Содержание
Для электроэнергии основные показатели качества: напряжение и частота, для тепловой энергии: давление, температура пара и горячей воды. Частота связана с активной мощностью (Р), а напряжение с реактивной мощностью (Q).
Все вращающиеся машины и агрегаты рассчитаны таким образом, что экономический коэффициент полезного действия достигается при номинальном числе оборотов в минуту: n = 60f/p ,
где: n — число оборотов в минуту, f — частота тока в сети, p — число пар полюсов.
Частота переменного тока , вырабатываемая генераторами, есть функция числа оборотов турбины. Число оборотов механизмов — функция частоты.
На рис. 1 представлены относительные статические характеристики нагрузки для энергосистемы по частоте.
Анализ зависимостей на рис.1 показывает, что при уменьшении частоты снижается число оборотов двигателя, снижается производительность машин и механизмов.
1. Текстильная фабрика дает брак при изменении частоты от номинальной, т к. изменяется скорость движения нити и станки дают брак.
2. Насосы (питательные), вентиляция (дымососы) тепловых электростанций зависят от числа оборотов: давление пропорционально « n 2 », потребляемая мощность « n 3 », где n — число оборотов в минуту;
3. Активная мощность нагрузки синхронных двигателей пропорциональна частоте (при снижении частоты на 1%, активная мощность нагрузки синхронного двигателя уменьшается на 1%);
4. Активная мощность нагрузки асинхронных двигателей уменьшается на 3% при снижении частоты на 1%;
5. Для энергосистемы снижение частоты на 1% приводит к уменьшению суммарной мощности нагрузки на 1-2%.
Изменение частоты влияет на работу самих электростанций. Каждая турбина рассчитана на определенное число оборотов, то есть при падении частоты снижается вращающий момент турбины. Падение частоты влияет на собственные нужды электростанции и в результате может наступить нарушение работы агрегатов станции.
При понижении частоты из-за нехватки активной мощности снижается нагрузка потребителей, чтобы поддержать частоту на прежнем уровне . Степень изменения нагрузки при изменении частоты на единицу называется регулирующим эффектом нагрузки по частоте . Процесс нарушения устойчивой работы электростанции из-за падения частоты и при отсутствии резерва активной мощности называется лавиной частоты.
Если f =50 Гц, критическая частота при которой производительность основных механизмов собственных нужд электростанций снижается до нуля и наступает лавина частоты — 45 — 46 Гц.
При падении частоты снижается э.д.с. генератора (т.к. понижается скорость возбудителя) и снижается напряжение в сети.
Почему по сей день в энергетической отрасли для передачи и распределения электроэнергии всюду выбраны и остаются принятыми частоты 50 и 60 Гц? Вы когда-нибудь задумывались об этом? А ведь это совсем не случайно.
В странах Европы и СНГ принят стандарт 220-240 вольт 50 герц, в североамериканских странах и в США — 110-120 вольт 60 Гц, а в Бразилии 120, 127 и 220 вольт 60 Гц. Кстати, непосредственно в США в розетке порой может оказаться, скажем, 57 или 54 Гц. Откуда эти цифры?
Давайте обратимся к истории, чтобы разобраться в данной теме. Во второй половине XIX века ученые многих стран мира активно изучали электричество и искали ему практическое применение. Томас Эдисон изобрел свою первую лампочку, внедрив тем самым электрическое освещение. Возводились первые электростанции постоянного тока. Начало электрификации в США.
Первые лампы были дуговыми, они светились электрическим разрядом, горящим на открытом воздухе, зажигаемым между двумя угольными электродами. Экспериментаторы того времени довольно быстро установили, что именно при 45 вольтах дуга становится более устойчивой, однако для безопасного зажигания, последовательно с лампой подключали резистивный балласт, на котором падало в процессе работы лампы около 20 вольт.
Так, долгое время применялось постоянное напряжение 65 вольт. Затем его повысили до 110 вольт, чтобы можно было последовательно включить в сеть сразу две дуговые лампы.
Эдисон был фанатичным сторонником систем постоянного тока, и генераторы постоянного тока Эдисона поначалу так и работали, подавая в потребительские сети 110 вольт постоянного напряжения.
Но технология постоянного тока Эдисона была очень-очень затратной, экономически не выгодной: нужно было прокладывать много толстых проводов, да и передача от электростанции до потребителя не превышала расстояния в несколько сотен метров, поскольку потери при передаче были огромны.
Позже была введена трехпроводная система постоянного тока на 220 вольт (две параллельные линии по 110 вольт), однако существенно положение относительно экономичности такой передачи не улучшилось.
Позже Никола Тесла разработал свои, совершенно новаторские генераторы переменного тока, и внедрил экономически более эффективную систему передачи электроэнергии при высоком напряжении в несколько тысяч вольт, и электроэнергию можно стало передавать на тысячи метров, потери при передаче снизились в десятки раз. Постоянный ток Эдисона не выдержал конкуренции с переменным током Тесла.
Трансформаторы на железе понижали высокое напряжение до 127 вольт на каждой из трех фаз, подавая его потребителю в виде переменного тока. При работе генераторов переменного тока, приводимых в движение паром или падающей водой, роторы их вращались с частотой от 3000 оборотов в минуту и даже больше.
Это позволяло лампам не мерцать, асинхронным двигателям нормально работать, выдерживая номинальные обороты, а трансформаторам — преобразовывать электричество, повышать и понижать напряжение.
Между тем, в СССР напряжение сетей до 60-х годов оставалось на уровне 127 вольт, затем с ростом производственных мощностей его подняли до привычных нам теперь 220 вольт.
Доливо-Добровольский, так же как и Тесла, исследовавший возможности переменного тока, предложил использовать для передачи электроэнергии именно синусоидальный ток, а частоту предложил установить в пределах от 30 до 40 герц. Позже сошлись на 50 герцах в СССР и на 60 герцах — в США. Эти частоты были оптимальными для оборудования переменного тока, во всю работавшего на многих заводах.
Частота вращения двухполюсного генератора переменного тока составляет 3000 либо максимум 3600 оборотов в минуту, и дает как раз частоты 50 и 60 Гц при генерации. Для нормальной работы генератора переменного тока, частота должна быть не менее 50-60 Гц. Промышленные трансформаторы без проблем преобразуют переменный ток данной частоты.
Сегодня принципиально можно повысить частоту передачи электроэнергии до многих килогерц, и сэкономить таким образом на материалах проводников в ЛЭП, однако инфраструктура остается приспособленной именно для тока частотой 50 Гц, она была так спроектирована изначально по всему миру, генераторы на атомных электростанциях вращаются с все той же частотой 3000 оборотов в минуту, имеют всё ту же пару полюсов. Поэтому модификация систем генерации, передачи и распределения электроэнергии — вопрос отдаленного будущего. Вот почему 220 вольт 50 герц остаются у нас пока стандартом.
В данной статье будут рассмотрены общие принципы функционирования электросети, негативные процессы, происходящие на линиях электроснабжения и различные методы защиты оконечного оборудования.
Единая энергосистема
Почти все электростанции России объединены в единую федеральную энергосистему, которая является источником электрической энергии для большинства потребителей. Важнейшим и обязательным компонентом любой электростанции является трехфазный турбогенератор переменного тока. Три силовые обмотки генератора индуцируют линейное напряжение. Обмотки симметрично расположены по окружности генератора. Ротор генератора вращается со скоростью 3000 оборотов в минуту, а линейные напряжения сдвинуты относительно друг друга по фазе. Фазовый сдвиг постоянен и равен 120 градусам. Частота переменного тока на выходе генератора зависит скорости вращения ротора, и в номинале составляет 50 Гц.
Напряжение между линейными проводами трехфазной системы переменного тока называется линейным. Напряжение между нейтралью и любым из линейных проводов называется фазным. Оно в корень из трех раз меньше линейного. Именно такое напряжение (фазное 220 В) подается в жилой сектор. Линейное напряжение 380 В используется для питания мощного промышленного оборудования. Генератор выдает напряжение в несколько десятков киловольт. Для передачи электроэнергии, с целью уменьшения потерь, напряжение повышают на трансформаторных подстанциях и подают в Линии Электропередачи (далее ЛЭП). Напряжение в ЛЭП составляет от 35 кВ для линий малой протяженности, до 1200 кВ на линиях протяженностью свыше 1000 км. Напряжение повышают с целью уменьшения потерь, которые напрямую зависят от силы тока. С другой стороны, напряжение ограничивается возможностью изоляции воздуха для ЛЭП и диэлектрика кабеля для кабельных линий. Достигнув крупного потребителя (завод, населенный пункт) электроэнергия опять попадает на трансформаторную подстанцию, где трансформируется в 6–10 кВ, которые уже пригодны для передачи по подземным кабелям. У каждого многоквартирного жилого дома, или административного здания стоит трансформаторная подстанция, которая выдает на выходе предназначенные для потребителя 380 В линейного напряжения и, соответственно, 220 В фазного. В подстанцию типично заводят два или три высоковольтных кабеля, что позволяет оперативно восстановить электроснабжение, в случае повреждений на высоковольтном участке трассы. В зависимости от вида подстанции, это может происходить автоматически, полуавтоматически — по команде диспетчера с центрального пульта, и вручную — приезжает аварийка и электрик переключает рубильник. Подстанция также может выполнять функцию регулятора напряжения, переключая обмотки трансформатора, в зависимости от нагрузки. В России на подстанциях применяют схему с заземленной нейтралью, то есть нейтральный (часто называемый нулевым) провод заземлен. По зданию разводка кабеля происходит пофазно, как с целью распараллеливания нагрузки, так и с целью удешевления оборудования (счетчиков, автоматов защиты). Подстанция в сельской местности и для небольших домов представляет собой обычно трансформаторную будку или просто трансформатор внешнего исполнения. Именно поэтому, на исправление аварии в таком месте отводятся сутки. Автоматической регулировки напряжения такие подстанции не имеют, и выдают номинал обычно в часы минимальных нагрузок, в остальное время занижая напряжение.
Нормы качества для электросетей
Документом, устанавливающим нормы качества электроэнергии в России, является ГОСТ 13109-97 принятый 1 Января 1999г. В частности, в нем установлены следующие "нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения".
| Параметр | Номинал | Предельно |
| Напряжение, V | 220V ±5% | 220V ±10% |
| Частота, Hz | 50 ±0,2 | 50 ±0,4 |
| Искажения, % | 8 | 12 |
| Провалы, сек | 3 | 30 |
| Перенапряжения, V | 280 | 380 |
Таким образом, даже при нормальном функционировании электросети использование устройств ИБП для компьютерной техники является обязательным, как для защиты целостности данных, так и для обеспечения исправности оборудования. С точки зрения электроснабжения, все потребители делятся на три категории. Для наиболее массовой категории наших читателей, проживающих в домах с числом квартир более восьми или работающих в офисных зданиях с числом сотрудников более 50 актуальна вторая категория. Это означает максимальное время устранения аварии один час и надежность 0,9999. Третья категория характеризуется временем устранения аварии 24 часа и надежностью 0,9973. Первая категория требует надежности 1 и временем устранения аварии 0.
Виды негативных воздействий в электросети
Все негативные воздействия в электросети делятся на провалы и перенапряжения.
Импульсные провалы обычно вызываются перегрузкой оконечных линий. Включение мощного потребителя, такого как кондиционер, холодильник, сварочный аппарат, вызывает кратковременную (до 1-2 с) просадку питающего напряжения на 10–20%. Короткое замыкание в соседнем офисе или квартире может вызвать импульсный провал, в случае, если вы подключены к одной фазе. Импульсные провалы не компенсируются подстанцией и могут вызывать сбои и перезагрузки компьютерной и другой насыщенной электроникой техники.
Постоянный провал, то есть постоянно или циклично низкое напряжение обычно вызвано перегрузкой линии от подстанции до потребителя, плохим состоянием трансформатора подстанции или соединительных кабелей. Низкое напряжение негативно отражается на работе такого оборудования как кондиционеры, лазерные принтеры и копиры, микроволновые печи.
Полный провал (блекаут), это пропадание напряжения в сети. Пропадание до одного полупериода (10 мс) должно по стандарту выдерживать любое оборудование без нарушения работоспособности. На подстанциях старого образца переключения регулятора напряжения или резерва могут достигать нескольких секунд. Подобный провал выглядит как "свет мигнул". В подобной ситуации все незащищенное компьютерное оборудование "перезагрузится" или "зависнет".
Перенапряжения постоянные — завышенное или циклично завышенное напряжение. Обычно является следствием так называемого "перекоса фаз" — неравномерной нагрузки на разные фазы трансформатора подстанции. В этом случае на нагруженной фазе происходит постоянный провал, а на двух других постоянное перенапряжение. Перенапряжение сильно сокращает срок службы самого разного оборудования, начиная от лампочек накаливания… Вероятность выхода из строя сложного оборудования при включении значительно увеличивается. Самое неприятное постоянное перенапряжение — отгорание нейтрального провода, нуля. В этом случае напряжение на оборудовании может достигать 380 В, и это практически гарантирует выход его из строя.
Временное перенапряжение бывает импульсным и высокочастотным.
Импульсное перенапряжение может происходить при замыкании фазовых жил силового кабеля друг на друга и на нейтраль, при обрыве нейтрали, при пробое высоковольтной части трансформатора подстанции на низковольтную (до 10 кВ), при попадании молнии в кабель, подстанцию или рядом с ними. Наиболее опасны импульсные перенапряжения для электронной аппаратуры.
Высокочастотное перенапряжение характеризуется наличием в силовом кабеле паразитных колебаний высокой частоты. Может нарушить работу высокочувствительной измерительной и звукозаписывающей аппаратуры.
Способы противодействия негативным воздействиям
В нижеприведенную таблицу сведены все виды негативных воздействий в электросети и технические методы борьбы с ними.
| Вид негативного воздействия | Следствие негативного воздействия | Рекомендуемые меры защиты |
| Импульсный провал напряжения | Нарушение в работе оборудования содержащего микропроцессоры. Потеря данных в компьютерных системах. | Качественные блоки питания. Онлайн ИБП |
| Постоянный провал (занижение) напряжения | Перегрузка оборудования содержащего электромоторы. Неэффективность электрического отопления и освещения. | Автотрансформаторные регуляторы напряжения. Импульсные блоки питания. |
| Пропадание напряжения | Выключение оборудования. Потеря данных в компьютерных системах. | Батарейные ИБП любого типа, для предотвращения потерь данных. Автономные генераторы, при необходимости обеспечения бесперебойности работы оборудования. |
| Завышенное напряжение | Перегрузка оборудования. Увеличение вероятности выхода из строя. | Автотрансформаторные регуляторы напряжения. Сетевые фильтры с автоматом защиты от перенапряжения. |
| Импульсные перенапряжения | Нарушение в работе оборудования содержащего микропроцессоры. Потеря данных в компьютерных системах. Выход оборудования из строя. | Сетевые фильтры с автоматом защиты от перенапряжения. |
| Высокочастотные перенапряжения. | Нарушения в работе высокочувствительной измерительной и звукозаписывающей аппаратуры. | Сетевые фильтры с ФНЧ. Развязывающие трансформаторы. |
| Перекос фаз (разница фазного напряжения) | Перегрузка трехфазного оборудования. | Выравнивания нагрузки по фазам. Содержание в исправности силовой кабельной сети. |
| Отклонение частоты сети | Нарушение работы оборудования с синхронными двигателями и изделий зависящих от частоты сети. | Онлайн ИБП. Замена устаревшего оборудования. |
Следует отметить, что современные качественные ИБП имеют в своем составе сетевой фильтр и ограничитель напряжения. Время реакции и переключения на батарею достаточно мало для обеспечения надежной бесперебойной работы любых электронных устройств. Использование отдельных стабилизаторов может быть оправданно при большом количестве оборудования, так как цена стабилизатора на 10 КВт примерно равна цене ИБП на 1КВт. Использование отдельного сетевого фильтра гораздо менее оправданно. ИБП не предназначены для систем, требующих непрерывного функционирования. Если мощность такого оборудования превышает 1 КВт, оптимальным решением будет использование автономного дизельного генератора.
