и при 5 % -до 76 %.
Если технологические установки оснащены защитой от перекоса напряжений, то при больших уровнях несимметрии они могут отключаться, что приводит к технологическому ущербу (снижение качества и недо-отпуск продукции, брак).
Тем не менее, основным эффектом несимметрии напряжений явля-
ется нагрев оборудования, поэтому в течение некоторого времени допустимые значения могут превышаться, если в последующие моменты это компенсируется пониженным уровнем несимметрии. Данное положение относится к изменению несимметрии в течение времени, не превышающего времени нагрева оборудования.
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 большая 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).
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.
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.
Рис.1. Происхождение провалов напряжения
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 срабаты-
ванием 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.
Рис. 2. Кривые СВЕМА
Рис.4. Кривые ANSI
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.
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 напря-
жения. 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 %.
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. 5 показана вероятная длительность и величина провала типичной распределительной сети. На том же рисунке для сравнения нанесены кривые 1Т1С.
Из схемы явно видно, что современному компьютерному оборудованию следовало бы быть в 100 раз качественнее, чем предполагается кривыми 1Т1С. А до тех пор, наверное, было бы правильно полагать, что такого действительно устойчивого к провалам напряжения компьютерного оборудования пока не производится.
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.
Рис.5. Типичная характеристика провала и кривая ITIC
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.
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.
Список литературы
1. Гамазин С.И., Цырук С.А., Зинчук Д.Е. Импульсные напряжения в низковольтных распределительных сетях, вызванные коммутационными процессами // Пром. энергетика. 2000. №3. С.28-33.
2. Баков Ю.В. Влияние мощности короткого замыкания и компенсирующей мощности на качество электроснабжения промышленных установок // Пром. энергетика. 1991. №9. С.41-43.
3. Иванов В.С., Соколов В.И. Режимы потребления и качества электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатом-издат, 1987. 336 с.
4. Ершов М.С., Егоров А.В., Яценко Д.Е. О влиянии параметров энергосистемы на устойчивость узлов электрической нагрузки промышленных предприятий // Пром. энергетика. 1997. №5.
5. Соколов В.С., Чернышова Н.В. Предложения по инженерному решению проблемы качества электрической энергии // Пром. энергетика. 2001. №8. С. 51-53.
6. Копылов В.В. Кратковременные аварийные режимы электрических сетей и их влияние на экономические показатели промышленных предприятий // Изв. вузов. Электромеханика. 1999. №1. С. 118.
7. Горюнов И.Т., Мозгалев В.С., Богданов В.А. Проблемы обеспечения качества электрической энергии // Электрические станции. 2001. №1. С. 1620.
Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, проф., доц., erschov.serrg@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Жабин Борис Андреевич, магистр, eists@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF VOLTAGE DIPS ON INDICATORS OF ELECTRICITY SUPPLY SYSTEMS
S. V. Ershov, B.A. Zhabin
Considered are the questions of occurrence of voltage dips and their impact on the indicators of power supply systems.
Key words: power supply, voltage dips, reliability of power supply.
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, er-schov. serrg@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University.
Zhabin Boris Andreyevich, magister, eists@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
