Анализ. С. В. Ершов, Б. А. Жабин Рассмотрены вопросы возникновения провалов напряжения и их влияния на по
 Скачать 218.3 Kb.
|
|
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 62 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, Туль- ский государственный университет APPLICATION 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, er- schov.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 по- казатели систем электроснабжения. Ключевые слова: электроснабжение, провалы напряжения, надежность элек- троснабжения. Одним из наиболее важных вопросов в электроснабжении является обеспечение требуемых показателей качества электроэнергии для потреби- телей, что регулируется ГОСТ 13109–97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения». Весьма важным пока- зателем для промышленности в целом являются провалы напряжения. Со- гласно ГОСТу, провал напряжения – это внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9Uном, за которым следует восстанов- ление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков се- Энергосбережение и надежность в системах электроснабжения … 63 кунд. Провалы характеризуются длительностью, глубиной и частотой. Од- нако 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 прова- лы 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 оборудова- ния, а также нарушения технологических процессов, требующих стабиль- ной скорости вращения. Степень влияния на работу оборудования определяется амплитудой колебаний и их частотой. Колебания нагрузки большой мощности, например, прокатных ста- нов, вызывают колебания момента, активной и реактивной мощности ге- нераторов 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 значитель- ный промежуток времени. При глубоких колебаниях и провалах напряже- ния (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 дина- мике ведения поездов. Скачки тока и тягового усилия, вызываемые коле- баниями 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 практи- чески не влияют (в силу инерционности тепловых процессов в металле шва), но заметно влияют на качество точечной сварки. Увеличение потерь электроэнергии во внутризаводских сетях, вы- званное колебаниями напряжения с амплитудой в 3 %, не превышает 2 % от начального значения потерь. Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 64 На металлургических заводах колебания напряжения более 3 % приводят к рассогласованию скоростей работы приводов клетей станов не- прерывной прокатки металла, что снижает качество (стабильность толщи- ны) прокатываемой ленты. При производстве хлора и каустической соды колебания напряже- ний вызывают резкое увеличение износа анодов и снижение производи- тельности. Провалы напряжения при производстве химического волокна вы- зывают останов оборудования, на повторный запуск которого затрачивает- ся 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 од- ного технологического цикла. Время же полного восстановления техноло- гического 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 при- водят к нестабильности вращения намоточных устройств. В результате ка- проновые нити либо рвутся, либо получаются с неравномерной толщиной. Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования Несимметрия трехфазной системы напряжений приводит к возник- новению токов обратной последовательности, а в 4-проводных сетях до- полнительно и токов нулевой последовательности. Токи обратной после- довательности вызывают дополнительный нагрев вращающихся машин, появление нехарактерных гармоник при работе многофазных преобразова- телей и другие явления. При несимметрии напряжений в 2 % сроки службы асинхронных двигателей сокращаются на 10,8 % синхронных – на 16,2 %; трансформа- торов – на 4 %; конденсаторов – на 20 %. Нагрев оборудования осуществ- ляется 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 прихо- дится снижать. В соответствии с публикацией 892 МЭК полная загрузка двигателя допускается только при коэффициенте обратной последователь- ности 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 отключать- ся, что приводит к технологическому ущербу (снижение качества и недо- отпуск продукции, брак). Тем не менее, основным эффектом несимметрии напряжений явля- Энергосбережение и надежность в системах электроснабжения … 65 ется нагрев оборудования, поэтому в течение некоторого времени допус- тимые значения могут превышаться, если в последующие моменты это компенсируется пониженным уровнем несимметрии. Данное положение относится к изменению несимметрии в течение времени, не превышающе- го времени нагрева оборудования. При включении больших нагрузок, как например, мощных электро- двигателей, 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 то- ками 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 не- скольких десятков секунд. Проблемы у потребителя, вызванные сопротивлением кабелей, ре- шаются относительно легко. Большие нагрузки можно напрямую подсое- динить к источнику через точки общего присоединения (PCC) или вторич- ной обмотке питающего силового трансформатора. Если проблема вызвана полным сопротивлением в точки общего присоединения, т. е. недостаточ- ной мощностью на стороне питания, то требуется принятие мер. Одним из решений может быть применение устройств «мягкого пуска», которые по- зволяют снизить абсолютные величины провалов напряжения, распреде- лив 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 уда- ется, то необходимо оборудование, позволяющее компенсировать это яв- ление. 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 повреж- дения на одном участке сети на другие ее части, именно величина провала напряжения и длительность, напрямую зависит от топологии сети, относи- тельного значения полного сопротивления на проблемном участке, нагруз- ки 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 потре- бителей с величиной 0 % на нагрузке 1 и до 50 % на всех других. Обратите Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 66 внимание, что повреждение на уровне 1 окажет большее влияние на боль- шее 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 про- блем на уровне 3. Чем ближе нагрузка к источнику питания, тем меньше будут провалы напряжения. Длительность провала напряжения зависит от времени реакции за- щиты на обнаружение и изолирование повреждения и составляет, обычно, несколько миллисекунд. Некоторые повреждения могут быть случайными, например, упавшее на воздушную линию дерево – такие проблемы устра- няются быстро. Если участок отключается на длительное время защитной автома- тикой, то все потребители на нем обесточиваются до устранения пробле- мы, проверки и повторного подключения такого участка. Устройства ав- томатического повторного включения (АПВ) могут несколько облегчить ситуацию, но также могут привести и к учащению числа провалов напря- жения. АПВ пытается восстановить питание в течение примерно одной се- кунды после срабатывания защитной автоматики. Если повреждение уст- ранено, повторное включение завершится успешно, и питание аварийного участка будет восстановлено. Для такого участка в период между срабаты- Энергосбережение и надежность в системах электроснабжения … 67 ванием защиты и повторным включением величина провала напряжения составит 100 %, в то время как нагрузки на других участках испытают про- вал меньшей величины и длительности. В случае если повреждение к мо- менту повторного включения еще не устранено, то защитная автоматика сработает снова и это процесс будет продолжаться в соответствии с чис- лом попыток, предусмотренных программой конкретного АПВ. Но при каждой попытке повторного включения на прочих участках вновь проис- ходит провал напряжения, т. е. прочие потребители будут подвержены це- лой серии провалов. Оценка качества энергии от поставщика на нерегули- руемых государством рынках частично, а в некоторых странах, как, на- пример, в Великобритании, полностью осуществляется по среднему значе- нию 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 статистическо- го времени перерыва подачи энергии осуществлено за счет ее качества. Рис . 2. Кривые СВЕМА Рис . 3.Кривые ITIC Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 68 Рис .4. Кривые ANSI Чувствительность оборудования. Компьютеры стали неотъемле- мым 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 по- всеместное внедрение компьютерной техники высветило проблему прова- лов напряжения (и заодно почти все проблемы КЭ), и на заре компьютер- ной эры установки требовали больших усилий по обеспечению их непре- рывного функционирования из-за тогда необъяснимого множества случай- ных отказов. Методом проб и ошибок были созданы так называемые кри- вые 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 на- пряжения 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 кри- вая. Эта линия и является границей между допустимыми и недопустимыми провалами напряжения по величине и длительности с точки зрения ком- пьютерного 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 фактиче- ских показателях электросетей. Характеристики чувствительности оборудования. Энергосбережение и надежность в системах электроснабжения … 69 Блоки питания электронных приборов, компьютеров, например, имеют накопительный конденсатор для сглаживания двухполупериодных выпрямленных сигналов, поэтому они по определению устойчивы к про- валам напряжения малой длительности. Чем больше емкость конденсатора и разница напряжения конденсатора и минимально необходимого для нор- мальной работы преобразователя напряжения, тем выше такая устойчи- вость. Конструкторы, тем не менее, стремятся снизить емкость такого кон- денсатора, поскольку нацелены на снижение размеров и веса изделия, по- лагаясь на минимально необходимые значения емкости и напряжения ис- ходя 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. Соответ- ственно запас «прочности» у оборудования, рассчитанного на 230 В боль- ше, 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 техни- ческих преград для создания блоков питания, устойчивых к провалам на- пряжения, просто потребители не поставили соответствующий вопрос пе- ред 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 напря- жения на питающей сети. Регулируемый электропривод может быть поврежден провалами напряжения, и изделия обычно снабжены детекторами напряжения с поро- гами срабатывания при 15–30 % падении напряжения. Индукционные двигатели обладают инерцией, что помогает при провалах напряжения малой длительности, по сути возвращая в этом мо- мент энергию. Однако при повторном разгоне энергию придется возмес- тить, 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 усугу- биться. Реле и контакторы чувствительны к провалам напряжения и могут стать слабым звеном в цепи. Установлено, что устройство может разомк- нуть 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 – наи- меньшая устойчивость наблюдается на гребне. Ртутные источники света также уязвимы перед провалами напря- Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 70 жения. Так, разогретой лампе требуется более высокое значение стартово- го 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 напря- жения, их величина и длительность зависит от топологии сети в районе объекта. Хотя некоторые исследования на эту тему велись во многих стра- нах, сегодня будет верным утверждение, что достоверной статистики для конкретных участков не существует. Это затрудняет выбор места для важ- ных и критически важных объектов. Остается рассчитывать на общие принципы: так, расположение объекта ближе к генерационным мощностям с соединением подземными силовыми линиями среднего напряжения бу- дет лучшим решением, чем удаленное от генерации расположение с воз- душной линией. Вопрос только о количественной мере такого преимуще- ства. Несложно оценить качество транспортной составляющей, например, и на самом деле это фактор становится решающим. А вот качество инфра- структуры энергоснабжения оценить куда сложнее. Также сложно решить вопрос оценки в «чистом поле», поскольку отсутствуют объекты сравне- ния. При этом именно в «чистом поле» и можно сразу создать действи- тельно качественную инфраструктуру энергоснабжения, с «чистого листа», если, конечно, поставщик энергии настроен на конструктивное сотрудни- чество 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 ти- пичной распределительной сети. На том же рисунке для сравнения нанесе- ны кривые ITIC. Из схемы явно видно, что современному компьютерному оборудо- ванию следовало бы быть в 100 раз качественнее, чем предполагается кри- выми ITIC. А до тех пор, наверное, было бы правильно полагать, что тако- го 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. Резерв- ным источником питания обычно является химический источник тока, ак- кумулятор, в силу чего длительного эффективного резервирования от ИБП ожидать не приходится. Обычно ИБП обеспечивает необходимое для аварийного, но штатно- го сворачивания текущих процессов, защищая таким образом данные. Но для повторного включения все равно потребуется значительное время. Иногда ИБП обеспечивает переключение питания аварийного генератора. Энергосбережение и надежность в системах электроснабжения … 71 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 эффек- тивны в течение длительных интервалов как при провалах, так и при пере- напряжении. Рис .5.Типичная характеристика провала и кривая ITIC Для значительных нагрузок или больших величинах провалов на- пряжения хорошо зарекомендовали себя системы динамического восста- новления напряжения (DVR). Такие устройства соединены с нагрузкой и восполняют недостающую часть питания: при падении напряжения до 70 % DVR обеспечивает недостающие 30 %. DVR обеспечивают компенса- цию в течение непродолжительного интервала, для чего используется за- пасенная энергия от мощных батарей, суперконденсаторов и даже махови- ков. 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 дублирова- ния энергоснабжения от достаточно удаленных друг от друга участков се- ти, чтобы условно считать их электрически не связанными. В большинстве же случаев требуется специальное оборудование, вы- бор которого велик в зависимости от вида нагрузки. Самым экономичным способом противостоять провалам напряжения является выбор оборудования, устойчивого к провалам в силу своей конст- рукции, 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. Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 72 2. Баков Ю.В. Влияние мощности короткого замыкания и компен- сирующей мощности на качество электроснабжения промышленных уста- новок // Пром. энергетика. 1991. №9. С.41-43. 3. Иванов В.С., Соколов В.И. Режимы потребления и качества элек- троэнергии 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 промыш- ленных 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 электриче- ских 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 обеспе- чения 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 го- сударственный 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 |