 |
Некачественное напряжение в электросети – проблема, с которой сталкиваются практически все потребители. Сгоревшее оборудование, пожары, взрывы – это далеко не полный перечень трагических последствий таких аварий. По данным МЧС РФ, более трети всех пожаров имеют электротехническое происхождение. Защитить электрооборудование от аварий в электросети помогают реле напряжения, реле контроля фаз, мониторы напряжения. О последних – в материале наших авторов.
Защищать правильно
Такова задача монитора напряжения
Владимир Крупень, к. т. н., начальник кафедры
Морского корпуса Петра Великого
СПб Военно-Морского института
Александр Козлов, начальник кафедры
военного обучения Балтийского Государственного
Технического Университета «Военмех» им. Д. Ф. Устинова
Что такое – защита электрооборудования
Совершенно очевидно, что электрооборудование необходимо защищать. Вот, например, как трактуют ПУЭ в редакции 2002 года, раздел 3, глава 3.1 «Защита электрических сетей напряжением до 1 кВ», это понятие: «3.1.8. Электрические сети должны иметь защиту от токов короткого замыкания, обеспечивающую по возможности наименьшее время отключения и требования селективности... Кроме того, должны быть защищена от перегрузки ... силовые сети на промышленных предприятиях, в жилых и общественных зданиях, торговых помещениях ... в случаях, когда по условиям технологического процесса или по режиму работы сети может возникать длительная перегрузка проводников...».
Как видим, в понятие «защита электрооборудования» прежде всего вкладывается смысл защиты последнего от токов короткого замыкания и перегруза, которые могут появиться в электрических сетях. Это связано с тем, что при возникновении короткого замыкания в сети протекают токи, намного превышающие допустимые и приводящие к серьезным повреждениям. Однако, если проанализировать причины появления КЗ, можно сказать, что одна из них – некачественное сетевое напряжение.
Под некачественным напряжением будем понимать отклонения его параметров от строго установленных ГОСТами.
Показатели качества электроэнергии
Требования к качеству электрической энергии на территории РФ определяет ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Стандартом устанавливают допустимые уровни помех в электрической сети, которые характеризуют качество электроэнергии (КЭ) и называются показателями качества электроэнергии (ПКЭ).
Причин, вызывающих ухудшение КЭ, множество. Назовем лишь некоторые: аварии на подающей подстанции, КЗ в распределительной сети, грозовые и коммутационные возмущения, неравномерность распределения нагрузки по фазам, резкие сбросы нагрузки, срабатывание средств защиты и автоматики, электромагнитные и сетевые возмущения, связанные с работой мощной нагрузки, и т.д.
Рассмотрим на примере отклонения напряжения от номинальных значений, чем грозит электрооборудованию выход за допустимые значения, установленные ГОСТ: предельные отклонения напряжения на зажимах электроприёмников dUупред = ±10% номинального напряжения сети (см. табл. 1).
| Влияние отклонения напряжения на электрооборудование |
Таблица 1 |
| Электрооборудование |
Снижение на 10% от Uн |
Превышение на 10% от Uн |
| Асинхронные электродвигатели |
Момент двигателя изменяется пропорционально квадрату напряжения |
| Момент двигателя снижается на 19%.
Температура повышается на 70С.
Увеличивается время пуска.
Скольжение повышается на 27,5%,
ток ротора – на 14%, ток статора – на 10% |
Увеличенный момент двигателя служит
причиной перегрузки валов, ременных
передач, увеличивается пусковой удар.
Пусковой ток повышается на 12%,
вращающий момент на 21%,
коэффициент мощности снижается на 5% |
| Электронная аппаратура |
Срок службы электронных компонентов сокращается в 4 раза.
Возникают ошибки цифровой техники. Выходит из строя программное обеспечение. |
| Тиратроны выходят из строя в течение нескольких минут |
Сгорают сетевые фильтры, блоки питания, адаптеры |
Очевидно, что работа электрооборудования даже на пределах допустимых значений не только значительно сокращает срок его службы и снижает эффективность работы, но зачастую приводит к выходу его из строя.
О мониторах напряжения
Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) разработаны стандарты по обеспечению защиты от сетевых аварий. Это в первую очередь:
- IEC 60364-4-44 (2001) «Электрические устройства зданий. Часть 4-44. Защита для обеспечения безопасности. Защита от резких отклонений напряжения и электромагнитных возмущений»;
- IEC/TR 62066 (2002) «Перенапряжения и защита от выбросов напряжения в низковольтных системах питания переменного тока. Общая основная информация».
Эти материалы устанавливают единые нормы и правила при проектировании, устройстве и эксплуатации электрических сетей. Но это – международная практика, предписывающая защищать потребителей в сетях западных стран с более жесткими требованиями к ПКЭ. В действующих же отечественных директивных материалах (ГОСТ, ПУЭ, ПТЭ, и т.д.) на сегодняшний день применительно к электроустановкам до 1000 В отсутствуют предписания об обязательной установке защитных устройств от некачественного сетевого напряжения. В последних редакциях ПУЭ появились, правда, требования по установке защит от грозовых и импульсных перенапряжений. Но как быть с напряжением сетевым, не выдерживающим никакой критики по качеству?
Требовать от энергопоставляющих компаний выдерживать качество напряжения – путь бесперспективный. Хотя бы потому, что доказать факт наличия некачественного напряжения очень трудно, если не сказать невозможно. Кроме того, аварийные режимы по напряжению не всегда связаны с энергопоставляющей организацией. Те потребители, которым важно сохранить собственное оборудование, которым не нужны тяжбы с энергопоставляющими организациями по поводу плохого, не соответствующего ГОСТу напряжения, уже давно по своему усмотрению применяют различные устройства, не являющиеся обязательными с точки зрения ПУЭ, но которые полностью соответствуют всем требованиям для применения в электроустановках и обеспечивают сохранность оборудования от следствия плохого напряжения.
Речь идет о всевозможных реле напряжения, реле контроля фаз, мониторах напряжения. Остановимся на последних (далее – реле). Такие реле должны наиболее достоверно сигнализировать об отклонениях питающего сетевого напряжения и/или самостоятельно управлять коммутационными аппаратами, которые в свою очередь включают/отключают электрооборудование. С помощью таких устройств также организованы схемы АВР. Кстати, применение полноценных мониторов напряжения в схемах АВР дает наиболее правильный алгоритм работы АВР (в отличие от «слепых» АВР на магнитных пускателях).
Немного истории
Самым простым устройством для этих целей был блок контроля с маломощным трехфазным трансформатором, подключаемым к соответствующим фазам сети. К выходу трансформатора подсоединялся выпрямитель, собранный по схеме А.Н. Ларионова, между его плюсовым и минусовым выводами включалось реле. При обрыве любой фазы сети реле отключало потребителя от сети.
Им на смену пришли устройства с так называемой сетевой логикой действия. Анализ ПКЭ распределительных сетей 0,4 кВ показал, что наиболее частыми видами аварий сетевого напряжения, помимо указанного выше обрыва фаз, являются изменения последовательности чередования фаз и «слипания фаз», вызванные авариями на подстанциях или в самой сети, перекос фаз, отклонения, скачки и провалы напряжения. Для контроля за этими видами аварий стали применять реле, используемые в цепях автоматики высоковольтных сетей, работающие по схожему алгоритму.
Но функционально реле, изначально созданные для установки на распределительных подстанциях, не совсем подходили для полноценной защиты по напряжению. Потребителю приходилось либо мириться с тем, что есть, либо устанавливать не одно, а несколько устройств. Например, известное всем реле серии ЕЛ разработки Киевского НПО «Реле и автоматика», предназначенное в основном для сетевых АВР, реагирует не на перекос напряжения (этого в сетевом АВР не требуется), а только на полное исчезновение одной из фаз. Использование нескольких устройств, каждое из которых реагировало бы на отдельный вид отклонения напряжения, неоправданно удорожало электроустановку. Актуальной стала задача создания защитных устройств с набором функций, обеспечивающих полноценную и достоверную защиту.
Пики или действующие значения
Задача понятная, но не очень простая. К примеру, по какому уровню напряжения защитное устройство должно срабатывать? Из теории электротехники всем известно, что самое правильное – по действующему значению напряжения. Но как его определить? Если бы напряжение было строго синусоидальным, то действующее значение определялось бы очень просто: максимум, деленный на корень из 2. Но в наших сетях синусоиды нет. Действующее значение периодической функции можно определить только с помощью сложного математического расчета. Создать дешевое устройство на аналоговых элементах, определяющее действующее значение напряжения, было практически невозможно. Поэтому стали применять разные компромиссные методы: срабатывание по длительным пикам, фильтрации высших гармоник и т.д. Но каждый компромисс тянул за собой цепочку недостатков. Например, при большом проценте высших гармоник действующее напряжение будет постоянно меняться, работа по пикам может оказаться достоверной, только когда этот пик достаточно продолжительный.
Кроме уровня напряжения, устройство должно реагировать на перекос фаз. Но если напряжение определено не достоверно, то и перекосы будут определяться неправильно.
Теперь о времени срабатывания реле. Оно должно быть, с одной стороны, как можно меньше, с другой – имеются виды отклонений по напряжению, возникающие достаточно часто, но кратковременные и не оказывающие ощутимого вредного воздействия на оборудование. Например, коммутационные перенапряжения, длящиеся несколько периодов (20– 100 мсек.), или кратковременные посадки напряжения, связанные с пуском электродвигателей и включением нагрузки. Перед разработчиками встала задача научить реле различать виды аварий и по каждому из них принимать соответствующее решение: отключать быстро или не отключать вообще. К сожалению, в большинстве существующих на сегодняшний день защитных устройствах эта задача не решена.
Цифра или аналог
Эра аналоговых устройств клонится к закату. Дело даже не в том, что невозможно организовать необходимую логику действий. Возможно всё, но схема такого реле будет сложной и дорогой.
На смену аналоговым приборам начали приходить микропроцессорные. О преимуществах цифровых технологий, в том числе применительно к защитным устройствам, сказано много. Но применение современных решений резко удорожает реле. Даже такие гиганты электротехники, как АВВ, Schneider Electric, Siemens, начали применять полноценную цифровую технику только в защитных устройствах высокого напряжения, где цена микропроцессорного реле не имеет большого значения. В низковольтных же устройствах снова компромисс. Изделие вроде бы цифровое, но пороговое, т.е. выполненное на компараторах, принимающих решение «да» или «нет». Фактически сохранилась узкая логика аналогового прибора.
Необходимые параметры реле
Сейчас на рынке России представлено множество реле. Перед потребителем неизбежно встает вопрос, по каким параметрам следует их выбирать. С одной стороны, реле должно стать надежным заслоном на пути недоброкачественной энергии от электросети к нагрузке, с другой стороны, быть качественным и недорогим.
Для анализа нами была сделана репрезентативная выборка: реле иностранных производителей – ABB, Siemens, Schneider Electric, которые, несомненно, являются лидерами электротехнической отрасли, и отечественных предприятий – «Меандр», «Полигон», «Новатек-Электро», наиболее активно конкурирующих с западными компаниями в данном секторе производства.
Для сравнения были выбраны приборы, которые больше всего подходят под термин «мониторы» напряжения (универсальные реле напряжения) – одно 3-фазное и одно 1-фазное реле от каждого из производителей.
Основными критериями, характеризующими работу реле, должны служить их точность и надежность. Реле должны быть цифровыми, т. к. реализовать сложную логику действий, точность и надежность, возможно лишь на базе микропроцессорной техники. Принятие решений о выходе за контролируемые параметры должно осуществляться по действующему или близкому к нему среднему за период значению напряжения. Работа по пиковым значениям напряжения приводит к ложным срабатываниям. Наличие регулируемых уставок тоже является несомненным преимуществом реле. Схема питания реле должна быть организована от самого измеряемого напряжения, от трех фаз одновременно для 3-фазного реле, чтобы сохранить информативность при наличии хотя бы одной фазы. Обязательны: простая и логичная индикация, необходимая степень защищенности и должная климатика.
Вот, пожалуй, и весь перечень основных параметров, по которым можно произвести сравнительный анализ реле напряжения (см. табл. 2).
Краткий анализ
Реле иностранных производителей осуществляют контроль по пиковым значениям напряжения, что сужает возможность их использования в энергонасыщенных производствах, где сети изобилуют «лишними» гармониками, коммутационными возмущениями, длительными переходными процессами, мощными электромагнитными помехами.
Практически ни у кого нет независимой регулируемой задержки по Umin. Но необходимо «загрублять» время срабатывания реле по всем авариям, чтобы отстроиться от пусковых токов. Если во время пуска, который иногда может длиться до 14 сек., произойдет тяжелая авария, например, обрыв фаз, реле вовремя не сработает.
Нет полноценной отдельной регулировки времени АПВ. Она или отсутствует вовсе, или равна времени срабатывания реле, или имеет фиксированное небольшое значение, что явно недостаточно для управления оборудованием с длительными переходными процессами (например, холодильной и компрессорной техникой).
Неясно, как реагирует реле на такую тяжелую аварию, как «слипание фаз». Скорее всего, не реагируют совсем, т. к. для западных сетей – это «нонсенс», а для наших – обычная реальность.
Реле отечественных производителей явно показывают две тенденции, сложившиеся в российском приборостроении. Одни пошли по пути компиляции импортных реле, лишь слегка модернизировав их под наши условия. Поэтому и недостатки у них те же: либо нет независимой задержки по Umin, либо нет измерения амплитудного перекоса, регулировки времени АПВ. Другие взяли всё лучшее у своих западных коллег и пошли немного дальше в попытках создать качественный «монитор напряжения».
И сейчас у потребителя имеется довольно большой выбор различных реле.
Выводы
Растущее энергопотребление предприятий, большая энергонасыщенность бытовых потребителей приводят к увеличению числа сетевых аварий. Остро назрела необходимость привести ПУЭ в соответствие с нормами международного права в данной области. Эти правила должны не только регламентировать необходимость, место и способы защиты, но и ввести общие требования к приборам, защищающим от аварий сетевого напряжения.
| 
|
