"Новости Электротехники №5(29)"Провалы напряжения в сетях промпредприятий

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №5(29) 2004

«Просим рассказать о способах предотвращения отключений низковольтного оборудования потребителей и систем управления при посадках напряжения в питающих сетях 110 кВ» – такой вопрос пришел в редакцию. Мы обратились к специалистам, которые подтвердили, что в системах электроснабжения периодически происходят так называемые «посадки напряжения», которые в официальных документах называются «провалами напряжения». Их последствия зависят как от особенностей электроприемников, так и от характера технологического процесса на промпредприятиях. Наиболее болезненно провалы напряжения воспринимаются на производствах с «непрерыв- ными технологическими процессами». Если предприятие к этим явлениям не подготовлено, то последствия могут быть достаточно тяжелыми. Об этом рассуждает наш постоянный автор Владимир Фишман.

Владимир Фишман,
главный специалист
института ЭСП-НН-СЭЩ филиала
ЗАО «Группа компаний «Электрощит» – ТМ Самара»

Провалы напряжения в сетях промпредприятий

Причины и влияние на электрооборудование

Характеристики провалов напряжения
Одним из многих показателей качества электроэнергии, перечисленных в ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения», является «провал напряжения», который специалистами традиционно принято называть «посадкой напряжения».
ГОСТ 13109-97 дает следующую характеристику провала напряжения: «провал напряжения – внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9Uном, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд».
Провал напряжения характеризуется следующими показателями:

длительность
глубина
частость.

Из этих показателей ГОСТ нормирует только один – длительность провала напряжения, предельно допустимое значение которой в электрических сетях напряжением до 20 кВ не должно превышать 30 с.
Остальные показатели провалов напряжения не нормируются. В ГОСТе приведены лишь справочные статистические данные по провалам напряжения, относящиеся в основном к отечественным крупным городским электрическим сетям 6–10 кВ. Анализируя данные, можно заметить, что в отечественных кабельных и кабельно-воздушных сетях преобладают провалы напряжения глубиной от 35 до 99% и продолжительностью 1,5–3,0 с. Причем каждый потребитель, получающий электроэнергию от кабельных сетей, испытывает до 10 провалов в год, а от кабельно-воздушных – до 25–30.
Приведенные статистические данные не могут быть напрямую перенесены на промышленные предприятия без определенных поправок. На современных промышленных предприятиях широко применяются схемы глубокого ввода высокого напряжения в центр нагрузок, при этом плотность нагрузки на промышленных предприятиях гораздо выше, чем в городах. Это обуславливает относительно меньшую протяженность кабельной сети 6–10 кВ на промпредприятиях против протяженности в городских кабельных сетях. Этим же объясняется большее влияние на потребителей промпредприятий процессов, происходящих в сетях высокого напряжения, т.е. 110 кВ.

Причины возникновения и характер
Причинами провалов напряжения являются короткие замыкания, которые в свою очередь обуславливаются рядом объективных и субъективных причин: удары молнии, загрязнение изоляции, механические повреждения опор, касание проводов посторонними предметами, ошибочные действия оперативного и ремонтного персонала и т.п. Согласно статистике, » 70% повреждений в воздушных сетях 110 кВ приходится на однофазные короткие замыкания(ОКЗ), » 20% – на двухфазные или двухфазные на землю и » 10% – трехфазные.
В кабельных сетях 6–10 кВ также преобладают однофазные замыкания на землю, но при выполнении мероприятий по компенсации емкостных токов, оперативному отысканию и отключению поврежденного оборудования они не переходят в многофазные замыкания и поэтому не вызывают провалов напряжения.
Целесообразно прежде всего рассмотреть характер провалов напряжения у потребителей при однофазных замыканиях в сетях 110 кВ.

Рис. 2a Рис. 2б
Обратимся к характерной схеме внешнего электроснабжения промышленного предприятия, питающегося на напряжении 110 кВ от районной подстанции 220/110 кВ (рис.1). О величине и характере провалов напряжения в сетях 6–10 кВ и 0,4 кВ потребителей при однофазных замыканиях вблизи шин 110 кВ источника питания можно судить по результатам расчетов, показанных в таблице 1 и на рис. 2а, 2б. При этом в расчете принято, что:

ОКЗ в сети 110 кВ происходит в фазе «А»,
Схемы и группы соединения обмоток трансформаторов соответствуют ГОСТ 11677-85.

При наличии у потребителя большого количества синхронных электродвигателей 6–10 кВ остаточные напряжения могут быть несколько выше.
Для удобства последующего анализа остаточные напряжения в таблице 1 представлены следующими параметрами:

напряжением прямой последовательности – U₁;
напряжением обратной последовательности – U₂;
модулями фазных и линейных напряжений – U_А, U_В, U_С, U_АВ, U_ВС, U_СА.

Продолжительность провалов напряжения при близких ОКЗ определяется временем действия 1-й ступени земляной зашиты линии 110 кВ и составляет 0,25–0,35 с.

Таблица

Расчетные точки	Остаточные напряжения, о.е
	U₁	U₂	U_A	U_B	U_C	U_AB	U_BC	U_CA
Шины 6–10 кВ промышленного предприятия	і 0,60	Ј 0,40	-	-	-	і 0,87	і 0,87	і 0,20
Шины 0,4 кВ за трансформатором 6–10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток Y/Y–12	і 0,60	Ј 0,40	і 0,53	1,0	і 0,53	і 0,87	і 0,87	і 0,20
Шины 0,4 кВ за трансформатором 6–10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток D/Y–11	і 0,60	Ј 0,40	і 0,87	і 0,87	і 0,20	1,0	і 0,53	і 0,53

По мере удаления места повреждения от шин источника питания остаточное напряжение прямой последовательности увеличивается, а обратной – уменьшается. Также уменьшаются провалы линейных и фазных напряжений, но при этом их длительность увеличивается, т.к. увеличивается время действия земляной защиты. При многофазных КЗ – трехфазных, двухфазных, двухфазных на землю, которые бывают значительно реже, глубина провалов напряжения оказывается существенно больше, чем при однофазных КЗ, за исключением случаев особо удаленных мест повреждения. При многофазных КЗ остаточное напряжение прямой последовательности, как правило, оказывается ниже 0,6 Uном, и в соответствии с требованиями ПУЭ такие повреждения должны отключаются без выдержки времени. При этом длительность провала напряжения составляет 0,20–0,25 с.
Всё вышесказанное относилось к повреждениям в сети 110 кВ на линиях, смежных с линиями, питающими рассматриваемое предприятие. При повреждениях непосредственно на питающих предприятие линиях 110 кВ его потребители испытывают полный перерыв питания, т.е. при 100% глубине провала питающего напряжения и длительности провала, определяемой временем действия устройства АПВ на источнике питания или устройств АВР на приемной подстанции. Это время обычно находится в пределах 1,0–3,5 с.

Влияние провалов напряжения при однофазных КЗ на работу...

высоковольтных электродвигателей
Основными потребителями электроэнергии на промышленных предприятиях, за исключением таких специфических производств, как электролиз и металлургия, являются синхронные и асинхронные электродвигатели. При анализе влияния провалов напряжения на работу электродвигателей необходимо прежде всего обратить внимание на составляющие прямой и обратной последовательности напряжения, действующего в момент провала напряжения, поскольку они определяют вращающий момент электродвигателей (табл. 1).
Характеристика вращающего момента асинхронных электродвигателей (АД) при номинальном напряжении М = f (s) смещается в сторону уменьшения момента пропорционально квадрату напряжения прямой последовательности (рис. 3), и кроме того, появляется дополнительный тормозной момент от составляющей напряжения обратной последовательности.

М_{ад рез.} = М_ном (f (s))•U₁² – М_ном (f (2-s))•U₂²,

где М_ном (f (s)) – момент АД по пусковой характеристике при номинальном напряжении;
М_ном (f (2-s)) – тормозной момент от составляющей напряжения обратной последовательности;
U₁ ; U₂ – напряжения соответственно прямой и обратной последовательностей.
Результирующий вращающий момент АД при значениях U₁ = 0,60 U_ном и U₂ = 0,40 U_ном может оказаться равным или меньше момента сопротивления механизма. Однако для высоковольтных АД это не представляет опасности, т.к. близкие к шинам 110 кВ источника питания КЗ, как правило, отключаются первой ступенью релейной защиты нулевой последовательности линий 110 кВ за время 0,25–0,30 с. Снижение скорости вращения АД при этом практически не происходит (исключения могут составлять только сильнозагруженные электродвигатели поршневых компрессоров). При более удаленных КЗ время действия защиты ступенчато увеличивается, но зато уменьшается глубина провалов напряжения и увеличивается остаточное напряжение, так что в целом работа АД не нарушается.
Вращающий момент синхронных электродвигателей (СД) в момент провала напряжения в меньшей степени зависит от напряжения сети.

М_{сд рез.} = М_макс.•U₁ – М_ном (f (2-s))•U₂² ^*),

где М_макс – максимальный вращающий синхронный момент СД при номинальном напряжении (М_макс = 2,0–2,5 М_ном.);
М_ном (f (2-s)) – тормозной момент СД от составляющей напряжения обратной последовательности.
Результирующий вращающий момент СД при ОКЗ в сети 110 кВ, как правило, оказывается достаточным для сохранения их устойчивой работы.

низковольтных электродвигателей В низковольтных сетях синхронные электродвигатели применяются довольно редко, основную массу там составляют асинхронные электродвигатели. Но главное отличие состоит в том, что асинхронные электродвигатели в этих сетях управляются, как правило, с помощью контакторов и магнитных пускателей, имеющих свойство самопроизвольно отключаться («отпадать») при снижении напряжения на втягивающей катушке.
Напряжение отпадания контакторов и пускателей строго не регламентируется. Оно зависит от конструктивных особенностей этих аппаратов, от состояния магнитной системы, от регулировки контактной системы, натяжения пружин и меняется в достаточно широких пределах 0,60–0,35 от номинального.
Теперь снова обратимся к таблице 1 и постараемся оценить величины указанных фазных и линейных остаточных напряжений с точки зрения возможности отключения электродвигателей при отпадании пускателей и контакторов. Напомним, что согласно п. 5.3.38 ПУЭ катушки управления контакторами и магнитными пускателями могут включаться как на фазное, так и на линейное напряжение.
Из данных, приведенных в таблице 1, и иллюстрации на рис. 2а следует, что за трансформаторами 6–10/0,4 кВ со схемами и группами соединения обмоток Y/Y-12 при ОКЗ в сети 110 кВ могут отключиться низковольтные электродвигатели, катушки управления которых включены на линейное напряжение, поскольку в одной из фаз оно снижается до 0,2Uном.
Что касается фазных напряжений в сети 0,4 кВ за такими трансформаторами, то их минимальные значения составляют 0,53Uном, а это значит, что путем соответствующей регулировки магнитных пускателей (контакторов) можно добиться того, что при таком уровне напряжения они отпадать не будут.
Обратная картина наблюдается в низковольтной сети, питающейся от трансформаторов 6–10 кВ со схемами и группами соединения обмоток D/Y-11. В этом случае минимальным оказывается фазное напряжение (рис. 2б). При этом минимальные значения линейных напряжений составляют 0,53U_ном. Очевидно, что в этих случаях катушки управления пускателей и контакторов целесообразно подключать на линейные напряжения. Необходимо обратить внимание, что в настоящее время по вполне обоснованным причинам силовые трансформаторы 6–10/0,4 кВ мощностью 630–2500 кВА выпускаются в основном именно со схемами и группами соединения обмоток D/Y-11, в то время как катушки управления магнитными пускателями и контакторами, как правило, включаются на фазные напряжения (обычно используется фаза «А»).
В этом случае при ОКЗ фазы «В» в сети 110 кВ может отключиться до 50% всех низковольтных электродвигателей, подключенных через трансформаторы со схемами соединения обмоток D/Y-11, а если шины 110 кВ районной подстанции работают параллельно, что бывает довольно часто, то при схеме электроснабжения, приведенной на рис.1, могут отключиться одновременно все низковольтные электродвигатели (следует принять во внимание, что время отпадания магнитных пускателей измеряется сотыми долями секунды, а время отключения даже близких ОКЗ на порядок больше). Поскольку с удалением точки ОКЗ остаточное напряжение на шинах источника питания увеличивается, представляет интерес вопрос о том, при каком удалении оно не будет вызывать «отпадание» магнитных пускателей и контакторов.
Если допустить, что контакторы и пускатели отрегулированы так, что напряжение их отпадания составляет U < 0,45U_ном, то в примере, приведенном на рис.1, такое расстояние для одноцепной ВЛ со стальным заземляющим тросом составит около 15–20 км. Это уже серьезно, особенно для производств с так называемыми «непрерывными технологическими процессами».
С учетом высказанных соображений следует координировать вопрос выбора фазы установки короткозамыкателей 110 кВ и фаз подключения катушек управления магнитными пускателями (контакторами).
Дальнейшее поведение отключившихся электродвигателей зависит от схемы управления. Если схемой управления предусмотрен самозапуск электродвигателей, то после отключения ОКЗ и восстановления напряжения такие пускатели и контакторы вновь подтянутся. Однако следует отметить, что условия повторного включения для большинства электродвигателей будут неблагоприятными. Это объясняется тем, что, как показали расчеты^**), за время отсутствия напряжения на электродвигателе в течение 0,25–0,30 с, определяемое действием 1-й ступени «земляной» защиты линии 110 кВ, векторы остаточной ЭДС электродвигателей окажутся в противофазе с вектором напряжения сети. В результате в момент восстановления питания электродвигателей возникнет большой толчок тока, что может вызвать срабатывание электромагнитных расцепителей защитных автоматов и окончательное отключение электродвигателей.

Влияние на электродвигатели многофазных КЗ
Выше было рассмотрено влияние на электрооборудование однофазных – наиболее часто происходящих в сети 110 кВ – КЗ. О влиянии многофазных КЗ – двухфазных, трехфазных, двухфазных на землю, можно сказать следующее. При возникновении этих видов КЗ глубина провалов напряжения оказывается значительно больше и поведение высоковольтных электродвигателей во многом зависит от настройки защит в сети 110 кВ. Если защиты линий 110 кВ выполнены в соответствии с указаниями п. 3.2.108 ПУЭ, т.е. все повреждения, сопровождающиеся снижением напряжения на шинах источника питания ниже 0,65Uном, отключаются без выдержки времени (при этом длительность провала напряжения составляет 0,20–0,25 с), то высоковольтные синхронные и асинхронные электродвигатели, как правило, остаются в работе. Это связано с тем, что защита минимального напряжения высоковольтных электродвигателей выполняется с выдержкой времени не менее 0,5 с и поэтому сработать не успевает.
Если же защита линий 110 кВ не обладает необходимым быстродействием при глубоких провалах напряжения, то синхронные электродвигатели, как правило, выходят из синхронизма и для их ресинхронизации необходимо принимать специальные меры.
Что касается низковольтных асинхронных электродвигателей, то при глубоких многофазных провалах напряжения, независимо от их продолжительности, контакторы и пускатели успевают отпадать и электродвигатели отключаются. (О способах сохранения в работе высоковольтных и низковольтных электродвигателей будет рассказано в следующем номере журнала).

Влияние на технологические процессы
Влияние провалов напряжения на ход технологического процесса во многом зависит от его характера. Особенно ощутимое влияние провалы напряжения оказывают на так называемые «непрерывные технологические процессы» в химии, нефтехимии, нефтепереработке и т.п. отраслях. В отличие, например, от конвейера механосборочного производства, который можно остановить и запустить снова, такие технологические процессы для останова и повторного пуска требуют длительного времени – от нескольких часов до нескольких суток при строгом соблюдении технологического регламента.
Сложная технологическая цепочка выпуска продукции на таких производствах обычно включает множество аппаратов, в каждом из которых химические реакции происходят при строго определенных значениях температуры, давления, при определенных объемных или весовых соотношениях участвующих реагентов.
Поддержание постоянства этих величин обеспечивается насосами, компрессорами, холодильниками, термостатами, мешалками, регулируемыми задвижками и др. механизмами, приводимыми во вращение электродвигателями. В некоторых случаях достаточно одному из таких механизмов остановиться или даже снизить свою производительность либо давление, как параметры технологического процесса превысят критические значения и он будет остановлен системой противоаварийной автоматики. Возникающий при этом ущерб в лучшем случае выражается в браке части продукции, а в худшем – требуется полный останов технологического процесса, удаления всех непрореагировавших компонентов, продувка всей системы инертным газом и наладка технологического процесса «с нуля». В таких случаях ущерб складывается из:

стоимости реагентов, сырья, катализаторов, израсходованных за время останова и наладки технологического процесса, измеряемое в зависимости от конкретного случая часами, сутками и т.д.;
эксплуатационных расходов за указанное время (зарплата обслуживающего персонала, расход электроэнергии, топлива, смазочных и др. материалов);
амортизации производственных фондов.

В отдельных случаях учитывается также стоимость недовыпущенной продукции. Кроме того, если выброс непрореагировавших материалов наносит экологический ущерб, то должны быть учтены затраты на ликвидацию всех возможных последствий.
Ущерб от внезапных провалов напряжения возникает не только на производствах с непрерывными технологическими процессами. Так, при некоторых операциях по обработке металла, в случае внезапного прекращения подачи электроэнергии, может поломаться дорогой металлообрабатывающий инструмент (например, резцы), если не предусмотреть их автоматический отвод от обрабатываемой детали.

Минимизация ущерба
Вероятность внезапного прекращения подачи электроэнергии должна учитываться при разработке регламентов технологических процессов и их аппаратного оформления. Необходимость учета провалов напряжения в энергосистемах при проектировании и эксплуатации нашла отражение в п.1.2.13. ПУЭ.
Полностью исключить провалы напряжения в системах внешнего электроснабжения невозможно. Минимизация ущерба от провалов напряжения достигается комплексом мероприятий в сетях внешнего и внутреннего электроснабжения предприятий, применением специальных быстродействующих защит и автоматики, внедрением самозапуска ответственных электродвигателей.
К мероприятиям по сокращению числа провалов напряжения в системе внешнего электроснабжения можно отнести:

Более широкое применение быстродействующих релейных защит на линиях электропередач 110 кВ в соответствии с п. 3.2.108 (п. 2) ПУЭ: «Повреждения, отключение которых с выдержкой времени может привести к нарушению работы ответственных потребителей, должны отключаться без выдержки времени (например, повреждения, при которых остаточное напряжение на шинах электростанций и подстанций будет ниже 0,6U_ном, если отключение их с выдержкой времени может привести к саморазгрузке вследствие лавины напряжения, или повреждения с остаточным напряжением 0,6U_ном и более, если отключение их с выдержкой времени может привести к нарушению технологии)»;
Секционирование шин 110 кВ источника питания при использовании раздельного режима работы секций и систем шин 110 кВ. При таких решениях провалы напряжения в момент коротких замыканий ощущает гораздо меньшее число потребителей, чем при параллельном режиме работы. Однако раздельный режим работы не всегда удобен и приемлем в сетях 110 кВ. В частности, затрудняется баланс вырабатываемой и потребляемой активной и реактивной мощностей по отдельным секциям и системам шин, сложнее обеспечить динамическую устойчивость системы в переходных режимах, требуется применение устройств АВР с контролем синхронизма; затрудняется поддержание необходимых уровней напряжения по отдельным секциям и системам шин;
Применение грозозащиты линий 110 кВ на всем их протяжении с правильным выбором типа и мест установки разрядников;
Снижение сопротивления заземления опор. Применение в обоснованных случаях усиленной изоляции на линиях электропередач и открытых распредустройствах подстанций и электростанций;
Регулярное проведение профилактических мероприятий по чистке изоляции и замене дефектных изоляторов.
Применение для ВЛ-110 кВ проводов нового типа (Aero-Z).

В следующем номере журнала автор подробнее рассмотрит мероприятия по минимизации ущербов от провалов напряжения, относящиеся к системам внутреннего электроснабжения потребителей, к системам контроля и управления технологическими процессами.

*) На самом деле зависимость вращающего момента синхронного двигателя при понижении напряжения несколько сложнее. В частности, он зависит ещё от реакции системы возбуждения на понижение напряжения, от работы форсировки возбуждения.

**) Повышение бесперебойности электроснабжения производств с непрерывным технологическим процессом.
Рекомендации по совершенствованию технологии проектирования. ВНИПИТПЭП – ГО ГПИ ЭЛЕКТРОПРОЕКТ, 1989 г.