Провалы напряжения: введение

НП «Национальный центр меди»

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

При этом падение напряжения – относительно длительное по времени снижение напряжения, обычно осознанное мероприятие со стороны поставщика энергии с целью снижения нагрузки в период пика потребления или из-за необычного снижения возможного наличия энергии в сравнении со спросом на нее.

Электродвигатели, включая изделия с регулируемым приводом, особенно уязвимы перед провалами напряжения, поскольку нагрузка все еще требует энергии, которой, за исключением инерции движущихся частей, уже недостаточно. В системах с несколькими электроприводами управляющие элементы определив снижение напряжения могут подать сигнал на отключение двигателя при разных фактических значениях уменьшенного напряжения и применить различные величины замедления по сравнению друг с другом, что приведет к полной потере контроля за таким скоротечным процессом.

Оборудование для обработки цифровых данных также крайне чувствительно к провалам напряжения, поскольку это событие может привести и к потере данных, и снижает общую эффективность системы обработки цифровых данных. Цена последствий может быть весьма существенна и подробно рассматривается в Разделе 2.

Существуют две основных причины провалов напряжения: подключение значительных нагрузок потребителем или неисправности на смежных электрически связанных участках цепи.

Провалы, вызванные большими нагрузками

При включении больших нагрузок, как например, мощных электродвигателей, пусковые токи могут в разы превышать номинальные. А если цепи и кабельное хозяйство рассчитаны только на номинальные значения тока, пусковые токи вызовут снижение напряжения как в питающей сети, так и на стороне нагрузки. Масштаб явления связан с общим запасом сети по мощности, полным сопротивлением в точке общего подключения (PCC) и полным сопротивлением кабелей. Провалам, вызванным пусковыми токами электродвигателей, свойственны не слишком высокие значения уменьшения напряжения, но бо’льшая длительность, чем у тех, которые вызваны проблемами распределительной сети и длятся от одной до нескольких десятков секунд.

Проблемы у потребителя, вызванные сопротивлением кабелей, решаются относительно легко. Большие нагрузки можно напрямую подсоединить к источнику через точки общего присоединения (PCC) или вторичной обмотке питающего силового трансформатора. Если проблема вызвана полным сопротивлением в точки общего присоединения, т. е. недостаточной мощностью на стороне питания, то требуется принятие мер. Одним из решений может быть применение устройств «мягкого пуска», которые позволяют снизить абсолютные величины провалов напряжения, распределив дополнительную нагрузку во времени. Другим решением может быть устройство по согласованию с компанией-поставщиком питающих цепей с меньшим полным сопротивлением, хотя такое решение может оказаться весьма затратным. Если причину провалов напряжения устранить не удается, то необходимо оборудование, позволяющее компенсировать это явление. К числу таких устройств относятся традиционные механические стабилизаторы с сервоуправлением, электронные регуляторы напряжения и системы динамического восстановления напряжения (DVR).

Эти виды оборудования подробнее рассматриваются в Разделе 5.3.

Провалы сетевого происхождения

Распределительные сети очень сложны. Степень влияния повреждения на одном участке сети на другие ее части, именно величина провала напряжения и длительность, напрямую зависит от топологии сети, относительного значения полного сопротивления на проблемном участке, нагрузки и генератора в точке общего присоединения.

На рис. 1 представлен пример. Повреждение в точке F3 вызвало провал напряжения 0 % на нагрузке 3, провал 64 % на нагрузке 2 и провал 98 % на нагрузке 1.

Рисунок 1. Проиcхождение провалов напряжения

Проблема в точке F1 приведет к провалу напряжения у всех потребителей с величиной 0 % на нагрузке 1 и до 50 % на всех других. Обратите внимание, что повреждение на уровне 1 окажет большее влияние на большее число потребителей, чем повреждение на уровне 3. Нагрузки уровня 3, вероятно, будут подвержены большему числу провалов напряжения, чем нагрузки уровня 1, поскольку число участков с возможными проблемами больше – именно на уровнях 1 и 2.

Нагрузки на уровне 2 и 1 соответственно менее зависимы от проблем на уровне 3. Чем ближе нагрузка к источнику питания, тем меньше будут провалы напряжения.

Длительность провала напряжения зависит от времени реакции защиты на обнаружение и изолирование повреждения и составляет, обычно, несколько миллисекунд. Некоторые повреждения могут быть случайными, например, упавшее на воздушную линию дерево – такие проблемы устраняются быстро.

Если участок отключается на длительное время защитной автоматикой, то все потребители на нем обесточиваются до устранения проблемы, проверки и повторного подключения такого участка. Устройства автоматического повторного включения (АПВ) могут несколько облегчить ситуацию, но также могут привести и к учащению числа провалов напряжения. АПВ пытается восстановить питание в течение примерно одной секунды после срабатывания защитной автоматики. Если повреждение устранено, повторное включение завершится успешно, и питание аварийного участка будет восстановлено. Для такого участка в период между срабатыванием защиты и повторным включением величина провала напряжения составит 100 %, в то время как нагрузки на других участках испытают провал меньшей величины и длительности. В случае если повреждение к моменту повторного включения еще не устранено, то защитная автоматика сработает снова и это процесс будет продолжаться в соответствии с числом попыток, предусмотренных программой конкретного АПВ. Но при каждой попытке повторного включения на прочих участках вновь происходит провал напряжения, т. е. прочие потребители будут подвержены целой серии провалов. Оценка качества энергии от поставщика на нерегулируемых государством рынках частично, а в некоторых странах, как, например, в Великобритании, полностью осуществляется по среднему значению отсутствия питания у потребителя в минутах, причем в расчет обычно берутся перерывы только свыше одной минуты. Это послужило широкому распространению устройств АВП и, как следствие, увеличило вероятность провалов напряжения. Иначе говоря, снижение суммарного статистического времени перерыва подачи энергии осуществлено за счет ее качества.

Рисунок 2. Кривые СВЕМА

Рисунок 3. Кривые ITIC

Рисунок 4. Кривые ANSI

Чувствительность оборудования

Компьютеры стали неотъемлемым элементом любого хозяйственного процесса независимо от их вида – рабочие станции, серверы или управляющие модули. Они незаменимы в обработке потоков данных, системах связи различного типа. Именно повсеместное внедрение компьютерной техники высветило проблему провалов напряжения (и заодно почти все проблемы КЭ), и на заре компьютерной эры установки требовали больших усилий по обеспечению их непрерывного функционирования из-за тогда необъяснимого множества случайных отказов. Методом проб и ошибок были созданы так называемые кривые CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturers Association) (рис. 2), ныне известные как кривые ITIC (Information Technology Industry Council) (рис. 3), а ее варианты включены в стандарты IEEE 446 ANSI (рис. 4).

Интервал длительности события в части отклонения значения напряжения от номинала двумя сходящимися кривыми образует сегмент, в пределах которого при соответствующих отклонениях от номинального напряжения в течение определенного интервала времени компьютерное оборудование должно функционировать непрерывно и без потери данных. Применительно к провалам напряжения интерес представляет нижняя кривая. Эта линия и является границей между допустимыми и недопустимыми провалами напряжения по величине и длительности с точки зрения компьютерного оборудования.

В идеальном мире скорее такие кривые должны были бы описывать фактические показатели сети, а производители компьютерной техники подстраиваться под такие фактические данные. Проблема в том, что, если оборудование большинства производителей действительно укладывается в требования упомянутого стандарта, подобное нельзя сказать о фактических показателях электросетей.

Характеристики чувствительности оборудования

Блоки питания электронных приборов, компьютеров, например, имеют накопительный конденсатор для сглаживания двухполупериодных выпрямленных сигналов, поэтому они по определению устойчивы к провалам напряжения малой длительности. Чем больше емкость конденсатора и разница напряжения конденсатора и минимально необходимого для нормальной работы преобразователя напряжения, тем выше такая устойчивость. Конструкторы, тем не менее, стремятся снизить емкость такого конденсатора, поскольку нацелены на снижение размеров и веса изделия, полагаясь на минимально необходимые значения емкости и напряжения исходя из возможной комбинации максимума по нагрузке и минимума по напряжению на питании. Однако для действительно полноценной защиты от провалов напряжения требуется конденсатор с как минимум двойным запасом по емкости, чтобы выдержать один цикл провала и как минимум 100-кратным запасом для провала длительностью в одну секунду. Другой стратегией могут быть схемотехнические решения, рассчитанные на как можно меньшие допустимые значения напряжения по питанию. Соответственно запас «прочности» у оборудования, рассчитанного на 230 В больше, чем у оборудования, рассчитанного на 110 В. По умолчанию этот принцип применяется для оборудования, рассчитанного на эксплуатацию при различных номиналах напряжения. В принципе, не существует технических преград для создания блоков питания, устойчивых к провалам напряжения, просто потребители не поставили соответствующий вопрос перед производителями, и, разумеется, у таких решений есть своя цена. Тем не менее, затраты на защиту от провалов напряжения в этом направлении несоизмеримо меньше, чем затраты на предотвращение провалов напряжения на питающей сети.

Регулируемый электропривод может быть поврежден провалами напряжения, и изделия обычно снабжены детекторами напряжения с порогами срабатывания при 15–30 % падении напряжения. Регулируемый электропривод с улучшенными эксплуатационными свойствами будет предметом обсуждения в следующих Разделах настоящего Пособия.

Индукционные двигатели обладают инерцией, что помогает при провалах напряжения малой длительности, по сути возвращая в этом момент энергию. Однако при повторном разгоне энергию придется возместить, и если скорость вращения упала до 95 % от номинальной или ниже, то для разгона потребуется ток, почти равный пусковому. А поскольку в процесс вовлечены все двигатели одновременно, ситуация может усугубиться.

Реле и контакторы чувствительны к провалам напряжения и могут стать слабым звеном в цепи. Установлено, что устройство может разомкнуть цепь даже в случае, когда напряжение еще не снизилось до пороговой величины. Здесь имеет значение не только величина падения напряжения и интервал длительности, но и участок синусоиды в момент провала – наименьшая устойчивость наблюдается на гребне.

Ртутные источники света также уязвимы перед провалами напряжения. Так, разогретой лампе требуется более высокое значение стартового разряда, чем холодной, поэтому после провала напряжения погасшая лампа может не включиться. Значение критического провала напряжения для новой лампы может быть 45 %, а для старой – даже 2 %.

Большинство приборов и систем включают в себя один и более из упомянутых устройств, т. е. имеют определенную уязвимость перед провалами напряжения. На рис. 5 иллюстрируется, что дешевле и надежнее улучшать устойчивость к провалам напряжения соответствующего уязвимого оборудования, чем поступать также применительно ко всему процессу, всей электроустановке завода или распределительной сети. Как здесь видно, цена решения стремительно растет по мере удаления от оконечного оборудования и приближения к инфраструктуре сети.

Рисунок 5. Цена коррекции

Характеристики провалов происхождения по питанию

Как уже указывалось, вероятность возникновения провалов напряжения, их величина и длительность зависит от топологии сети в районе объекта. Хотя некоторые исследования на эту тему велись во многих странах, сегодня будет верным утверждение, что достоверной статистики для конкретных участков не существует. Это затрудняет выбор места для важных и критически важных объектов. Остается рассчитывать на общие принципы: так, расположение объекта ближе к генерационным мощностям с соединением подземными силовыми линиями среднего напряжения будет лучшим решением, чем удаленное от генерации расположение с воздушной линией. Вопрос только о количественной мере такого преимущества. Несложно оценить качество транспортной составляющей, например, и на самом деле это фактор становится решающим. А вот качество инфраструктуры энергоснабжения оценить куда сложнее. Также сложно решить вопрос оценки в «чистом поле», поскольку отсутствуют объекты сравнения. При этом именно в «чистом поле» и можно сразу создать действительно качественную инфраструктуру энергоснабжения, с «чистого листа», если, конечно, поставщик энергии настроен на конструктивное сотрудничество за ваш счет!

При этом даже те малые исследования, которые проводились, дают основание заключить, что провалы напряжения по причинам на стороне питания, как правило, имеют большие интервалы длительности и выходят за пределы упомянутых кривых.

На рис. 6 показана вероятная длительность и величина провала типичной распределительной сети. На том же рисунке для сравнения нанесены кривые ITIC.

Из схемы явно видно, что современному компьютерному оборудованию следовало бы быть в 100 раз качественнее, чем предполагается кривыми ITIC. А до тех пор, наверное, было бы правильно полагать, что такого действительно устойчивого к провалам напряжения компьютерного оборудования пока не производится.

Рисунок 6. Типичная характеристика провала и кривая ITIC

Сужая разрыв

Очевидно, что в бизнесе потребитель вправе ожидать достаточной устойчивости оборудования к типичным и характерным проблемам, но применительно к типичному ассортименту товаров это не относится. Как видно из рис. 5, стоимость коррекции свойств оборудования гораздо ниже, если реализуется на этапе проектирования и разработки изделия. А такой подход требует понимания природы явления и вероятности повреждения. А таковые знания зачастую отсутствуют. Но, повторим, это самый экономичный и рациональный путь.

Справедливости ради следует заметить, что отдельные производители все-таки признают проблему, но жестокая конкуренция, в первую очередь ценовая, вынуждает их прислушиваться к сформулированным требованиям потребителя. До тех пор, пока потребитель не сформулирует для себя уровень соответствующих требования, маловероятно ожидать предложения таких решения со стороны производителей. Исключения составляют производители регулируемого электропривода с улучшенной стойкостью к провалам напряжения.

Традиционным подходом является предложение дополнительного оборудования для поддержания мощности во время провала напряжения – о таком оборудовании мы расскажем в последующих Разделах. В случае маломощных нагрузок распространения получили ИБП как средство защиты от провалов, так и перерывов в энергоснабжении. Резервным источником питания обычно является химический источник тока, аккумулятор, в силу чего длительного эффективного резервирования от ИБП ожидать не приходится.

Обычно ИБП обеспечивает необходимое для аварийного, но штатного сворачивания текущих процессов, защищая таким образом данные. Но для повторного включения все равно потребуется значительное время. Иногда ИБП обеспечивает переключение питания аварийного генератора.

Для незначительных по величине потерь напряжения провалов применяются автоматические регуляторы напряжения (АРН), в том числе электромеханические и электромагнитные. Поскольку в этих устройствах нет необходимости применения запасания энергии, они могут быть эффективны в течение длительных интервалов как при провалах, так и при перенапряжении. АРН рассматриваются в Разделе 5.3.1.

Для значительных нагрузок или больших величинах провалов напряжения хорошо зарекомендовали себя системы динамического восстановления напряжения (DVR). Такие устройства соединены с нагрузкой и восполняют недостающую часть питания: при падении напряжения до 70 % DVR обеспечивает недостающие 30 %. DVR обеспечивают компенсацию в течение непродолжительного интервала, для чего используется запасенная энергия от мощных батарей, суперконденсаторов и даже маховиков. Эти устройства не могут использоваться для длительных периодов провалов или перенапряжения.

Заключение

Улучшение качественных характеристик сети с целью устранения провалов напряжения крайне затратно и практически неосуществимо. В некоторых случаях, где цель оправдывает затраты, организуют дублирования энергоснабжения от достаточно удаленных друг от друга участков сети, чтобы условно считать их электрически не связанными.

В большинстве же случаев требуется специальное оборудование, выбор которого велик в зависимости от вида нагрузки.

Самым экономичным способом противостоять провалам напряжения является выбор оборудования, устойчивого к провалам в силу своей конструкции, но такой способ не активно поддержан производителем.

Перепечатано с сокращениями из издания  Европейского института меди 

«Прикладное руководство по качеству электроэнергии» 

Перевод с английского Е. В. Мельниковой, Редактор перевода В. С. Ионов

¹ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» дает следующее определение провалу напряжения: «…Внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9 Uном, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд».