Негативные явления в электросети — их влияние на нагрузку и способы борьбы
В данной статье будут рассмотрены общие принципы функционирования электросети, негативные процессы, происходящие на линиях электроснабжения и различные методы защиты оконечного оборудования.
Единая энергосистема
Почти все электростанции России объединены в единую федеральную энергосистему, которая является источником электрической энергии для большинства потребителей. Важнейшим и обязательным компонентом любой электростанции является трехфазный турбогенератор переменного тока. Три силовые обмотки генератора индуцируют линейное напряжение. Обмотки симметрично расположены по окружности генератора. Ротор генератора вращается со скоростью 3000 оборотов в минуту, а линейные напряжения сдвинуты относительно друг друга по фазе. Фазовый сдвиг постоянен и равен 120 градусам. Частота переменного тока на выходе генератора зависит скорости вращения ротора, и в номинале составляет 50 Гц.
Напряжение между линейными проводами трехфазной системы переменного тока называется линейным. Напряжение между нейтралью и любым из линейных проводов называется фазным. Оно в корень из трех раз меньше линейного. Именно такое напряжение (фазное 220 В) подается в жилой сектор. Линейное напряжение 380 В используется для питания мощного промышленного оборудования. Генератор выдает напряжение в несколько десятков киловольт. Для передачи электроэнергии, с целью уменьшения потерь, напряжение повышают на трансформаторных подстанциях и подают в Линии Электропередачи (далее ЛЭП). Напряжение в ЛЭП составляет от 35 кВ для линий малой протяженности, до 1200 кВ на линиях протяженностью свыше 1000 км. Напряжение повышают с целью уменьшения потерь, которые напрямую зависят от силы тока. С другой стороны, напряжение ограничивается возможностью изоляции воздуха для ЛЭП и диэлектрика кабеля для кабельных линий. Достигнув крупного потребителя (завод, населенный пункт) электроэнергия опять попадает на трансформаторную подстанцию, где трансформируется в 6–10 кВ, которые уже пригодны для передачи по подземным кабелям. У каждого многоквартирного жилого дома, или административного здания стоит трансформаторная подстанция, которая выдает на выходе предназначенные для потребителя 380 В линейного напряжения и, соответственно, 220 В фазного. В подстанцию типично заводят два или три высоковольтных кабеля, что позволяет оперативно восстановить электроснабжение, в случае повреждений на высоковольтном участке трассы. В зависимости от вида подстанции, это может происходить автоматически, полуавтоматически — по команде диспетчера с центрального пульта, и вручную — приезжает аварийка и электрик переключает рубильник. Подстанция также может выполнять функцию регулятора напряжения, переключая обмотки трансформатора, в зависимости от нагрузки. В России на подстанциях применяют схему с заземленной нейтралью, то есть нейтральный (часто называемый нулевым) провод заземлен. По зданию разводка кабеля происходит пофазно, как с целью распараллеливания нагрузки, так и с целью удешевления оборудования (счетчиков, автоматов защиты). Подстанция в сельской местности и для небольших домов представляет собой обычно трансформаторную будку или просто трансформатор внешнего исполнения. Именно поэтому, на исправление аварии в таком месте отводятся сутки. Автоматической регулировки напряжения такие подстанции не имеют, и выдают номинал обычно в часы минимальных нагрузок, в остальное время занижая напряжение.
Нормы качества для электросетей
Документом, устанавливающим нормы качества электроэнергии в России, является ГОСТ 13109-97 принятый 1 Января 1999г. В частности, в нем установлены следующие «нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения«.
| Параметр | Номинал | Предельно |
| Напряжение, V | 220V ±5% | 220V ±10% |
| Частота, Hz | 50 ±0,2 | 50 ±0,4 |
| Искажения, % | 8 | 12 |
| Провалы, сек | 3 | 30 |
| Перенапряжения, V | 280 | 380 |
Таким образом, даже при нормальном функционировании электросети использование устройств ИБП для компьютерной техники является обязательным, как для защиты целостности данных, так и для обеспечения исправности оборудования. С точки зрения электроснабжения, все потребители делятся на три категории. Для наиболее массовой категории наших читателей, проживающих в домах с числом квартир более восьми или работающих в офисных зданиях с числом сотрудников более 50 актуальна вторая категория. Это означает максимальное время устранения аварии один час и надежность 0,9999. Третья категория характеризуется временем устранения аварии 24 часа и надежностью 0,9973. Первая категория требует надежности 1 и временем устранения аварии 0.
Виды негативных воздействий в электросети
Все негативные воздействия в электросети делятся на провалы и перенапряжения.
Импульсные провалы обычно вызываются перегрузкой оконечных линий. Включение мощного потребителя, такого как кондиционер, холодильник, сварочный аппарат, вызывает кратковременную (до 1-2 с) просадку питающего напряжения на 10–20%. Короткое замыкание в соседнем офисе или квартире может вызвать импульсный провал, в случае, если вы подключены к одной фазе. Импульсные провалы не компенсируются подстанцией и могут вызывать сбои и перезагрузки компьютерной и другой насыщенной электроникой техники.
Постоянный провал, то есть постоянно или циклично низкое напряжение обычно вызвано перегрузкой линии от подстанции до потребителя, плохим состоянием трансформатора подстанции или соединительных кабелей. Низкое напряжение негативно отражается на работе такого оборудования как кондиционеры, лазерные принтеры и копиры, микроволновые печи.
Полный провал (блекаут), это пропадание напряжения в сети. Пропадание до одного полупериода (10 мс) должно по стандарту выдерживать любое оборудование без нарушения работоспособности. На подстанциях старого образца переключения регулятора напряжения или резерва могут достигать нескольких секунд. Подобный провал выглядит как «свет мигнул». В подобной ситуации все незащищенное компьютерное оборудование «перезагрузится» или «зависнет».
Перенапряжения постоянные — завышенное или циклично завышенное напряжение. Обычно является следствием так называемого «перекоса фаз» — неравномерной нагрузки на разные фазы трансформатора подстанции. В этом случае на нагруженной фазе происходит постоянный провал, а на двух других постоянное перенапряжение. Перенапряжение сильно сокращает срок службы самого разного оборудования, начиная от лампочек накаливания… Вероятность выхода из строя сложного оборудования при включении значительно увеличивается. Самое неприятное постоянное перенапряжение — отгорание нейтрального провода, нуля. В этом случае напряжение на оборудовании может достигать 380 В, и это практически гарантирует выход его из строя.
Временное перенапряжение бывает импульсным и высокочастотным.
Импульсное перенапряжение может происходить при замыкании фазовых жил силового кабеля друг на друга и на нейтраль, при обрыве нейтрали, при пробое высоковольтной части трансформатора подстанции на низковольтную (до 10 кВ), при попадании молнии в кабель, подстанцию или рядом с ними. Наиболее опасны импульсные перенапряжения для электронной аппаратуры.
Высокочастотное перенапряжение характеризуется наличием в силовом кабеле паразитных колебаний высокой частоты. Может нарушить работу высокочувствительной измерительной и звукозаписывающей аппаратуры.
Способы противодействия негативным воздействиям
В нижеприведенную таблицу сведены все виды негативных воздействий в электросети и технические методы борьбы с ними.
| Вид негативного воздействия | Следствие негативного воздействия | Рекомендуемые меры защиты |
| Импульсный провал напряжения | Нарушение в работе оборудования содержащего микропроцессоры. Потеря данных в компьютерных системах. | Качественные блоки питания. Онлайн ИБП |
| Постоянный провал (занижение) напряжения | Перегрузка оборудования содержащего электромоторы. Неэффективность электрического отопления и освещения. | Автотрансформаторные регуляторы напряжения. Импульсные блоки питания. |
| Пропадание напряжения | Выключение оборудования. Потеря данных в компьютерных системах. | Батарейные ИБП любого типа, для предотвращения потерь данных. Автономные генераторы, при необходимости обеспечения бесперебойности работы оборудования. |
| Завышенное напряжение | Перегрузка оборудования. Увеличение вероятности выхода из строя. | Автотрансформаторные регуляторы напряжения. Сетевые фильтры с автоматом защиты от перенапряжения. |
| Импульсные перенапряжения | Нарушение в работе оборудования содержащего микропроцессоры. Потеря данных в компьютерных системах. Выход оборудования из строя. | Сетевые фильтры с автоматом защиты от перенапряжения. |
| Высокочастотные перенапряжения. | Нарушения в работе высокочувствительной измерительной и звукозаписывающей аппаратуры. | Сетевые фильтры с ФНЧ. Развязывающие трансформаторы. |
| Перекос фаз (разница фазного напряжения) | Перегрузка трехфазного оборудования. | Выравнивания нагрузки по фазам. Содержание в исправности силовой кабельной сети. |
| Отклонение частоты сети | Нарушение работы оборудования с синхронными двигателями и изделий зависящих от частоты сети. | Онлайн ИБП. Замена устаревшего оборудования. |
Следует отметить, что современные качественные ИБП имеют в своем составе сетевой фильтр и ограничитель напряжения. Время реакции и переключения на батарею достаточно мало для обеспечения надежной бесперебойной работы любых электронных устройств. Использование отдельных стабилизаторов может быть оправданно при большом количестве оборудования, так как цена стабилизатора на 10 КВт примерно равна цене ИБП на 1КВт. Использование отдельного сетевого фильтра гораздо менее оправданно. ИБП не предназначены для систем, требующих непрерывного функционирования. Если мощность такого оборудования превышает 1 КВт, оптимальным решением будет использование автономного дизельного генератора.
Источник
Перенапряжение, виды и способы борьбы с ним. Стабилизаторы напряжения
Показаны причины разных видов перенапряжения в электросетях и их последствия. Объяснено, какие задачи выполняет стабилизатор напряжения. Представлены стабилизаторы напряжения серий «Сатурн» и «Каскад», проверенные суровыми условиями эксплуатации в российских электрических сетях и способные защитить от перенапряжений самые ответственные объекты.
Проблемная ситуация – перепады напряжения
Сегодня наше существование напрямую зависит от электричества. Любые здания, будь то промышленные объекты или частные дома, регулярно потребляют электроэнергию. Но, к сожалению, в электрической сети нередко возникают перепады, скачки напряжения и другие помехи. Несмотря на то что основные параметры электросети прописаны в ГОСТ, колебания напряжения в российских сетях – частая проблема.
Падение и перепады напряжения можно определить по миганию лампочек, их тусклому свету, слабой работе нагревательных приборов и при резком выключении и включении электротехники.
Чем данная ситуация опасна?
Если для бытовой техники это влечет за собой лишь уменьшение срока эксплуатации, то в случае с приборами, для которых важны точные значения, таких как дорогостоящее лабораторное, медицинское или производственное оборудование, данная ситуация чревата поломкой или искажением показаний. Более того, иногда это может угрожать жизни людей, чье состояние зависит от работы приборов, например, в опасности могут оказаться пациенты в реанимации.
Что такое перенапряжение, его виды и способы борьбы с ним
Часто в разговоре о напряжении употребляется термин «перенапряжение», и не всегда понятно, о каком явлении идет речь. Для исключения путаницы в терминологии ниже приведены пояснения, помогающие различить явления с одним и тем же названием, причины их возникновения в сети, характер и методы борьбы с ними.
Первый вид перенапряжения – импульсное перенапряжение. Возникает при грозовых воздействиях на электросеть или при коммутационных процессах как во внешней сети, так и в самой электроустановке (рис. 1). Длительность импульсного перенапряжения – 1–3 мс. Сила скачка может составлять от 1 до 10 кВ. Среди возможных последствий – неожиданный сбой в работе цифрового оборудования или его выход из строя. Бороться с импульсным перенапряжением нужно, применяя ограничители перенапряжения (ОПН) в виде разрядников или варисторов, используя разделительные трансформаторы, стабилизаторы. Например, все стабилизаторы напряжения торговой марки «Полигон» оснащены устройствами защиты от импульсных перенапряжений.
Рис. 1. Схематичное изображение импульсного перенапряжения
Второй вид перенапряжения – это длительное отклонение напряжения сети в сторону превышения нормы. Такое явление может возникнуть по разным причинам. Рассмотрим наиболее частые.
Провода сети питания имеют определенное сопротивление, и при протекании тока нагрузки на этих проводах возникает падение напряжения. Величина падения напряжения зависит от сечения провода, материала (медь или алюминий) и его длины. При проектировании объектов эти значения учитываются в расчетах, чтобы на нагрузке величина напряжения находилась в норме.
К сожалению, сегодня в эксплуатации находится множество электросетей, спроектированных десятки лет назад, а уровень нагрузки значительно вырос. Яркий пример – сети различных садоводств и других загородных потребителей. Недостаточное сечение линий и, как результат, потери в этих линиях приводят к тому, что напряжение питания у потребителя становится ниже нормы, особенно не везет тем, кто находится в конце линии (см. фазу L2 на рис. 2).
Рис. 2 . Схематичное изображение длительного перенапряжения
Недаром на предприятиях, где ответственно относятся к состоянию электросетей, как внешних, так и внутренних, внимательно следят за равномерным распределением нагрузки по фазам. Согласно СП 31-110 п. 9.5, «…разница в токах наиболее и наименее нагруженных фаз не должна превышать 30 % в пределах одного щитка и 15 % – в начале питающих линий».
Наиболее негативно это явление сказывается на сетях с недостаточным сечением проводников. Давайте рассмотрим пример, приведенный на рис. 2. Фаза L2 перегружена. У потребителей, подключенных к этой фазе, низкое напряжение, падение напряжения в нейтральном проводнике значительное. Согласно векторной диаграмме напряжения, в трехфазной сети происходит смещение точки нейтрали (N), и на мало загруженных фазах L1 и L3 появляется высокое напряжение. Кроме того, перекос нагрузок негативно сказывается на трансформаторе подстанции.
Не секрет, что некоторые виды оборудования при включении обладают большими пусковыми токами (у электродвигателей пусковой ток может в 6 раз превышать величину рабочего тока, у трансформаторов может доходить до 12‑кратного превышения). На момент пуска в электросети наблюдается провал напряжения ниже допустимых значений. В некоторых случаях эти провалы могут оказаться критичными для другого оборудования, подключенного на эту же линию питания.
При коротком замыкании между L и N (рис. 2) наблюдается эффект, схожий с перекосом нагрузки, но усугубленный тем, что падение напряжения в линии нейтрали достигает значений до 110 В. На фазе замыкания происходит провал напряжения, на других фазах – значительное превышение напряжения до момента срабатывания защиты. Замыкания также могут возникать между фазами, фазой и корпусом.
Отключение мощной нагрузки
Электросети, помимо активного сопротивления проводников, обладают еще ёмкостью и индуктивностью. Периодическое отключение мощной нагрузки приводит к кратковременному всплеску напряжения в сети за счет ее общей индуктивности, что вряд ли можно назвать положительным событием.
Положительный эффект этого явления используется в системе зажигания автомобиля. Имеются: генератор 12 В, прерыватель, катушка зажигания (индуктивность), свеча. Катушка зажигания в определенный момент отключается от генератора прерывателем (прекращается ток), и вся энергия, запасенная индуктивностью катушки, в виде высоковольтного выброса с напряжением до десятков киловольт поступает на свечу зажигания.
Тяжелейший вид аварии, при котором в трехфазной сети фазные напряжения могут достигать значений более 300 В. Всё будет зависеть от величин фазных нагрузок на момент обрыва нейтрали. На мощных однофазных потребителях с низким сопротивлением напряжение составит несколько вольт, а на малых нагрузках – ближе к линейному напряжению. Процесс динамичен. Малые нагрузки начинают выгорать из-за высокого напряжения с коротким замыканием. На время протекания тока короткого замыкания напряжение на мощных нагрузках меняется с малого до практически линейного в 380 В. Стандартная защита в виде типовых автоматов не всегда успевает отработать, и потеря некоторого оборудования – достаточно частое явление. Более эффективной защитой от данного вида аварии является применение реле контроля напряжения (РКН), реле контроля фаз (РКФ) для трехфазных нагрузок или стабилизатора напряжения, у которого данные функции уже аппаратно встроены.
Чтобы обезопасить себя от перечисленных видов перенапряжения, необходимо установить стабилизатор напряжения.
Какие задачи выполняет стабилизатор напряжения
Это устройство, которое гарантирует получение стабилизированного напряжения 220 В и защищает технику от скачков и перепадов напряжения. Стабилизатор подходит как для компьютерной, бытовой техники, аудио- и видеосистем, так и для котлов, насосов, станков, цехов, медицинского оборудования. Стабилизатор обеспечивает качественную, исправную работу и долгий срок службы электротехники в квартире, загородном доме, офисе и на производстве.
По каким параметрам подбирают стабилизатор
Стабилизаторы бывают разными, и важно подобрать такой, который подходит лично вам. Для этого необходимо обратить внимание на следующие параметры:
— мощность нагрузки: для этого нужно сложить мощности всех электроприборов, которые будут работать одновременно;
— тип сети: однофазная или трехфазная. Однофазный стабилизатор представляет собой напольный блок, который можно установить как в комнате, так и в хозяйственном помещении. Для трехфазной сети используется трехфазный стабилизатор в виде трех независимых однофазных стабилизаторов или одного шкафа (для больших мощностей);
— принцип работы стабилизатора: релейный, электромеханический (сервомоторные, сервоприводные), электронный (симисторные, тиристорные). Так, электромеханические стабилизаторы больше подходят для промышленных, медицинских, космических объектов, а электронные – для малых производств, загородных домов;
— точность коррекции напряжения: ±1–20 %.
NB! Установка стабилизатора напряжения не означает, что в сети будет постоянно 220 В или 380 В. Нередко недобросовестные производители стабилизаторов устанавливают горящее табло 220 В, и это значение никак не меняется. Кажется, что стабилизатор выполняет свою работу идеально, на табло всегда 220 В. Но стабилизируется ли действительно напряжение до этого значения, неизвестно. Это может быть лишь картинка, а не реальный показатель напряжения. Будьте внимательны!
ЛАЙФХАК. Качественный стабилизатор редко показывает значение ровно 220 В (380 В), поскольку у него всегда есть погрешность на выходе – «точность стабилизации».
Стабилизаторы торговой марки «Полигон»
Все перечисленные выше виды аварий позволяют предотвратить стабилизаторы «Сатурн» и «Каскад» (рис. 3, 4). Данные модели выпускаются компанией «Полигон» с 1996 года и прошли суровую проверку российскими сетями. Компания производит сборку из комплектующих от ведущих производителей и выполняет обязательный контроль продукции, обеспечивая надежную работу каждого стабилизатора на долгие годы.
Источник