Кондуктивные электромагнитные помехи в системах электроснабжения. Учебное пособие

Каждый провал напряжения приводит к кратковременному сбою в работе технологического оборудования. Разные отрасли промышленности реагируют по-своему на это явление. Особенно ощутимо провалы напряжения влияют на так называемые «непрерывные технологические процессы» в химической промышленности, нефтепереработке, металлургической и других подобных отраслях, в отличие, например, от конвейера механосборочного производства, который можно остановить и запустить снова. В зависимости от типа производства нужно учитывать и защиту от провалов напряжения.

Вероятность внезапного прекращения подачи электроэнергии должна учитываться при разработке регламентов технологических процессов. Провалы напряжения в системах электроснабжения нельзя исключить полностью, но можно минимизировать ущерб от их влияния. Это достигается комплексом мероприятий в сетях внешнего и внутреннего электроснабжения. Для уменьшения провалов напряжения применяют:

маховик;

статический компенсатор;

параллельно подсоединенный синхронный двигатель;

преобразователь постоянного тока;

активный фильтр;

динамический компенсатор искажения напряжения;

источник бесперебойного питания;

активный регулятор напряжения.

Главным отличием активного регулятора напряжения (АРН) от источника бесперебойного питания (ИБП) является то, что недостающая энергия в АРН берется от системы питания, а в ИБП – от батарей. Этим и объясняется то, что АРН дешевле, чем ИБП, так как не требуются затраты на приобретение батарей. АРН компенсирует любые провалы напряжения со скоростью полуцикла. При эксплуатации ИБП огромное внимание следует уделять состоянию батарей, а в АРН нет накопителя энергии, поэтому нет необходимости часто его осматривать. Но если случится полное отключение энергии от потребителей, то питание может поддерживать только ИБП.

Можно сделать вывод, что провалы напряжения в электрических сетях представляют опасность для работы потребителей. На предприятиях должна быть установлена защита от провалов напряжения. Она зависит от характера производства и его технологического процесса.

11

Провалы напряжения обычно происходят из-за неисправностей в электрических сетях или в электроустановках потребителей, а также при подключении мощной нагрузки. Провал напряжения, как правило, связан с возникновением и окончанием короткого замыкания или иного резкого возрастания тока в системе или электроустановке, подключенной к электрической сети. В соответствии с требованиями ГОСТ 32144–2013 провал напряжения рассматривается как электромагнитная помеха, интенсивность которой определяется как напряжением, так и длительностью. Длительность провала напряжения может быть до 1 мин. В трехфазных системах электроснабжения за начало провала напряжения принимают момент, когда напряжение хотя бы в одной из фаз падает ниже порогового значения начала провала напряжения; за окончание провала напряжения принимают момент, когда напряжение во всех фазах возрастает выше порогового значения окончания провала напряжения.

Перенапряжения. Перенапряжения, как правило, вызываются переключениями и отключениями нагрузки. Перенапряжения могут возникать между фазными проводниками или между фазными и защитным проводниками. В зависимости от устройства заземления короткие замыкания на землю могут также приводить к возникновению перенапряжения между фазными и нейтральным проводниками. В соответствии с требованиями настоящего стандарта перенапряжение рассматривается как электромагнитная помеха, интенсивность которой определяется как напряжением, так и длительностью. Длительность перенапряжения может быть до 1 мин.

Определение и оценка провалов напряжения и перенапряжений.

Оба явления – провалы и перенапряжения – непредсказуемы и в значительной степени случайны. Частота возникновения их зависит от типа системы электроснабжения, точки наблюдения, времени года.

Провал напряжения (рис. 2.3) характеризуется показателем длительности провала напряжения, для которого установлена следующая норма: предельно допустимое значение длительности провала напряжения в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с. Длительность автоматически устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к электрическим сетям определяется выдержками времени релейной защиты и автоматики.

Провалы напряжения – внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90 % Uном) длительностью от нескольких периодов до

нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения.

12

Провалы и прерывания напряжения классифицируют в соответствии с табл. 2.1 и 2.2. Цифры, помещаемые в ячейки таблицы, отражают число соответствующих событий.

Таблица 2.1

Классификация провалов напряжения по остаточному напряжению и длительности

Таблица 2.2

Классификация кратковременных прерываний напряжения по длительности

Провалы и прерывания напряжения измеряют в соответствии с ГОСТ 30804.4.30 на основе измерений среднеквадратических значений напряжения, обновляемых для каждого полупериода. Параметрами провалов, прерываний напряжения, являющимися объектами рассмотрения в указанном стандарте, являются остаточное напряжение и длительность. В электрических сетях низкого напряжения, четырехпроводных трехфазных системах учитывают фазные напряжения; в трехпроводных трехфазных системах учитывают линейные напряжения; в случае однофазного подключения учитывают питающее напряжение (фазное или линейное в соответствии с подключением потребителя). Пороговое значение начала провала напряжения принимают равным

14

90 % опорного напряжения. Пороговое значение начала прерывания напряжения принимают равным 5 % опорного напряжения.

Примечание. При измерениях в многофазных системах рекомендуется определять и записывать число фаз, затрагиваемых каждым событием. Для электрических сетей трехфазных систем следует использовать сбор данных по всем рассматриваемым фазам, который заключается в определении эквивалентного события, характеризующегося одной длительностью и одним остаточным напряжением.

Временные перенапряжения. Временным перенапряжением считается превышение амплитудных значений напряжения более чем на

10 % номинального, равного 2 Uном . Причем длительность такого

превышения для исключения влияния коммутационных импульсов должна составлять более 40 мс.

Временное перенапряжение характеризуется коэффициентом временного перенапряжения:

где Ua max − максимальное амплитудное напряжение из ряда превы-

шающих 1,1 2 Uном .

Вспомогательным параметром временных перенапряжений является их длительность tперU .

Значения коэффициента временного перенапряжения в зависимости от его длительности обычно не превышают значений, указанных в табл. 2.4.

15

Таблица 2.4

Значения коэффициента временного перенапряжения

В среднем за год в сетях 0,38 кВ с глухозаземленной нейтралью возможны до 30 временных перенапряжений. При обрыве нулевого проводника в этих сетях могут возникнуть временные перенапряжения между фазой и землей вплоть до междуфазного напряжения.

Временное перенапряжение – повышение напряжения электрической сети выше 1,1Uном продолжительностью более 10 мс, возника-

ющее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Временное перенапряжение

16

Перенапряжения определяют в соответствии с ГОСТ 30804.4.30, (подраздел 5.4) на основе измерений среднеквадратических значений напряжения, обновляемых для каждого полупериода. Пороговое значение начала перенапряжения принимают равным 110 % опорного напряжения. В среднем за год в точке присоединения возможно около 30 перенапряжений. При обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухозаземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей.

Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений линейного напряжения, а длительность – нескольких часов. В системах низкого напряжения при определенных обстоятельствах неисправность, произошедшая выше трансформатора, может вызвать временные перенапряжения на стороне низкого напряжения на время, в течение которого протекает ток, вызванный неисправностью. Такие перенапряжения в общем случае не превышают 1,5 кВ. Для систем среднего напряжения ожидаемая величина такого перенапряжения зависит от типа заземления в системе. В системах с жесткозаземленной нейтралью или с заземлением нейтрали через сопротивление перенапряжение обычно не превышает

1,7Uc . В системах с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через реактор перенапряжение обычно не превышает 2,0Uc .

Тип заземления указывается оператором сети.

Длительностью временного перенапряжения называется интервал времени между начальным моментом возникновения временного перенапряжения и моментом его исчезновения:

Коэффициент временного перенапряжения стандартом также не нормируется.

Значения коэффициента временного перенапряжения в точках присоединения электрической сети общего назначения в зависимости от длительности временных перенапряжений не превышают значений, приведенных в табл. 2.5.

17

Таблица 2.5

Зависимость коэффициента временного перенапряжения от длительности перенапряжения

Временные перенапряжения могут вызывать в системах электроснабжения нарушения работы различного электрооборудования. Так, например, перенапряжение величиной 1,5 кВ длительностью 3 с может вызвать перегорание ламп в системах электрического освещения. Перенапряжения, проникающие из высоковольтных сетей в сети 380/220 В, могут вызвать отказ или сбой в работе различного электрооборудования.

Перенапряжения при работе выключателей. Процесс коммутации сопровождается возникновением и гашением дуги в выключателе. В вакуумных и воздушных выключателях, широко распространенных на предприятиях, дуга не стабильна при малых токах. Прекращение разряда в вакууме приводит к срезу тока до его естественного перехода через нуль. При этом могут возникать перенапряжения, обусловленные срезом тока, многократными повторными зажиганиями и трехфазным одновременным отключением. Эти коммутационные перенапряжения приводят к пробою изоляции электрооборудования и могут стать причиной сбоев в работе ЦТС.

При отключении больших токов (>100 А) гашение дуги происходит при естественном переходе тока через нуль. Опасных перенапряжений при этом не возникает, а восстанавливающее напряжение не превосходит двойной амплитуды рабочего напряжения сети.

При отключении малого тока (< 25 А) часто возникают срезы тока – досрочный переход тока через нуль – в любой точке синусоиды. Такой случай имеет место, например, при отключении холостого хода трансформатора (или шунтирующего реактора): ток холостого хода трансформатора в пределах единиц или десятков ампер, емкость

18

трансформатора очень мала, а его индуктивность рассеяния достаточно велика:

Аналогичным образом протекают процессы при отключении БК. Ниже представлены характеристики выключателей, широко при-

меняемых в системах электроснабжения предприятия.

Из приведенных данных видно, что время коммутации воздушных, элегазовых и вакуумных выключателей существенно меньше, чем масляных. Из-за этого коммутация сопровождается возникновением импульсов напряжения и тока, имеющих крутой, почти отвесный фронт.

Возникновение коммутационных перенапряжений в сетях предприятий связано с оперативными и аварийными коммутациями отдельных элементов сети.

Отключение индуктивных нагрузок (ненагруженных трансформаторов, реакторов, электродвигателей) ведет к возникновению перенапряжений на них, а также на выключателе и кабельной линии между ними. Природа этих перенапряжений заключается в переходе запасен-

ной в индуктивностях электромагнитной энергии (LI 2 / 2) в электри-

ческую (CU 2 / 2) . Причем перенапряжения обычно не превышают значения 2,0...2,5Uф .

Перенапряжения при коммутации электродвигателей. На пред-

приятиях значительную часть нагрузки составляют высоковольтные двигатели.

Отключение электродвигателей сопровождается перенапряжениями, обусловленными отключением пускового тока (аналогично отключению намагничивающих токов трансформаторов и реакторов).

19

При работе двигателя в его индуктивности рассеяния запасается магнитная энергия:

где LS – индуктивность рассеяния двигателя; icp – ток среза.

Переход магнитной энергии в электрическую (и наоборот) сопровождается перенапряжениями в виде высокочастотных колебаний.

Перенапряжения определяются выражением

кость системы кабель–двигатель.

Максимальные перенапряжения генерируются на двигателях сравнительно малой мощности, у которых волновое сопротивление рассеяния имеет большее значение.

Перенапряжения при коммутации фильтрокомпенсирующего уст-

ройства (ФКУ).Для снижения коэффициента несинусоидальности в сетях электроснабжения предприятий широко применяются резонансные фильтры высших гармоник. При коммутациях этих ФКУ могут возникать перенапряжения.

Схема замещения для расчета переходных процессов показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схема замещения для расчета перенапряжений в сетях с ФКУ

20