CC BY
471
Dmitriev Anton Mikhailovich, magister, kafelene@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.331
ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
С.В. Ершов, Б. А. Жабин
Рассмотрены методы и модели анализа электрических сетей, в которых возникают провалы напряжения. В основу методики определения параметров напряжения положен комбинированный способ.
Ключевые слова: электроснабжение, напряжение, провал напряжения, моделирование, проектирование.
Обычно провалом напряжения называют кратковременное снижение или полную потерю напряжения. С физической точки зрения это означает, что требуемая энергия не поступает к нагрузке. Такое явление может привести к серьезным последствиям. Параметрами провала напряжения являются его длительность Atn и величина остаточного напряжения dUn, выражаемая в процентах от номинального (рис.1). В большинстве случаев падением напряжения будет являться относительно длительное его снижение. Такой способ применяют для уменьшения нагрузки в периоды максимума потребления энергии или уменьшения возможного ее наличия в сравнении со спросом.
Считается, что электродвигатели, в том числе и установки с регулируемым приводом, наиболее подвержены влиянию провалов напряжения из-за того, что нагрузке необходима энергия, которой уже недостаточно. При этом исключением будет являться инерция движущихся частей. Если в системе несколько электроприводов, то управляющие элементы могут управлять отключением двигателя с различными значениями напряжения и применять различные принципы замедления. Это ведет, например, к потере контроля за процессами непрерывных производств чугуна.
На данный момент признаны две основные причины провалов напряжения, а именно подключение значительных нагрузок потребителем или неисправности на смежных электрически связанных участках цепи. При запуске электродвигателей, имеющих значительную мощность, пусковые токи могут в разы превышать номинальные. В случае расчета подключенного кабеля на номинальную мощность пусковые токи приводят к снижению напряжения как в питающей сети, так и на стороне нагрузки.
97
и
Аі п
Рис.1. Возникновение провала напряжения
Для измерения длительности провала напряжения ДtTl (рис.1) фиксируют начальный момент времени резкого спада (с длительностью менее 10 мс) огибающей среднеквадратических значений напряжения, определенных на каждом полупериоде основной частоты, ниже уровня 0,9ином. Регистрируют конечный момент времени ¡к восстановления среднеквадратичного напряжения до 0,9 Uн0м. На конечном этапе определяется длительность провала напряжения Д^ по соотношению [1]
= ¡к - ¡к , (1)
где t н, t к - начальный и конечный моменты времени провала напряжения.
Глубину провала напряжения 5ип в процентах (рис.1) определяют следующим образом. Выполняют замеры среднеквадратичных значений напряжения за каждый полупериод основной частоты во время провала напряжения в вольтах, киловольтах. Определяют минимальное из всех измеренных среднеквадратичных значений напряжения и^. Далее проводят вычисление глубины провала напряжения ди в процентах по формуле
дип = Пн и™п ■ 100 % (2)
п и
ном
Частоту появления провалов напряжения в процентах принято рассчитывать по выражению [1]:
_ = т (ди п )
п М ’
где т (дип ,Д) - число провалов напряжения глубиной дип и длительностью Д1 п; М - суммарное число посадок за период времени наблюдения.
Величина значений провалов напряжения может быть определена запасом сети по мощности, сопротивлением кабельных линий и точки общего подключения. Посадкам, вызванным пусковыми токами двигателей, свойственны невысокие значения уменьшения напряжения, но большая длительность, чем у тех, которые вызваны нарушениями в распределительной сети. Такие провалы продолжаются от одной до нескольких десятков секунд.
Если в сети имеются проблемы из-за сопротивления кабелей, то они решаются относительно просто. Значительные нагрузки могут быть определены при подключении к источнику через точки общего доступа или вторичной обмотке питающего силового трансформатора. В случае проблемы из - за сопротивления либо из-за недостаточной мощности на стороне питания необходимо принятие особых мер. В данном случае может быть применено устройство для «мягкого пуска». Данные устройства позволяют снизить амплитуду величины провалов напряжения, рассредоточив дополнительную нагрузку во времени. Так же могут быть использованы питающие цепи с меньшим полным сопротивлением. Но в действительности такое решение бывает весьма затратным. Если провалы невозможно устранить, то нужно применять оборудование, дающее возможность компенсировать или минимизировать это явление. На сегодняшний день это могут быть механические стабилизаторы с сервоуправлением, электронные регуляторы и системы с динамическим восстановлением напряжения.
Необходимо отметить, что распределительные сети электроснабжения металлургических предприятий очень сложны. Уровень влияния повреждения участков друг на друга зависит от конфигурации сети, относительного значения общего сопротивления на аварийном участке, нагрузки и генератора в точке, где есть подсоединение. На рис. 2 показан пример возникновения и развития провалов напряжения в типовой распределительной сети. В примере повреждение в точке 2 привело к провалу глубиной 100 % на нагрузке №3, 36 % - на нагрузке №2 и 2 % - на нагрузке №1. Авария в точке 1 вызывает провал напряжения у остальных потребителей с величиной 100 % на нагрузке №1 и до 50 % — на всех остальных участках сети, показанный в примере.
Генератор
Генератор
Потребители 1
Потребители 2
Потребители 3 Остальные потребители
Рис.2. Образование и протекание провалов напряжения в обобщенной распределительной электрической сети
Нужно заметить, что авария на секции I влияет на большее число потребителей, чем на секции II, где нагрузки подвержены большему числу провалов напряжения. Поэтому чем более близко расположена нагрузка к источнику питания, тем меньше будет значение глубины провалов напряжения. Продолжительность посадки находится в зависимости от времени реакции защиты на установление и определение повреждения. В большинстве случаев оно составляет несколько миллисекунд. Часто повреждения могут оказаться случайными, в данных ситуациях их необходимо устранять как можно скорее.
Если участок сети отключен релейной защитной или автоматикой на большой промежуток времени, то приемники электропитания отключаются до устранения аварии и повторного ввода. Устройства автоматического повторного включения (АПВ) способны частично решить проблему, но в то же время часто могут привести к увеличению числа провалов напряжения. АПВ рассчитано на восстановление питания в течение примерно одной секунды, как только сработает автоматика. Если аварийная ситуация устранена, то повторное включение завершится удачно, и электроснабжение аварийного участка будет восстановлено. Тем не менее, во время между срабатыванием защиты и повторным включением величина провала напряжения может достигнуть 100 %. На других участках может возникнуть провал меньшей величины и длительности. Если повреждение к моменту повторного включения не будет устранено, то защитная автоматика сработает снова. Ситуация будет повторяться в зависимости от числа
100
попыток, предусмотренных алгоритмом АПВ. Каждый раз при повторном включении на других участках вновь будет возникать посадка, т.е. на остальные приемники будут действовать повторные провалы.
Качество электроэнергии от поставщика, как правило, полностью определяется по среднему значению перерывов питания у потребителя в минутах. К тому же в расчетах учитываются нарушения подачи питания только свыше одной минуты. Это повлияло на повсеместное использование устройств АПВ и, как следствие, привело к увеличению вероятности провалов напряжения. Другими словами, уменьшение времени перерыва подачи электроэнергии достигнуто за счет ее качества.
100
75
50
25
^ 2 V I— Ґ ГГ—
\ \ --1 і / ' 1 •
\ \ N / /.' —3
* • /
0,001
0,01
0,1 1
10
t,c
100
Рис.3. Вероятная продолжительность и показатели глубины провалов напряжения для типовой распределительной сети: 1- кривая 1Т1С;
2 - типичная кривая посадки напряжения; 3 - требуемый уровень
допуска провала
Как было показано ранее, вероятность появления провалов напряжения, их величина и продолжительность зависят от конфигурации сети в районе объекта. Проведенные исследования показали, что будет верным утверждение - достоверной статистики для конкретных участков не существует. Поэтому все основывается на общих принципах - близость объекта к питающим мощностям с соединением подземными силовыми линиями среднего напряжения. На рис. 3 показаны вероятная продолжительность и значение провала типовой распределительной сети. Здесь же нанесены и кривые ITIC Международного совета по информационной промышленности и технологиям (Information Technology Industry Council). Из рис. 3 видно, что современное оборудование должно было бы быть на порядок качественнее, чем показано на кривых ITIC. Таким образом, электрооборудование, которое устойчиво к провалам напряжения, на данный момент пока
не выпускается нашей промышленностью.
Чтобы защитить ответственные приемники производства чугуна от глубоких провалов напряжения, необходимо внедрять системы динамического восстановления напряжения. Системы подключаются к нагрузке и компенсируют недостающую часть энергии. При снижении напряжения до 70 % оставшиеся 30 % обеспечиваются компенсацией в течение короткого интервала, для чего применяется запасенная энергия от мощных батарей, очень мощных конденсаторов, а также и маховиков. Но перечисленные устройства не могут быть использованы для защиты от длительных провалов напряжения [2,3].
Повышение качественных показателей сети с целью уменьшения провалов напряжения очень дорогостоящее и трудно осуществимое. В ряде случаев осуществляется дублирование энергоснабжения от участков сети, находящихся на значительном расстоянии, чтобы условно они не были связаны энергетически. В большинстве случаев необходимо применение специального оборудования. Это оборудование громоздко и зависит от вида нагрузки. Наилучшим с экономической точки зрения решением проблемы провалов напряжения является применение установок, которые устойчивы к провалам в силу своей конструкции, но данный способ не особенно поддерживается производителем.
Список литературы
1. Гуревич Ю.Б., Д.Л. Файбисович Особенности электроснабжения промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами /Ю.Б. Гуревич, Д.Л. Файбисович, З.Г. Хвощинская // Электричество. 1990. №1.
2. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных электрических систем. М.: Энергия, 1977. 536 с.
3. Ершов С.В., Жабин Б.А. Анализ влияния провалов напряжения на показатели работы систем электроснабжения// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Ч. 2. С.62-72.
Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, проф., доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Жабин Борис Андреевич, магистр, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
FEA TURES OF DEFINITION OF VOLTAGE DIPS IN POWER SUPPLY SYSTEMS
S. V. Ershov, B.A. Zhabin
Methods and models of the analysis of electrical networks that are experiencing a brownout are considered. In a basis of a technique of definition of parameters of voltaget a combined method.
Key words: power supply, voltage, voltage dip, simulation, design.
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical sciences, docent, er-schov. serr2(a,mail. ru. Russia, Tula, Tula State University,
Zhabin Boris Andreevich, magister, kafelene(airambler, ru. Russia, Tula, Tula State University
УДК 537.11
АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ КОНЦЕВЫХ МУФТ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
В.М. Степанов, Д.А. Иванов
Проводится анализ надежности изоляционных материалов. Определяются формула срока службы материала, значение приращения температуры.
Ключевые слова: концевая муфта, кабельная линия, закон Аррениуса, удельная электропроводность канала, проводимость.
Материалы, использованные в элементах концевых муфт, можно разделить на изоляционные, проводниковые, контактные и конструкционные. Для изоляционных материалов характерным является их изменение и старение под влиянием взаимодействия с окружающей средой.
Скорость химической реакции определяется
Ш о _в
С = С^е~ят = Схе~т, (1)
где с, - постоянная реакция, соответствующая температуре Т ~ /; Ш0 -
т. 0
энергия активации, В — —; к - газовая постоянная.
Зависимость (1) рассматривается как эмпирическая в результате исследования хода реакции от температуры. На основании теоретических исследований Эвингом предложена несколько другая зависимость для скорости химической реакции:
С — С0Те ят,
которую иногда представляют в более обобщенной форме:
С — С0Т3е пт.
Для большинства инженерных задач достаточную точность дает
