Провалы напряжения в сетях промпредприятий. Минимизация последствий Владимир Фишман, главный специалист ЭСП-НН-СЭЩ, филиала ЗАО «Группа компаний «Электрощит»–ТМ–Самара», г. Нижний Новгород

Напомним, что основными причинами провалов напряжения являются повреждения в системах внешнего электроснабжения пром-предприятий, в подавляющем большинстве случаев получающих электроэнергию на напряжении 110 кВ. При этом провалы напряжения ощущают потребители как в сетях 6–10 кВ, так и в сетях до 1000 В.
Если в системе внешнего электроснабжения выполняется требование п. 3.2.108 ПУЭ [1] об отключении повреждений на линиях 110 кВ и выше, сопровождающихся понижением напряжения на шинах источников питания ниже 65% от номинального, без выдержки времени, то результирующая устойчивость высоковольтных электродвигателей, как правило, сохраняется. Но это требование ПУЭ относится только к ответственным потребителям и сформулировано достаточно сложно, поэтому в энергосистемах не всегда выполняется.

Повышение устойчивости работы СД
Рассмотрим, что можно сделать для повышения устойчивости работы синхронных электродвигателей (СД) при провалах напряжения.
Максимальный вращающий момент СД при провалах напряжения можно представить следующей формулой [2]:

М_сд = 1,4•(U_ост.с/0,85)•U_в•М_смк,

где	Мсд – максимальный вращающий момент СД, о.е.;
	Мсмк – каталожный максимальный синхронный момент СД, о.е.;
	Uост.с – остаточное напряжение в сети, о.е.;
	Uв – напряжение возбуждения, о.е.;
	1,4 – коэффициент форсировки возбуждения СД при напряжении 0,85Uном.

Условие сохранения устойчивости СД:
М_сд і М_мех, где М_мех – момент сопротивления механизма, о.е., М_мех Ј 1.
Из приведенной формулы очевидно, что необходимо обратить внимание на тип возбудительного устройства (ВУ) СД. Для различных типов ВУ существует разная зависимость напряжения возбуждения U_в от напряжения в сети и соответственно неодинаковая устойчивость электродвигателей к провалам напряжения.
Так, для СД с параметрами М_смк = 1,8, при питании возбудительного устройства от независимого источника и при провале напряжения в сети до U_ост.с = 0,5, получим:

М_сд= 1,4•(0,5/0,85)•1•1,8 = 1,48.

Из этого следует, что в данном случае провал напряжения не грозит потерей устойчивости СД, поскольку М_сд і М_мех.
В аналогичных условиях при наличии зависимого возбуждения, например, тиристорного, когда возбудитель питается от той же сети, что и основной электродвигатель, момент электродвигателя будет значительно меньше:

М_сд = 1,4•(0,5/0,85)•0,5•1,8 = 0,74.

В этом случае при моменте сопротивления механизма М_мех < 0,74 устойчивость электродвигателя может нарушаться.
Таким образом, для повышения устойчивости работы синхронных электродвигателей необходимо стремиться к созданию схем надежного питания их систем возбуждения. Желательно, по возможности, прорабатывать их так, чтобы ВУ питались от источника, напряжение которого не зависит от напряжения основного источника питания электродвигателя.
В практике эксплуатации встречаются случаи отключения систем возбуждения СД при восстановлении питания после провала напряжения, что связано с броском тока возбуждения и срабатыванием защиты тиристоров. Это говорит о том, что переходные процессы в системе возбуждения, происходящие при провалах напряжения, при выборе параметров вентилей и тиристоров учитываются недостаточно полно.

Повышение устойчивости работы АД
Асинхронные высоковольтные электродвигатели (АД) на кратко-временные провалы напряжения (< 0,5 с) практически не реагируют. Однако более длительные провалы напряжения могут при определенных условиях привести к нарушению устойчивости их работы.
Например, при асинхронной характеристике, показанной на рис. 1, которая встречается у некоторых импортных асинхронных электродвигателей, нарушение устойчивости может произойти при U_ост.с Ј 0,5 U_ном после того, как скольжение электродвигателя S станет больше критического.
Так, при S_кр = 0,05 о.е., механической постоянной агрегата t_j = 5 с и избыточном тормозном моменте М_торм = М_мех – М_эд = 0,25 о.е., в период провала напряжения нарушение устойчивости работы АД произойдет, когда его скольжение превысит критическое значение, т.е. за время провала напряжения:

t_{пр. напр.} > (S_кр • t_j)/М_торм = (0,05 • 5)/0,25 = 1,0 с.

После восстановления питания сопротивление электродвигателей оказывается близким к пусковому, поэтому напряжение в сети восстановится не полностью, а именно до величины:

Ú_ост.с = ХS_эд/(Х_с + ХS_эд), о.е.,

где	ХSэд – суммарное сопротивление электродвигателей,
	Хс – сопротивление питающей сети.

При большой мощности электродвигателей величина этого напряжения может оказаться недостаточной для создания положительного избыточного момента и электродвигатели продолжат снижение скорости вращения. При этом процесс перейдет в неконтролируемую стадию. Во избежание тяжелых последствий, необходимо делать расчеты самозапуска, и если они покажут возможность подобной ситуации, то следует настроить защиту минимального напряжения так, чтобы часть менее ответственных электродвигателей перед восстановлением напряжения отключалась (см. ПУЭ, п. 5.3.52). Этому условию будут соответствовать уставки защиты U_мин= 0,7 о.е., t = 1,50 с.

Особенности работы низковольтных АД
Необходимо отметить следующие особенности работы низковольтных асинхронных электродвигателей:

Для уменьшения вероятности отключения магнитных пускателей ответственных электродвигателей при наиболее частых видах повреждений – однофазных КЗ в сетях 110 кВ, схемы подключения катушек управления магнитными пускателями следует согласовывать со схемой и группой соединения обмоток питающего силового трансформатора 10(6)/0,4 кВ. При схеме соединения обмоток питающего трансформатора Y/Yн -12 катушки управления магнитных пускателей и контакторов целесообразнее подключать на фазное напряжение, при схеме соединения обмоток трансформатора D/Yн -11 – на линейное напряжение (см. табл. 1 в первой части статьи – № 5(29) 2004, с. 41). Самое простое решение по сохранению во включенном состоянии электродвигателей при исчезновении напряжения – применение контакторов управления с «защелкой», удерживающей их во включенном положении независимо от наличия напряжения в цепи управления. Однако такие схемы можно применять только тогда, когда это допустимо как по соображениям техники безопасности, так и по условиям технологии, поскольку возможность их повторного включения не ограничивается по времени. Для вышеуказанной цели целесообразно применять схему управления электродвигателями с дополнительным промежуточным реле (рис. 2а). Такое реле имеет низкое напряжение возврата (» 0,05 Uном) в сочетании с выдержкой времени на возврат (» 0,5ё1,1с), благодаря чему электродвигатель восстановит свою работу даже после глубоких кратковременных провалов напряжения. При отключении питания благодаря подпитке от синхронных и асинхронных электродвигателей напряжение исчезает не сразу, поэтому фактическая выдержка времени будет значительно больше 0,5 – 1,1 с. В данной и последующих схемах применяется кнопка «стоп» (SB1) с фиксацией в отключенном состоянии.

Рис.2а Рис.2б Рис.2в Рис.2г

1. При большом количестве и мощности низковольтных электродвигателей их одновременное включение после провала напряжения может оказаться недопустимым, поскольку в момент самозапуска возникает новый провал напряжения. При этом процесс сильно затягивается, а часть электродвигателей может отключиться от перегрузки по току.
   В таких случаях используют специальные схемы, предусматривающие повторное включение электродвигателей несколькими последовательными очередями. Отдельные очереди могут запускаться либо через заданные промежутки времени, либо по мере повышения напряжения или снижения тока самозапуска электродвигателей предыдущей ступени. Подобные схемы разрабатываются и внедряются специализированными пусконаладочными организациями (см. рис. 1).
   В качестве простейшей схемы повторного пуска электродвигателя через заданный промежуток времени после потери питания (до 9 с) может быть применена схема, показанная на рис. 2б. В ней используется проскальзывающий контакт реле времени РВ-235, кратковременно замыкающий цепочку включения контактора с заданной выдержкой времени.
2. Преимуществом схем, показанных на рис. 2в и 2г, по сравнению с предыдущей является то, что при кратковременных перерывах питания, когда скорость и сопротивление электродвигателей ещё велики, они позволяют осуществлять их одновременный самозапуск, а при более длительных перерывах питания реализуют принцип ступенчатого самозапуска через заданные промежутки времени.

Обеспечение быстродействия релейных защит
Из вышеизложенного становится очевидным, какую большую роль играет продолжительность провалов напряжения для обеспечения устойчивой работы высоковольтных и низковольтных электродвигателей. Не менее важно обеспечить непревышение максимально допустимого по условиям технологии времени перерыва питания потребителей (см. далее раздел «Минимизация влияния на работу систем КИПиА, АСУ ТП»).
В связи с этим при проектировании рекомендуется:

1. Избегать применения многоступенчатых схем электроснабжения, увеличивающих время действия релейных защит на источнике питания.
2. Применять современные микропроцессорные устройства релейных защит, позволяющие:
   • увеличивать быстродействие защит;
   • сокращать ступени селективности по времени;
   • применять в необходимых случаях принцип логической селективности, позволяющий отказаться от ступеней селективности по времени;
   • осуществлять диагностику состояния электрооборудования и тем самым предотвращать возможные аварии.

Минимизация последствий повреждения питающих линий
Если повреждение произошло на линии, питающей подстанцию рассматриваемых потребителей, то эта линия отключается защитой, после чего должно осуществляться автоматическое включение резерва (АВР) или автоматическое повторное включение (АПВ).
За время аварии до срабатывания АВР или АПВ также происходит провал питающего напряжения, но это более тяжелый случай, при котором происходят:

• полный разрыв связи с источником питания;
• полное обесточивание большой группы потребителей;
• нарушение синхронизма синхронных двигателей.

Решение проблемы с помощью БАВР
В последние годы в нашей стране и за рубежом разработаны и внедрены специальные устройства для выполнения быстродействующего АВР (БАВР) на напряжении 10(6) кВ.
БАВР характеризуется чрезвычайно малым (от нескольких долей периода до нескольких периодов переменного тока) временем перерыва питания, в течение которого синхронные электродвигатели не успевают выйти из синхронизма, а асинхронные практически не снижают скорость вращения. Это минимизирует все параметры самозапуска и сокращает возможные риски нарушения технологии, связанные с переходными процессами, неизбежно сопровождающими обычное переключение потребителей с одного источника на другой.
Схемы БАВР разработаны как на бесконтактной, так и на контактной коммутационной аппаратуре. Наиболее перспективным решением является БАВР, реализуемое на бесконтактной (тиристорной) аппаратуре. Такое БАВР имеет два основных преимущества:

1. практическое отсутствие времени переключения потребителей с одного источника на другой;
2. ограничение броска тока и момента электродвигателей при восстановлении питания путем управления углом открытия тиристоров.

Минимизация влияния на работу систем КИП и А, АСУТП
Сложные непрерывные технологические процессы в химии, нефтехимии, нефтепереработке и т.п. отраслях успешно проходят лишь при определенных значениях температуры, давления, определенном соотношении компонентов, участвующих в химических реакциях. Нарушение этих параметров приводит в лучшем случае к браку продукции, а в худшем – к неконтролируемому процессу, заканчивающемуся выбросом экологически вредных веществ в окружающую среду.
При провалах напряжения по мере снижения скорости вращения механизмов происходят изменения технологических параметров, и при некотором значении времени перерыва питания эти изменения становятся необратимыми. С этого момента специальная противоаварийная автоматика, которая, согласно нормам технологического проектирования, предусматривается на всех опасных производствах, начинает процедуру безаварийного останова производственного процесса. Следует подчеркнуть, что ввиду инерционности электропривода и самих агрегатов, участвующих в технологическом процессе, изменение его параметров при провалах напряжения происходит не мгновенно.
Правильное определение этого «критического» времени играет большую роль как для выбора релейных защит и автоматики в системе электроснабжения, так и для правильной настройки работы систем контроля и управления технологическими процессами (КИПиА) и АСУ технологического процесса в целом. При недооценке продолжительности допустимого перерыва питания будут происходить необоснованные остановки технологического процесса, которые всегда связаны с определенным экономическим и экологическим ущербом. При переоценке же продолжительности этого интервала безаварийный останов окажется уже невозможным, что ещё более опасно. Зная критические значения параметров технологического процесса и законы их изменения при выбеге механизмов, потерявших питание, «критическое» время перерыва питания можно определить расчетным путем.

электроснабжение системы противоаварийной автоматики
Согласно п.1.2.13 ПУЭ следует учитывать, что на независимых (согласно трактовке ПУЭ) источниках энергосистем провалы напряжения могут происходить одновременно, а при серьезных системных авариях одновременное исчезновение напряжения на «независимых» источниках энергосистем может быть даже длительным. Поэтому электроснабжение потребителей противоаварийной автоматики, отнесенных по соображениям надежности к особой группе 1-й категории, должно осуществляться дополнительно от третьего источника, как правило, не являющегося источником энергосистемы.

Все технические решения должны быть взаимосогласованы
Очевидно, какую важную роль играет взаимодействие и согласование работы устройств технологической автоматики и автоматики в системе электроснабжения при провалах питающего напряжения. При этом проектированием этих систем часто занимаются разные организации и несогласованность технических решений приходится исправлять уже в процессе эксплуатации.
Наиболее правильным является комплексный подход к решению проблемы сохранения технологических процессов при кратковременных провалах напряжения в системах электроснабжения предприятий, подразумевающий анализ работы технологических агрегатов, КИП, технологической автоматики, высоковольтных и низковольтных электродвигателей и др. механизмов в тесной увязке с работой РЗиА в системе электроснабжения.

литература

1. Правила устройства электроустановок, 6-е и 7-е изд.
2. Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. – М.: Энергия, 1977.