МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ МОНИТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВЕДУТ К ГОСТАМ

Технический уровень отечественных и зарубежных мониторов напряжения, предназначенных для работы в низковольтных сетях, активно обсуждается на страницах нашего журнала [1-4]. На данном этапе аналоговые реле на микроэлектронной элементной базе интенсивно заменяются микропроцессорными (МП). Однако это не всегда означает их техническое усовершенствование. Иногда, чтобы удешевить мониторы нового поколения, в них применяют аналого-цифровую обработку информации по упрощенным алгоритмам.
Валентин Александрович Сушко не только анализирует недостатки существующих мониторов низкого напряжения, но и предлагает пути улучшения качества этих устройств..

Валентин Сушко, к.т.н., ведущий научный сотрудник ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары

За последние годы произошел существенный прогресс в техническом совершенствовании мониторов напряжения сетей 6–10 кВ и защит двигателей этого класса напряжения. Новые МП терминалы контроля напряжения и частоты российских и зарубежных производителей содержат обычно не менее одной-двух ступеней однофазной и трехфазной защиты минимального напряжения, максимального напряжения, одной-двух ступеней защиты напряжения обратной и нулевой последовательности, не менее двух ступеней защиты минимальной и одной ступени максимальной частоты. Напряжения определяются по действующему значению основной частоты, а у некоторых производителей – по действующему значению с учетом высших гармонических составляющих вплоть до 11-й или даже до 21–22-й гармоник. Цена таких терминалов – от 60 до 120 тысяч рублей (без НДС).
МП терминалы токовых защит высоковольтных двигателей имеют несколько ступеней максимально-токовой защиты в фазах и от замыкания на землю со ступенчатой или зависимыми от тока выдержками времени (не менее 4–6 видов зависимых характеристик), защиту по току обратной последовательности, от тепловой перегрузки с учетом токов прямой и обратной последовательности, от затянутого пуска и блокировки ротора, ограничения числа пусков двигателя, минимально-токовую защиту в фазах. Цена токовых терминалов защиты высоковольтных двигателей – от 60 до 150 тысяч рублей (без НДС).

О нынешнем состоянии
Указанные выше уровни цен были совершенно неприемлемыми для мониторов напряжения и устройств защиты двигателей в низковольтных сетях. Для них принимались наиболее дешевые и поэтому технически менее совершенные решения, которые вызывали иногда даже ухудшение характеристик защит двигателей.
В частности, некоторые производители раньше применяли аналоговые максимально-токовые защиты обратной последовательности для защиты двигателей от несимметричных режимов по току. При переходе на цифровые методы обработки информации для получения защит, использующих фильтры симметричных составляющих, необходимы процессоры, оперирующие векторными величинами с требуемой более высокой производительностью, чем при операциях со скалярными величинами.
С целью удешевления устройств используются аналого-цифровые методы обработки информации с дешевыми микропроцессорами, оперирующими скалярными величинами, получаемыми после выпрямления синусоидальных токов и напряжений выпрямительными мостами. Измеряемая при этом амплитудная или фазовая несимметрия токов и напряжений не имеет однозначной связи с составляющими обратной последовательности, позволяющими рассчитать дополнительную тепловую перегрузку двигателей. В результате уставки предлагаемых МП устройств защиты выбираются вслепую, что может приводить к недопустимому перегреву и разрушению изоляции обмоток двигателя и к замыканиям на корпус или к междуфазным коротким замыканиям в двигателе.
Выпускаемые мониторы низковольтного трехфазного напряжения контролируют обычно снижение трехфазного напряжения и несимметрию напряжений в виде относительного изменения одного из фазных или линейных напряжений (его пикового, среднего или действующего значения по основной частоте) по отношению к соответствующим номинальным значениям напряжений.
В некоторых устройствах несимметрия напряжений определяется косвенно через фазовую несимметрию, выявленную по глубине пульсаций трехфазного выпрямленного напряжения. При этом мониторы реагируют на аварию в виде обрыва фазы в сети низкого напряжения или в сети 6–35 кВ при схеме соединений обмоток понижающих трансформаторов Y/Yн-12 с заземленной нейтралью стороны НН.
Редкие мониторы реагируют также на повреждение вида «слипания» фаз (обрыв фазы со стороны питания с соединением двух фаз со стороны потребителя) и на обрыв фазы в сети 6–35 кВ при схеме соединения обмоток понижающего трансформатора D/Yн-11 с заземленной нейтралью стороны НН.
Однако большинство типов выпускаемых мониторов на подобные сетевые аварии не реагируют, так же как и на относительно меньшие фазные или амплитудные несимметрии, вызванные обрывом фаз через переходные сопротивления или неравномерной нагрузкой по фазам.

Требования ГОСТ...
Совершенствование мониторов напряжения в низковольтных сетях в части выявления несимметричных режимов по напряжению должно проводиться на базе ГОСТ 13109-97 [5], в котором оговорено, что несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:
– коэффициентом несимметрии напряжения по обратной последовательности;
– коэффициентом несимметрии по нулевой последовательности (в четырехпроводных сетях).
Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2% и 4% соответственно, коэффициента несимметрии напряжения по нулевой последовательности в точках общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ – 2% и 4% соответственно.
При этом ГОСТ 13109-97 допускает вычисление напряжения обратной последовательности и по приближенной формуле:

U_2i = 0,62(U_нбi – U_нмi),

где U_нбi, U_нмi – наибольшее и наименьшее действующие значения из трех междуфазных напряжений при i-ом наблюдении с учетом гармонических составляющих этих напряжений при коэффициенте искажения синусоидальности кривых напряжений, не превышающем 5%.
При использовании этой формулы относительная погрешность определения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности не превышает 8%, как указано в ГОСТ 13109-97.
Несимметрия по напряжению нулевой последовательности при симметрии междуфазных напряжений может быть вычислена в соответствии с ГОСТ 13109-97 по приближенной формуле:

U_0i = 0,62(U_нб.ф.i – U_нм.ф.i),

где U_нб.ф.i и U_нм.ф.i – наибольшее и наименьшее из трех действующих значений фазных напряжений при i-ом наблюдении с учетом гармонических составляющих этих напряжений при коэффициенте искажения синусоидальности кривых напряжений, не превышающем 5%. При этом относительная погрешность определения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности не превышает 10%.

...И их невыполнение в трехпроводных сетях...

Выпускаемые отечественными и иностранными производителями МП мониторы низковольтного напряжения не удовлетворяют этим требованиям и не позволяют определить величину напряжения обратной последовательности и коэффициент несимметрии по напряжению обратной последовательности, к которому асинхронные двигатели очень чувствительны.

Напряжение обратной последовательности

Если коэффициент искажения синусоидальности кривых напряжения с учетом полосы пропускания частот монитора напряжения превышает 5% и может быть определен возможный диапазон его изменения, необходимо вводить корректировку коэффициента пересчета 0,62 в указанной выше приближенной формуле для определения напряжения обратной последовательности.
Еще в первой половине прошлого столетия было известно [6], что наличие в питающем напряжении 10% напряжения обратной последовательности приводит к дополнительной тепловой перегрузке двигателя около 60%. При таких условиях и близком к номинальному моменте нагрузки, двигатель может сгореть за несколько десятков минут. Исходя из этого и из предельно допустимого по ГОСТ 13109-97 напряжения обратной последовательности до 4%, можно заключить, что уставка канала сигнализации монитора напряжения по напряжению обратной последовательности не должна превышать (с учетом коэффициента возврата) примерно 5–6%, а канала отключения – 6–8%.
И этим требованиям присутствующие на российском рынке МП мониторы напряжения не отвечают. При этом аналого-цифровые алгоритмы обработки информации не приводятся, а зачастую говорится только о диапазонах уставок по отклонению от номинального значения одного из линейных напряжений (причем в большинстве случаев неизвестно – амплитудного, среднего или действующего значения по основной частоте или с учетом каких-то гармоник). Возможно повреждение защищаемых двигателей при несимметрии питающего напряжения по напряжению обратной последовательности.

Стойкость к перенапряжениям
Выпускаемые мониторы напряжения не выполняют требования ГОСТ 13109-97 по стойкости к грозовым импульсным напряжениям. Испытательное напряжение грозовым импульсным напряжением в сети 0,38 кВ во внутренней проводке зданий и сооружений должно составлять 6 кВ импульсом с передним фронтом длительностью 1–10 мкс и с задним фронтом длительностью 10–40 мкс. В информационных материалах мониторов напряжения отсутствуют данные об их стойкости к грозовым импульсным напряжениям, а какие-либо устройства защиты от перенапряжений во входных цепях, как правило, отсутствуют. В подавляющем большинстве случаев наблюдается несоответствие мониторов напряжения ГОСТ 13109-97 по стойкости к временным перенапряжениям с коэффициентом временного перенапряжения до значений 1,15; 1,31; 1,47 и соответствующей длительности временных перенапряжений до 60 с, 20 с и 1 с.

Прерывание напряжения и невосприимчивость к помехам
Мониторы напряжения не соответствуют и ГОСТ Р51317.4.11-99 (МЭК 61000-4-11-94) [7] по кратковременному прерыванию напряжения в течение 100 мс или 200 мс (степень жесткости испытаний соответственно 2 или 3), а также требованиям по невосприимчивости к помехам, которые предъявляются к устройствам защиты, воздействующим на пускатели, по ГОСТ Р50030.4.1-2002 (МЭК 60947-4-1-2000) [8], а именно по воздействию:
– микросекундных импульсных помех большой энергии по ГОСТ Р51317.4.5 (МЭК 61000-4-5-95);
– наносекундных импульсных помех по ГОСТ Р51317.4.4 (МЭК 61000-4-4-95);
– радиочастотного магнитного поля по ГОСТ Р51317.4.3 (МЭК 61000-4-3-95);
– электростатических разрядов по ГОСТ Р51317.4.2 (МЭК 61000-4-2-95).

...И в четырехпроводных сетях
В отношении мониторов напряжения в четырехпроводных трехфазных сетях 0,38 кВ дело обстоит еще хуже, так как несимметричные режимы должны определяться в соответствии с ГОСТ 13109-97 по напряжению обратной и нулевой последовательностей.
В настоящее время несимметрия выявляется в выпускаемых мониторах в большинстве случаев по отклонению величины одного из фазных напряжений по отношению к двум другим. При этом производители мониторов не указывают зачастую алгоритм измерения фазных напряжений, и остается неизвестным, измеряется ли пиковое значение с учетом влияния гармоник в полосе пропускания монитора, среднее или действующее значение фазного напряжения по основной частоте или действующее значение полного напряжения. Измеряемая таким образом несимметрия не может быть соотнесена однозначно ни с несимметрией напряжения по нулевой последовательности, ни по обратной последовательности. Это следует из указанной выше приближенной формулы по ГОСТ 13109-97 для определения напряжения нулевой последовательности. Она справедлива только при равенстве линейных напряжений. При их неравенстве измерение по этому алгоритму даст результат, зависящий как от несимметрии по напряжению нулевой последовательности, так и от несимметрии напряжений по обратной последовательности с неизвестным соотношением между ними. Между тем физическое влияние на оборудование напряжений обратной и нулевой последовательностей и вызываемых ими соответствующих токов и магнитных потоков различно и должно определяться раздельно, как это реализуется в мониторах высокого напряжения. Таким образом, мониторы низкого напряжения в четырехпроводных сетях должны выявлять несимметрию напряжений раздельно по напряжению обратной последовательности и по напряжению нулевой последовательности с использованием цифровых или аналоговых фильтров симметричных составляющих обратной и нулевой последовательностей.
Другие точные алгоритмы измерений, предусмотренные ГОСТ 13109-97, описываются громоздкими формулами с многочисленными операциями возведения в квадрат и извлечения квадратных корней из модулей линейных и фазных напряжений и алгебраических операций с ними.

Что в итоге?
1. Новое поколение микропроцессорных мониторов напряжения в низковольтных трехфазных сетях, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, не соответствует ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» по методам выявления несимметрии трехфазного напряжения. Вместо определения коэффициентов несимметрии для действующих значений напряжений по обратной и нулевой последовательности, предусмотренных ГОСТ 13109-97, в выпускаемых мониторах несимметрия напряжений определяется косвенно, по отклонению амплитуды среднего или действующего значения одного из фазных или междуфазных напряжений от его номинального значения. В ряде устройств несимметрия напряжений косвенно определяется по фазовой несимметрии, выявляемой по глубине пульсаций трехфазного выпрямленного напряжения.
2. Косвенные методы определения несимметрии трехфазного напряжения в выпускаемых микропроцессорных мониторах не дают однозначного соотношения с симметричными составляющими напряжения обратной и нулевой последовательности, что в ряде случаев может приводить к повреждению защищаемого оборудования, в особенности асинхронных двигателей.
3. Выпускаемые мониторы напряжения не соответствуют ГОСТ 13109-97 по стойкости к грозовым импульсным напряжениям и в большинстве случаев – по стойкости к временным перенапряжениям. Мониторы напряжения не соответствуют также ГОСТ 51317.4.11 (МЭК 61000-4-11-94) по кратковременному прерыванию напряжения, а также по стойкости к воздействию электромагнитных помех, предусмотренных, в частности, для магнитных пускателей, на которые воздействуют мониторы напряжения (ГОСТ Р 50030.4.1-2002 – МЭК 60947-4-1).

Пути совершенствования
Приведем возможные, на наш взгляд, пути совершенствования мониторов напряжения по выявлению несимметричных режимов в низковольтных сетях:
– применение цифровой обработки информации с использованием цифровых фильтров симметричных составляющих напряжения обратной и нулевой последовательности, вычисление действующих значений этих напряжений и соответствующих коэффициентов несимметрии;
– использование аналого-цифровых методов обработки информации с аналоговыми фильтрами симметричных составляющих напряжения обратной и нулевой последовательности и цифровых методов определения действующих значений этих напряжений и соответствующих коэффициентов несимметрии напряжений;
– в трехпроводных сетях использование приближенной формулы по ГОСТ 13109-97 для вычисления цифровыми методами по действующим значениям междуфазных напряжений, напряжения обратной последовательности и коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности.

Литература
1. Крупень В., Козлов А. Защищать правильно. Такова задача монитора напряжения // Новости Электротехники. – 2004. – № 5(29).
2. Сушко В. Полноценная защита стоит дорого // Новости Электротехники. – 2004. – № 5(29).
3. Васин Е. Реле контроля фаз ЕЛ-11,12,13. Артефакт истории или взгляд в будущее? // Новости Электротехники. – 2004. – № 6(30).
4. Сушко В. Реле серии ЕЛ. Врожденные пороки вряд ли излечимы // Новости Электротехники. – 2004. – № 6(30).
5. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
6. Вагнер К.Ф., Эванс Р.Д. Метод симметричных составляющих. В применении к анализу несимметричных электрических цепей. Главная редакция энергетической литературы. – Л.-М., 1936.
7. ГОСТ Р 51317.4.11-99 (МЭК 61000-4-11-94). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к динамическим изменениям напряжения электропитания. Требования и методы испытаний.
8. ГОСТ Р 50030.4.1-2002 (МЭК 60947-4-1-2000). Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 4-1. Контакторы и пускатели.