Провалы напряжения Реальность прогнозов и схемные решения защиты Илья Карташев, к.т.н., Московский энергетический институт

– Илья Ильич, как провалы напряжения влияют на потребителей промпредприятий со сложными технологическими процессами, например, на электродвигатели, выпрямительно-инверторное оборудование, контакторы, управляющее оборудование?
– Восприимчивость электроприемников к кратковременным случайным помехам определяется их инерционностью, то есть временем, в течение которого они способны сохранить запасенную энергию электромагнитного или электростатического поля. Поэтому электроприемники, имеющие индуктивный или емкостный характер потребления электроэнергии, менее чувствительны к таким помехам в отличие от безынерционных, например микропроцессорных, устройств.
На рис.1 показаны возможные допустимые изменения напряжения и их длительность для различных категорий систем электроснабжения и, следовательно, характерных для этих систем электроприемников. Как видно из этого рисунка, в системах электроснабжения (область D), питающих особо чувствительные электроприемники, допустимые изменения напряжения не должны превышать 5–6% от номинального при длительности не более 104 с.
Восприимчивость такого оборудования, как станки с ЧПУ и прокатные станы, проявляется через чувствительность к помехам не приводов, а их микропроцессорных систем управления. При работе таких систем могут быть критичными повторяющиеся резкие изменения напряжения размахом 1,5–2% с частотой 3–5 Гц или периодичностью 0,2–0,4 с. Помехоустойчивость этого оборудования по отношению к отдельным провалам составляет по глубине 10%.
В конце прошлого века в Японии в период наиболее интенсивной грозовой активности проводились измерения провалов напряжения, при этом регистрировались амплитуда и длительность провалов, а также их частота. Причиной столь масштабной работы стали постоянно поступающие претензии потребителей на сбои и нарушения в работе персональных ЭВМ, другого электронного оборудования, электродвигателей с переменной частотой вращения.
Одновременно с этим был организован сбор статистических данных по числу таких претензий, а также по чувствительности (помеховосприимчивости) приборов.
Для проведения измерений на всех понижающих подстанциях распределительной сети были установлены регистраторы.
После трехмесячных измерений была рассчитана частота провалов напряжения в год исходя из предположения, что количество провалов пропорционально количеству КЗ на линиях. Для проверки достоверности полученных результатов в одном из регионов измерения проводились непрерывно в течение двух лет. Результаты этих измерений представлены на рис. 2.
Из рисунка видно, что оборудование общего назначения, менее чувствительное к качеству электроэнергии по сравнению с другими видами электроприемников, может работать без сбоев при глубине провалов до 60% продолжительностью до 0,5 с.
Более чувствительным оборудованием являются двигатели с электронным управлением, различного рода вычислительная техника, применяющаяся сейчас практически повсеместно. Такое оборудование чувствительно к провалам до 10% продолжительностью менее 0,05 с, что значительно повышает требования к качеству электроснабжения.

Рис. 1: Соотношение допустимого снижения напряжения D U/U_max и длительности снижения t

A – промышленные сети
B – городские сети
C – сельские сети
D – сети с повышенной стабилизацией напряжения

Рис. 2: Влияние кратковременных провалов напряжения на функционирование электронного оборудования

1 – граница для оборудования общего назначения (менее чувствительного);
2 – электромагнитные контакторы;
3 – двигатели с электронным управлением;
4 – газоразрядные лампы высокого напряжения;
5 – реле минимального напряжения;
РС – ПЭВМ, медицинские диагностические приборы со стабилизацией напряжения

– Можно ли как-то прогнозировать провалы напряжения?
– Вообще любые прогнозы могут базироваться либо на основе длительных наблюдений (измерений), либо на основе расчетов, которые также требуют определенных измерений и наблюдений. Чем продолжительнее период наблюдений и чем шире охват наблюдаемых точек, тем достовернее и ценнее прогноз.
Опыт изучения причин провалов показывает, что их основное число происходит в связи с атмосферными явлениями (грозовая деятельность). Молния представляет собой электрический разряд в атмосфере. Она является наиболее мощным естественным источником электромагнитных возмущений. В силу ряда очевидных причин, таких как конструктивные особенности и др., наиболее часто подвержены ударам молнии воздушные линии электропередач.
Общая длина линий напряжением 35–1150 кВ в стране достигла многих сотен тысяч километров, а протяженность воздушных линий меньшего номинального напряжения исчисляется несколькими миллионами километров. Очевидно, что, зная число ударов молнии в линии определенной конструкции, можно для конкретного района прогнозировать отключение защитой поврежденных линий, последующее восстановление напряжения автоматикой и соответственно прогнозировать провалы напряжения.
Краткосрочные прогнозы можно сделать по имеющейся статистике, получаемой на основе многолетних регистрируемых наблюдений в конкретной сети. Они должны рассматриваться как краткосрочные в той мере, в которой данная сеть сохраняет свою структуру и состав нагрузок.
В простейшем случае выполнение программы накопления такой статистики не представляет труда. Для этого достаточно обработать результаты записей в оперативных журналах, где, как правило, отражены факты срабатывания релейной защиты или АПВ, а также указана причина их срабатывания (КЗ). Таким образом, зная, где произошло КЗ, зная уставки автоматики сети, можно определить приблизительное суммарное время срабатывания автоматики (начиная от срабатывания РЗ и заканчивая срабатыванием АПВ, когда напряжение восстанавливается до исходного уровня), которое и будет длительностью провала напряжения. Используя современные вычислительные комплексы, можно также рассчитать и возможную глубину провала напряжения, произошедшего в результате КЗ на воздушной линии.
Долгосрочные прогнозы, как правило, строятся на результатах продолжительных измерений. Для регистрации глубины и длительности провалов напряжения необходимо провести длительные измерения специальными приборами. Важной особенностью таких измерений является то, что их целью в конечном счете является защита сети и потребителей от возможных последствий провала напряжения. Для этого необходимо установить как можно более точно причину провала напряжения, вид короткого замыкания и его место в сети.
В настоящее время для сбора статистики по провалам напряжения в сетях передачи и распределения электроэнергии устанавливаются контрольно-измерительные средства для контроля качества электроэнергии.
Существует практическая методика прогнозирования провалов напряжения. Ее изложение займет немало места, поэтому, если она заинтересует читателей, в следующем номере журнала я могу рассказать о ней подробнее.

– Какие схемные решения можно применить для снижения влияния провалов напряжения на потребителей?
– Конкретное решение поставленной задачи зависит от вида источника помех, т.е. является он или нет звеном технологического процесса на предприятии. Например, помехи могут быть вызваны пуском электродвигателя, работой прокатного стана или дуговой сталеплавильной печи.
Технологические источники помех необходимо отделять по питанию от других восприимчивых к этим помехам электроприемников. Для этого их присоединяют непосредственно к сети 110–220 кВ так, что мощность КЗ в точке присоединения многократно превышает мощность источника помех, а следовательно, и сопротивление сети невелико.
К другим схемным решениям следует отнести выделение питания такой резкопеременной нагрузки на отдельную секцию шин, включение ее по отношению к чувствительным электроприемникам через ветвь сдвоенного реактора или трансформатора с расщепленной обмоткой.
Однако такие мероприятия по снижению влияния провалов напряжения на потребителей могут быть недостаточны ввиду сложившегося соотношения мощностей присоединяемой резкопеременной нагрузки (источника колебаний и провалов напряжения). В этом случае эффективным может быть применение быстродействующих статических источников реактивной мощности, например, управляемой тиристорами конденсаторной батареи (КБ) при ступенчатом регулировании или той же КБ в комбинации с управляемым тиристорами реактором при плавном регулировании. Такие устройства включаются в непосредственной близости или на шинах источника помех.
Ограничение пусковых токов мощных электродвигателей также является эффективным и, можно сказать, штатным средством защиты как для самих двигателей, так и от их влияния на питающую сеть.
Короткие замыкания, которые в данном контексте также рассматриваются как причины резкопеременных изменений напряжения, являются случайными явлениями. На воздушных линиях электропередачи КЗ в основном являются результатом грозовой деятельности. Существенного ограничения длительности возникающих при этом провалов напряжения добиваются повышением быстродействия средств релейной защиты и автоматики, а также быстродействия коммутационной аппаратуры.
В настоящее время разработчики и производители стремятся создать комплексы устройств быстродействующего АВР (БАВР), где используются быстродействующие вакуумные выключатели типа ВВЭМ, ВБЧЭ и другие с электродинамическим устройством управления приводом и быстродействующее пусковое устройство АВР (ПУ АВР). Однако надо сказать, что АВР, время срабатывания которых может достигать нескольких секунд, а напряжение срабатывания пусковых органов 0,75–0,8 от номинального, не защищают чувствительное к таким помехам электрооборудование. Основная причина этого – принцип действия АВР, когда восстановление питания после его полного исчезновения возможно только через несколько секунд.
Универсальным средством защиты от провалов напряжения, как, впрочем, и от помех другого вида, являются источники бесперебойного питания. Они способны сохранять электроснабжение отдельных электроприемников или локальных сетей в зависимости от емкости аккумуляторных батарей в течение 5–20 мин. Этого времени более чем достаточно для ввода резервного питания или пуска и ввода дизель-генераторной установки в случае отказа или даже отсутствия АВР.