Цена низкого качества электроэнергии

Д. Чэпмэн, Ассоциация развития меди (Великобритания) и Европейский институт меди

По имеющимся оценкам, проблемы качества электроэнергии обходятся промышленности и в целом деловому сообществу Европейского Союза (EC) около 10 млрд евро в год, в то время как затраты на превентивные меры составляют менее 5 % от этой суммы. Вопрос очевиден: «Сколько средств следует инвестировать в превентивные меры, чтобы рационально и эффективно предупредить риск сбоя?» Ответ зависит от природы бизнеса. Первым шагом является понимание природы проблем и оценка отношения каждой из них к конкретному производству, бизнесу или их части, а также оценка возможных потерь.

Гармонические искажения

Гармонические искажения, вызванные нелинейной нагрузкой на систему электропитания, приводят к появлению в системе токов большей амплитуды, чем ожидалось, с содержанием гармоник. Эти токи не могут быть адекватно измерены с помощью недорогих переносных контрольных приборов, широко используемых многими специалистами по установке и эксплуатации, что приводит к значительному занижению уровней токов – иногда на 40 %. Только эта погрешность в величине может привести к тому, что в электроустановках используются проводники недостаточных номиналов. Даже если значение тока находится в пределах возможности устройства защиты от сверхтоков, проводники фактически работают при более высоких температурах, что увеличивает потери энергии – обычно около 2–3 % от величины нагрузки. Часто порог срабатывания устройства защиты от сверхтоков слишком близок к реальному току нагрузки (потому что он был занижен), поэтому цепь подвержена аварийному отключению.

Компоненты гармонической частоты значительно повышают потери из-за увеличения вихревых токов в силовых трансформаторах, потому что подобные потери пропорциональны квадрату значения частоты.

При росте потерь вырастает и фактическая рабочая температура трансформатора, что значительно сокращает срок его службы. Даже умеренно загруженные трансформаторы, применяемые в области информационных технологий, будут иметь гораздо меньший срок эксплуатации, если не будут приниматься соответствующие меры предосторожности.

Экономическими последствиями гармонических искажений являются более короткие сроки эксплуатации оборудования, снижение энергоэффективности, а также тенденция к необоснованным аварийным отключениям. Стоимость аварийного отключения, как и любого другого незапланированного ограничения, может быть весьма значительной. Сниженный эксплуатационный срок оборудования, возможно, очень дорого обойдется владельцу. Обычно предполагается, что трансформаторы служат от 30 до 40 лет, и необходимость замены через 7–10 лет может иметь серьезные финансовые последствия. Стоимость предотвращения таких неприятных последствий относительно невелика и требует лишь правильных подходов при установке и монтаже и оптимального подбора оборудования. Например, выбор кабелей с запасом на 1–2 значения номинала больше, чем расчетно-минимально требуемых, сокращает потери и эксплуатационные расходы при крайне незначительном увеличении стоимости электроустановки.

Системные аварии

Системные аварии являются самыми фундаментальными проблемами в контексте качества электроэнергии и длятся от нескольких секунд до нескольких месяцев. В Великобритании средняя системная авария продолжается 100 мин. и случается каждые 15 месяцев; отдельные случаи могут длиться недолго, но происходить более часто. Конечно, не только система энергоснабжения является источником сбоев.

Внутри электроустановок здания или предприятия находится множество зон, где неисправность отдельного компонента, кабеля или соединения может вызвать полное отключение.

Для защиты от полного отключения энергоснабжения следует проводить два типа мероприятий. Система должна быть спроектирована так, чтобы избегать отдельных узких мест или по крайней мере тех, которые представляют наибольший риск в части влияния на всю установку. Кроме того, должны быть предприняты меры по определению необходимости наличия резервных аварийных источников и способов энергоснабжения. Необходимые методы не сложны и не особенно дороги, но могут оказать неоценимую помощь.

Как всегда, подобные методы обходятся дешевле при интеграции в проект еще на стадии проектирования, чем «задним числом» на стадии пуска электроустановки. Резервные источники энергии могут дорого стоить как при покупке, так и в эксплуатации. К примеру, нет смысла иметь запасной генератор, если он не готов к немедленному пуску. Должны быть тщательно взвешены необходимость, а также тип требуемого аварийного (резервного) источника. При оценке экономической целесообразности вложения средств в собственные генерирующие мощности следует помнить, что после запуска они будут защищать от сбоев централизованного энергоснабжения в течение многих лет.

Для энергоемких отраслей промышленности, таких как производство стали или бумаги, требуется второй источник электроснабжения из другой зоны энергосистемы, так чтобы снизить вероятность влияния отдельного сбоя на оба источника. Альтернативой, возможно, является местный независимый источник требуемой мощности, если имеются соответствующие запасы топлива. В любом случае начальная стоимость таких мероприятий дублирования и резервирования будет очень высокой, но таким же значительным является и потенциальный вред от системной аварии в подаче электроэнергии. Производство бумаги, к примеру, является непрерывным процессом, требующим точного контроля скорости вращения сотен валов в устройстве длиной свыше 500 м. Любой сбой в подаче электроэнергии, даже снижение напряжения, приведет к потере синхронизации и остановке процесса. Вся частично обработанная бумага и целлюлозная масса должны быть удалены из оборудования и прилегающей зоны перед новым запуском. На это может уйти несколько часов. Кроме потерь в объемах производства, бесполезной траты сырья и рабочей силы, очень важным является неспособность выполнить обязательства перед потребителями. Газетная бумага, например, используется в таких объемах, что для поставщика и потребителя является невозможным хранить резервный запас. Она необходима к определенному сроку, и имеет крайне короткий жизненный цикл – лишь несколько дней. Неспособность производителя бумаги доставить продукт даже в единичном случае означает, что издатель не сможет напечатать, скажем, тираж вечерней газеты, а т. к. вчерашние новости не имеют никакой ценности (но приводят к значительным затратам), налицо несколько ощутимых дополнительных финансовых последствий: подобная ситуация может привести к замене поставщика или изменению контрактных условий поставки, к примеру, к добавлению статей о штрафных санкциях.

Для меньших по масштабу энергопотребления предприятий, возможно, имеет смысл иметь собственный генератор для управления важным оборудованием во время системных аварий, а также для снижения затрат на энергию в период тарифных максимумов. Это требует меньших затрат, но стоимость также следует оценивать по сравнению с риском сбоя и его последствий в энергоснабжении – сравнительная оценка, которая может быть сделана только самой организацией. Следует помнить, что резервный генератор требует некоторого времени для запуска, поэтому для чувствительных к сбоям объектов и приборов требуется дублирующий источник непрерывного энергоснабжения, такой как UPS (система бесперебойного электропитания). UPS-устройства обладают ограниченными мощностными параметрами, поэтому важно использовать их только для критически важных объектов нагрузки, например, для работы серверов компьютерных сетей и важных рабочих станций.

Как всегда, существенное значение для успешного применения имеет достаточное и своевременное профилактическое обслуживание в периоды ожидания.

Падения напряжения, или провалы

Падениями напряжения называются кратковременное уменьшение в амплитуде (СКЗ RMS) напряжения, которые длятся от доли секунды до нескольких секунд. Провалы характеризуются по продолжительности и падению напряжения, т. е. величине номинального напряжения (СКЗ), которое остается во время падения (%). Следует обратить внимание на то, что очень короткий, но полный сбой в электроснабжении учитывается в статистике как падение напряжения.

Кривая Совета информационных технологий (ITIC), ранее известная как кривая Ассоциации производителей компьютеров и оборудования для офисов (CBEMA), описывает терпимость оборудования к возмущениям напряжения любых типов (рисунок). Сплошные линии показывают максимальное и минимальное напряжение, не приводящее к сбою в работе оборудования по отношению к времени. К примеру, для оборудования для обработки данных допускается повышенное напряжение, в 5 раз превышающее номинальное на протяжении 100 мкс, но только 20 % повышенного значения напряжения на протяжении 10 мс. Что касается пониженного напряжения, полная потеря электроснабжения допускается на протяжении промежутка времени до 20 мс (один цикл), но для 100 мс минимальное удержанное напряжение должно составлять не менее 70 % от номинального. Кривая изначально была создана для того, чтобы помочь пользователям компьютерного оборудования решить споры и проблемы, связанные с качеством электроэнергии, с поставщиками электричества. После введения некоторых стандартных требований применительно к типовым компонентам и оборудованию стало гораздо легче определять путем местных замеров, было ли качество электроэнергии допустимым или нет. Отметим, что кривая ITIC представляет слишком оптимистичный взгляд на деструктивные возможности сетей электроснабжения!

Рисунок. Кривая ITIC

Часто падения напряжения вызваны авариями в сетях электроснабжения, а величина падения зависитот относительного местоположения генератора и точки аварии и измерения. Официальная статистика по степени серьезности и распределению падений напряжения отсутствует, но в настоящее время проводятся некоторые измерения среднего масштаба, которые, по ожиданиям, дадут ценную информацию. В исследовании, проведенном одним из основных производителей электроэнергии, замерялись перепады напряжения на 12 участках мощностью от 5 до 30 MВ•A. За 10 месяцев было зафиксировано 858 перепадов, 42 из которых привели к сбоям и финансовым потерям. Хотя на всех этих 12 участках потребителями были низкотехнологичные производства товаров с невысокой добавленной стоимостью, финансовые потери достигли 600 000 евро (в среднем 14 300 евро за один случай или 50 000 евро на участок), а самая большая цифра индивидуальных убытков равнялась 165 000 евро. Очевидно, что заводы, производящие продукцию с высокой добавленной стоимостью, для которых необходимы многоэтапные производственные процессы, столкнулись бы с более высокими потерями. В таблице приведены некоторые типичные величины.

Это огромные затраты на то, что может показаться незначительным событием, продолжающимся менее секунды. Проблема заключается в том, что из-за того, что реакция отдельных компонентов системы, таких как оборудование для обработки данных или электропривода с переменной скоростью, на падения не определена, то невозможно предсказать или контролировать аномальное поведение всей системы. Для непрерывных процессов, таких как производство бумаги, последствия падения настолько же серьезны, как и полное отключение, с теми же затратами на очистку, потерями сырья и объемов производства. Для компьютеризированных процессов время, необходимое для повторного запуска огромного количества рабочих станций и восстановления приостановленных транзакций и несохраненных документов, может занять несколько часов. Производство полупроводников особенно чувствительно, т. к. для производства пластин для микрокомпонентов необходимо около двух дюжин производственных этапов, которые должны быть осуществлены в течение нескольких дней. Если пластина портится ближе к концу процесса, вся ценность выполненной работы теряется. Скорость разработки полупроводников в настоящее время настолько высокая, конкуренция настолько сильная, а цикл эксплуатации продукта настолько короткий, что потеря продукта является предметом острого беспокойства не только поставщиков, но также и потребителей, которые, в свою очередь, не смогут производить и поставлять свои собственные продукты.

Неавтономное непрерывное электроснабжение, при котором резервный аккумулятор постоянно заряжаемой от самого источника электроэнергии, само по себе обеспечивает иммунитет от падений напряжений. Автономные устройства сглаживания менее надежны, потому что отсутствие или падение напряжения должно быть установлено до того, как будет подключен резервный источник. Если порог обнаружения занижен, UPS часто включается и выключается без надобности, в то время как если этот порог слишком высок, разрушительные падения не будут сглажены. Перед выбором конкретного устройства сглаживания перепадов напряжения следует подробно изучить спецификации.

Скачки напряжения

Скачки напряжения – это перепады напряжения с очень короткой продолжительностью (до нескольких миллисекунд), но с высокой мощностью (до нескольких тысяч вольт) с очень быстрым временем нарастания. В большинстве случаев скачки напряжения появляются в результате удара молнии или подключения тяжелых или реактивных нагрузок. Вследствие высоких частот, вовлеченных в данный процесс, они значительно понижаются в процессе распространения по сети так, что то напряжение, которое возникает рядом с интересующей точкой, будет гораздо выше, чем то, которое возникает дальше от нее. Защитное устройство в сети гарантирует, что скачки напряжения в целом поддерживаются на безопасном уровне, и большинство проблем возникает вследствие того, что источник скачка напряжения находится рядом или внутри установки.

Повреждение, которое возникает в результате, может быть мгновенным, такое как катастрофический сбой в работе электростанции, или устройств, или искажение данных в компьютерах или в кабельной системе сети, или оно может прогрессировать так, что каждое последующее событие еще больше повреждает изоляционные материалы, пока не происходит катастрофический сбой. Следует учитывать стоимость замены вышедшего из строя оборудования, а также стоимость вынужденного простоя.

Защита стоит относительно дешево. Основное требование – система заземления установки должна быть спроектирована так, чтобы у нее был низкий импеданс в широком диапазоне частот, с хорошим контактом низкого импеданса с электродной системой заземления. Система молниезащиты должна быть спроектирована должным образом, с учетом местных факторов, таких как, например, число грозовых дней в году. Защита от скачков напряжения должна быть установлена на входе всех питающих проводников, включая телефонные линии и другие коммуникации. Производитель должен обеспечить, чтобы подавление скачков происходило на коммутационной аппаратуре, а также должны проводиться эффективные эксплуатационные мероприятия для гарантии того, что подавление будет эффективным.

Заключение

Бизнес-риск, который представляют собой проблемы качества электроэнергии, вполне реален, и даже низкотехнологичные отрасли несут серьезные финансовые потери. С другой стороны, превентивные меры обходятся относительно дешево и варьируются от просто хорошей практики и методов проектирования до установки широко распространенного вспомогательного оборудования.

Перепечатано с сокращениями из издания Европейского института меди «Прикладное руководство по качеству электроэнергии» в рамках программы Европейской комиссии «Leonardo» www.lpqi.org

Перевод с английского Е. В. Мельниковой.

Редактор перевода В. С. Ионов