Руководство по устройству электроустановок - Надежность системы электропитания в системах низкого напряжения

1.2 Надежность системы электроснабжения
Высокая надежность системы электроснабжения достигается за счет следующего:
Соответствующего разделения установки
Обеспечение резервных источников
Разделение и дублирование ответственных цепей Тип системы заземления (например, IT)
Системы селективности релейной защиты
Разделение установок
При высоком уровне потребления электроэнергии могут использоваться несколько трансформаторов для разделения чувствительных или генерирующих помехи нагрузок, например:
Компьютерные системы, которые чувствительны к изменению напряжения (провалов и пиков) и синусоидальной формы кривой напряжения (гармоники)
Цепи, генерирующие гармоники, такие как газоразрядные лампы, электрические преобразователи различного рода (тиристорные выпрямители, инверторы, регуляторы скорости двигателей и т.д.)
Цепи, обусловливающие крайне большие изменения напряжения, такие как большие двигатели, электродуговые печи и т.д.
Цепи, подверженные изменениям сопротивления изоляции. Резервные источники
Примеры включают двустороннее питание от двух понижающих подстанций, аварийные генераторные установки, собственные электростанции, источники бесперебойного питания (ИБП) и автономные осветительные устройства.
Разделение цепей

нагрузки нагрузки нагрузки нагрузки
Рис. Е1: Пример резервного электропитания среднего напряжения
Цепи могут разделяться в соответствии с применяемыми нормами, стандартами и эксплуатационными требованиями. В результате такого разделения повреждение, влияющее на неосновную цепь, не приводит к потере питания основной цепи (см. Рис. Е13 и Рис. Е14).

Рис. Е1: Основные и неосновные нагрузки разделены, с автоматическим резервным питанием основных нагрузок
Выбор системы заземления
В тех случаях, когда бесперебойность энергоснабжения, является определяющим фактором, например, непрерывный процесс производства, операционные клиник и т.д., применяется, как правило, схема заземления IT.
Эта схема обеспечивает сохранение нормального (и безопасного) функционирования в случае первого КЗ на землю (самый распространенный тип повреждения изоляции). Останов для поиска и устранения повреждения может проводиться позже в любое удобное время (например, в конце производственного цикла и т.д.).
Однако, повторное КЗ на землю (если оно возникает на другой фазе или нейтрали) приведет к отключению цепей через реле максимального тока. Выбор схемы заземления - см. Раздел Е, п. 2.3.
Примечание: Данная схема может быть рекомендована для устройств защиты. Селективная защита (см. Рис. Е15)
Основная задача любой схемы автоматической защиты от повреждения изоляции, перегрузки и т.д., состоит в отключении только выключателей или перегорании только плавких предохранителей, контролирующих поврежденные цепи, при сохранении всех других выключателей и предохранителей в прежнем положении.
В радиальных разветвленных сетях это означает отключение ближайшего выключателя или предохранителя до точки повреждения и неизбежное обесточивание всех нагрузок за такой точкой.

Рис. Е1 : Принцип селективной защиты
Обычно ток КЗ (или перегрузки) проходит через один или более выключателей или предохранителей до выключателя (или предохранителя), контролирующего поврежденный кабель. «Селективность» означает, что ни одно из устройств защиты, через которое проходит ток повреждения (или перегрузки) не сработает до тех пор, пока не сработает устройство защиты, контролирующее поврежденную цепь. Как правило, селективность обеспечивается за счет увеличения времени срабатывания устройства защиты по мере уменьшения расстояния от устройства до источника питания. Поэтому, при отказе ближайшего к повреждению устройства защиты следующее за ним устройство срабатывает с некоторой задержкой.

Нежелательные последствия кратковременных провалов напряжения ограничиваются различными способами, такими как установка ИБП или генераторов
1.3 Качество электроэнергии
Коммунальные и частные электросети подвержены различным нарушениям, уровень и частота которых должны контролироваться и поддерживаться в допустимых пределах. Самые тяжелые нарушения включают:
Провалы или резкие повышения и понижения напряжения
Перенапряжения
Гармоники, в частности, нечетные гармоники (3-я, 5-я и т.д.)
Высокочастотные явления
Для питания оборудования, особо чувствительного к таким нарушениям (например, компьютеры), в нормальной низковольтной распределительной сети может создаваться специальная сеть распределения высококачественной электроэнергии.
Кратковременные провалы напряжения Типы провалов напряжения
В соответствии с продолжительностью провала напряжения, причинами его возникновения могут быть:
Менее 0,1 с: КЗ, возникающие в любом месте низковольтных сетей и отключаемые устройствами защиты (выключатели, плавкие предохранители и т.д.). Этот тип провалов напряжения наиболее распространен в «стандартных» системах, т.е., отличных от сетей тяжелой промышленности, где крупномасштабные нарушения происходят довольно часто.
0,1-0,5 с: наиболее вероятной причиной является повреждение в системах среднего напряжения.
Свыше 0,5 с: в сельских сетях, где применяются выключатели с автоматическим повторным включением, может происходить несколько последовательных провалов напряжения до отключения КЗ. Другие причины провалов напряжения продолжительностью свыше 0,5 с включают запуск местных электродвигателей (например, лифты или пожарные сирены центральных депо приводят к циклическим провалам напряжения в соседней распределительной сети).
Гармоники отрицательно влияют на электросистему и подсоединенное оборудование
Последствия и решения
Среди многочисленных нежелательных последствий провалов напряжения можно выделить следующие:
В зависимости от величины провала и типа нагрузок в данной установке существует риск значительных толчков тока при восстановлении напряжения c последующим отключением главных выключателей.
Возможное решение состоит в использовании схемы с автоматическим сбросом нагрузки и постепенным повторным подключением устройств, требующих большого тока перезапуска, например, холодные лампы накаливания и активные тепловые нагрузки.
Во всех компьютерных приложениях, таких как текстовые редакторы, средства обработки информации, программные средства управления станками, технологические процессы и т.д., провалы напряжения недопустимы из-за высокого риска потери информации или повреждения программ с тяжелыми последствиями. Определенные изменения напряжения могут допускаться при использовании встроенных цепей стабилизации напряжения, но универсальным решением для ответственных установок является использование источников бесперебойного питания (ИБП) на основе аккумуляторов с непрерывной подзарядкой и инвертеров, связанных с автоматизированными дизель-генераторными установками.
Замедление электродвигателей при провалах напряжения (крутящий момент V2) означает высокую вероятность несинфазной противо-ЭДС двигателя при восстановлении напряжения. Это обусловливает (в большей или меньшей степени в зависимости от величины сдвига фаз) режим КЗ с соответствующим большим током. В определенных случаях могут возникать чрезмерные переходные моменты с риском повреждения валов, муфт и т.д. Общее средство защиты состоит в установке высокомоментных электродвигателей с высокоинерционным ротором, где это позволяет привод по технологическим требованиям.
Некоторые типы разрядных ламп (особенно ртутные лампы), используемых для уличного освещения, гаснут при напряжении ниже определенного уровня, и требуется несколько минут (для охлаждения) до их повторного зажигания. Решение в данном случае может состоять в использовании других типов ламп и добавлении негаснущих ламп в количестве, достаточном для поддержания безопасного уровня освещения. См. Раздел М (ИБП).
Перенапряжения
Повреждения в результате перенапряжений могут предотвращаться: Для перенапряжений при частоте энергосистемы:
Обеспечение соответствующей защиты от перенапряжений для оборудования
Включение ограничителей напряжения в должным образом скоординированную схему изоляции. Такие ограничители необходимы в заземленных информационных системах.
Для переходных (как правило, импульсных) перенапряжений:
Эффективная координация схемы изоляции
Разрядники для защиты от грозовых перенапряжений
Типы перенапряжений, а также их последствия и возможные решения - см. Раздел J. Гармоники напряжения и токи Источники и типы гармоник
Все нелинейные нагрузки потребляют несинусоидальные токи. Основные источники гармоник:
Электрические устройства электронных блоков (статические преобразователи, источники питания, реостаты для регулирования силы света ламп и т.д.)
Электромагнитные машины и устройства, такие как насыщенные катушки, трансформаторы (токи намагничивания), двигатели и генераторы и т.д. Разрядные лампы и балластные сопротивления
Электродуговые печи, генерирующие непрерывный спектр помех. Если питание дуги обеспечивается через статические тиристорные выпрямители (дуговые печи пост. тока), помехи имеют низкую среднюю амплитуду, а гармоники генерируются выпрямителями.
Последствия
Основные последствия гармонических искажений: Необходимость укрупнения определенных компонентов сети и установки
Провода под напряжением
Нейтрали (3-фазных 4-проводных сетей), в частности, для цепей освещения разрядными или ртутными люминесцентными лампами и компьютерной нагрузки.
Генераторы (например, дизель-генераторные агрегаты)
Батареи конденсаторов
Локальный перегрев магнитных цепей в двигателях
Возможность резонанса между сетевыми емкостями и индуктивностями (феррорезонанс) или между батареями конденсаторов и импедансом источника питания системы (главным образом, индуктивным)
Нежелательные последствия высокочастотных помех могут устраняться посредством:
выбора соответствующего оборудования
E12
проведения специальных исследований
Решения
Как правило, устройства не рассчитаны на значительный процент гармоник: максимальное значение 5%(1) общепринято для гармонических искажений напряжения и 10%(1) для тока. Гармоники могут подавляться с помощью следующих средств:
Установка понижающих трансформаторов с соединением обмоток «треугольник-звезда-зигзаг» для того чтобы исключить пападание в сеть третьей гармоники и негативных гармоник кратных трем
Установка фильтров Высокочастотные явления
Эта проблема связана с перенапряжениями и всеми электромагнитными явлениями проводимости или излучения. Определенные устройства или электросистемы в целом могут быть чувствительны к помехам или являться причиной помех, таких как:
Электростатические разряды
Излучение, например, помехи от радиопередатчиков, портативных радиостанций и т.д.
Помехи, передаваемые по проводникам системы
Например: отключение обмоток контакторов или катушки отключения выключателей Директива ЕС 86/339/СЕЕ, касающаяся вопросов электромагнитной совместимости, устанавливает максимальные уровни излучения и минимальные уровни помехоустойчивости для электрических устройств и их компонентов.
На практике нарушения из-за высокочастотных явлений могут предотвращаться путем установки устройств, совместимых друг с другом и внешней средой (например, в больницах, концертных залах, производственных помещениях, где присутствуют слабые и сильные токи). В случае специальных областей применения следует обращаться за консультацией к соответствующим специалистам.
В случае традиционных областей применения или при отсутствии точной информации, следует при возможности использовать оборудование, отвечающее требованиям, приводимым на Рис. Е16.

Рис. Е1: Уровни совместимости оборудования

Для питания оборудования, особо чувствительного к помехам (например, компьютеры), может устанавливаться специальная сеть распределения высококачественной электроэнергии в стандартной низковольтной распределительной сети.
Высококачественная электроэнергия
Специальная сеть распределения высококачественной электроэнергии может устанавливаться в стандартной низковольтной распределительной сети.
Цель - электропитание для чувствительного оборудования (компьютеры, контрольно-кассовые аппараты, микропроцессоры и т.д.) от источника, не подверженного указанным выше нарушениям, по приемлемой стоимости.
На Рис. Е17 представлена схема на уровне главного низковольтного распределительного щита. Высококачественная электроэнергия обеспечивается за счет ИБП и его аккумуляторных батарей и выпрямительного зарядного устройства с питанием при нормальном режиме от главного низковольтного распределительного щита.
Бесперебойность питания гарантируется за счет дизель-генератора и системы автоматического включения резерва. Бесперебойное питание может обеспечиваться неопределенно долго (при условии пополнения персоналом топливного бака) или в течение нескольких часов в случае станции без обслуживающего персонала.
Ряд простых технических мер предосторожности позволяет обеспечить крайне высокий годовой уровень готовности (см. документ Schneider Electric Cashier Technique, № 148, «Система распределения электроэнергии высокой готовности» и «ИБП» в Разделе М данного руководства).

Значение общего гармонического искажения (THD) для напряжения и тока,соответственно.