Провал напряжения

Провал напряжения — внезапное понижение напряжения в точке элек­трической сети ниже 0,9Uном, за которым следует восстановление напряже­ния до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток вре­мени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд

Покажем как сказывается внезапные перерывы в электроснабжении на примере сельскохозяйственных потребителей.

Провал напряжения (рисунок 1) характеризуют глубиной δUп, длительностью ∆tn и частостью появления Fn

рисунок_84

Рисунок 1 — Схематический вид провала напряжения

Глубина провала рассчитывается по формуле

рисунок_83где Uном— номинальное напряжение, В; Umin — остаточное напряжение в точке контроля, В.

Длительность провала рассчитывается как разница между временем восстановления напряжения tк и временем начала провала напряжения tн

 Δtп=tк-tн

Установлено, что длительность восстанавливаемого провала напряжения не может превышать 30 с — об этом сказано в ГОСТ 13109-97

Частость появления провалов напряжения рассчитывается по формуле

рисунок_2

где m(δUп Δtп) — число провалов глубиной δUп и длительностью Δtп за рассматриваемый интервал времени Т; М — суммарное число провалов напряжения за рассматриваемый интервал времени Т.

В отличие от ранее рассмотренных ПКЭ, провалы напряжения являются совершенно случайными, но вероятными событиями и характеризуют анормальные режимы работы системы электроснабжения. Провалы напряжения характеризуют надежность электроснабжения, «оценивая» его бесперебойность, и возникают в любой сети. Первоначальной причиной провалов является попадание молнии в линию или на шины открытого распределительного устройства. При этом возникает короткое замыкание, срабатывают средства защиты оборудования и системы автоматики (АПВ, АВР). Провалы напряжения могут быть обусловлены ошибками персонала или ложными срабатываниями средств защиты и автоматики. Глубина провала в точке наблюдения (шины подстанции, зажимы электроприемника и т.п.) тем больше, чем ближе место повреждения к этой точке, длительность провала определяется совокупностью времени срабатывания средств защиты и автоматики, благодаря действию которых напряжение может быть восстановлено.

Провал напряжения может иметь несколько ступеней, когда напряжение восстанавливается до первоначального по мере восстановления исходной схемы, или переключений в схеме, связанных с присоединением резервных источников питания, что существенно влияет на восстановление функций электроприемников после воз­можного отказа, вызванного этим провалом.

Появление провалов неопределенно по месту и времени и поэ­тому относится к случайным событиям, вероятность которых должна рассматриваться как прогноз. Вероятность их появления определя­ется по результатам измерений и (или) расчетов, а ежегодная час­тость меняется в зависимости от типа системы энергоснабжения и точки наблюдения. Возможное число провалов напряжения за год может составлять от нескольких единиц до сотен в зависимости от грозовой активности в регионе, где расположена электрическая сеть.

На Земле одновременно происходят приблизительно 2000 гроз [1], вызывая около 100 разрядов молний ежесекундно. По поверхности земного шара грозы распределяются неравномерно. Частота их образования зависит от ряда факторов: географического положения и рельефа местности, времени года, времени суток. Интенсивность грозовой деятельности в какой-либо местности характеризуется средним числом грозовых часов в году [2]. В ряде стран пользуются другой характеристикой грозовой деятельности — годовым числом грозовых дней. Эти характеристики грозовой активности получают по данным многолетних метрологических наблюдений. Для практических задач важна удельная плотность ударов молнии в землю, т.е. годовое число ударов на 1 км поверхности. В России принято среднее число ударов молнии на 1 км поверхности земли за 100 грозовых часов. В среднем в европейской части число грозовых дней в году составляет от 15 до 35, а число ударов молнии за год — от 1 до 5 на 1 км площади.

Наиболее часто подвержены ударам молнии воздушные линии электропередачи. Общая длина линий напряжением 35—1150 кВ в стране достигла почти 800 тыс. км, а протяженность воздушных линий меньшего номинального напряжения исчисляется несколь­кими миллионами километров [3]. Очевидно, что, зная число уда­ров молнии в линии определенного напряжения, можно прогнозиро­вать число коротких замыканий, вызванных ими, и отключаемых автоматикой поврежденных линий и соответственно прогнозировать провалы напряжения.

Характеризуя надежность электрической сети как ее способность обеспечить бесперебойное электроснабжение, можно также считать, что провалы напряжения (кратковременные или длительные) явля­ются дополнительным критерием уровня надежности этой сети. Про­вал напряжения любой длительности и глубины свидетельствует не только о состоянии и исправности средств автоматики и защиты, но и о способности сети обеспечить резервное электроснабжение, не допуская при этом тепловой перегрузки ее оборудования (линий, трансформаторов и т.п.).

Основным видом повреждения линий сетей являются короткие замыкания. Короткие замыкания (КЗ) возникают достаточно часто при эксплуатации электрических сетей и электростанций. Короткие замыкания являются одной из основных причин нарушения нормального режима работы электроустановок, а в некоторых случаях и энергосистемы в целом. Короткие замыкания могут происходить через дугу или непосредственно, без переходного сопротивления, так называемые «металлические» КЗ.

В количественном отношении КЗ в сетях распределяются примерно следующим образом: однофазные — 65 %, междуфазные на землю —К(1.1) = 20 %, двухфазные — 10 % и трехфазные — 5 %.

На относительное число тех или иных видов повреждений и характер их протекания оказывают влияние рабочее напряжение, режим заземления нейтрали сети, время отключения повреждения и некото­рые другие факторы. Трехфазные КЗ являются редким видом повреж­дения, но их принято учитывать для сетей всех видов и напряжений. При увеличении номинального напряжения и расстояния между фазами вероятность возникновения таких КЗ резко уменьшается.

Влияние провалов напряжения на работу электроприемников

Влияние провалов напряжения на функционирование электропри­емников можно рассматривать в двух аспектах: влияние на техноло­гическое оборудование в промышленности, функционирование кото­рого, как правило, связано с качеством электроснабжения, и влияние на телекоммуникационные системы, системы микропроцессорного управления и информационные системы.

В промышленности наиболее распространенным видом электро­оборудования являются асинхронные и синхронные двигатели, исполь­зуемые в качестве приводов механизмов. Телекоммуникационные системы используются во всех сферах жизнедеятельности и в про­мышленности. Поэтому возможность нарушения условий нормаль­ного функционирования этих электроприемников всегда рассматри­вается с позиций надежности электроснабжения, перерыв которого, даже кратковременный, может привести к технологическому ущербу.

В этой связи из массы различных механизмов можно выделить некоторые, самозапуск которых применяется наиболее часто. В электроэнергетике, металлургии, химии, горнорудной про­мышленности особое значение приобретает запуск центробежных насосов, обеспечивающих перекачку воды и других технологических жидкостей. Прекращение этого процесса приводит к тяжелым ава­риям. Например, если насос в результате останова потерял воду, включится незаполненным, то это приведет к выходу его из строя. Это происходит при снижении скорости вращения привода до 50 % номинальной. При этом сохранение работоспособности насоса воз­можно только благодаря самозапуску его привода, который может быть успешным, если длительность провала напряжения не превы­шает 1—3 с.

Самозапуск асинхронных двигателей происходит успешней, чем синхронных, которые применяют в качестве привода для турбокомп­рессоров высокой производительности. Так, при достаточно длитель­ных провалах напряжения синхронный двигатель может потерять скорость вращения настолько, что его ресинхронизация будет невоз­можной и при самозапуске он может потерять устойчивость. В этих условиях самозапуск синхронных двигателей мощностью до несколь­ких сотен киловатт допускается при длительности перерыва электро­снабжения не более 1,5 с. При увеличении перерыва до 3 с самозапуск возможен только при закороченной обмотке возбуждения. Однако для двигателей мощностью 1 000—6 000 кВт из-за очень малого момента инерции и высокого коэффициента загрузки время достижения критического угла устойчивости не превышает 0,2 с. Во многих случаях это время меньше времени срабатывания комму­тационной аппаратуры.

Телекоммуникационные и информационные системы восприим­чивы ко многим видам помех и особенно к провалам напряжения. Чувствительность этих систем к такого рода помехам проявляется главным образом через их блоки питания. По надежности электро­снабжения телекоммуникационные и информационные системы отно­сятся к электроприемникам I категории, которые можно разделить на три группы: А, В и С. К электроприемникам группы А, перерыв элек­троснабжения которых недопустим, относятся : информаци­онно-вычислительные и телекоммуникационные системы, системы голосового оповещения и АТС, системы охранной и пожарной сигна­лизации, системы контроля и управления доступом, видеонаблюде­ния, освещение безопасности, системы диспетчерского управления.

 К электроприемникам группы В, длительность провала напряже­ния для которых допускается на время включения резервного источ­ника питания, относятся электроустановки, обеспечивающие охрану Зд0р0вья и жизни людей: пожарные насосы, системы дымоудаления и кондиционирования, холодильные камеры, сигнальные огни.

К электроприемникам группы С, перерыв электроснабжения кото­рых допускается на время устранения аварии, относятся технологи­ческие и инженерные системы, не вошедшие в группы А и В.

Средства защиты от провалов напряжения

Провал напряжения, рождаясь в недрах сети как случайное событие, достигает зажимов электроприемников с глубиной и длительностью, которые зависят от удаленности электроприемника от точки короткого замыкания и его вида, времени срабатывания защиты, отключающей повреждение на линии. Восстановление напряжения после провала наступает благодаря действию системы автоматического повторного включения (АПВ), а при неуспешном АПВ, при длительных провалах, благодаря устройствам автоматического ввода резервного питания (АВР).
В настоящее время ввиду широкого внедрения компьютерных и телекоммуникационных технологий сетевые средства защиты и автоматики не в состоянии защитить это оборудование от провалов напряжения. Сети, питающие такие технологические системы, требуют абсолютно бесперебойного электроснабжения. В таких сетях устанавливают источники бесперебойного питания, а при длительном исчезновении напряжения до нескольких десятков минут и более, — дизель-генераторные установки мощностью до нескольких сотен киловатт. Но применение таких дорогостоящих систем при стоимости резервных источников (ИБП и ДГУ) выше 20 % стоимости защищаемого оборудования и информации не рентабельно. Практика последних лет показывает, что этим критерием редко пользуются и руководствуются стоимостью ущерба, обусловленного потерей информации, требованиями безопасности, сохранения здоровья и жизни людей.

Список использованной литературы

1. Базуткин В. В. , Ларионов В. П. , Пинталь Ю. С. Техника высоких напряжений: изоляция и перенапряжения в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1986 г. 464 с.

2. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита.М.: Знак, 2003 г.330 с.

3. Электротехнический справочник: В 4 т. Т3. Производство, передача и распределение электрической энергии / Под общ. ред. проф. МЭИ. -8-е изд., испр. и доп. М.: Излательство МЭИ, 2002 г.