Совершенно очевидно, что электрооборудование необходимо защищать. Вот, например, как трактует ПУЭ (редакция 2002 года), раздел 3, глава 3.1 «Защита электрических сетей напряжением до 1 кВ», это понятие: «…3.1.8. Электрические сети должны иметь защиту от токов короткого замыкания, обеспечивающую по возможности наименьшее время отключения и требования селективности.
Что такое – защита электрооборудования
Совершенно очевидно, что электрооборудование необходимо защищать. Вот, например, как трактуетПУЭ (редакция 2002 года), раздел 3, глава 3.1 «Защита электрических сетей напряжением до 1 кВ», это понятие: «…3.1.8. Электрические сети должны иметь защиту от токов короткого замыкания, обеспечивающую по возможности наименьшее время отключения и требования селективности.
Как видим, в понятие «защита электрооборудования», прежде всего, вкладывается смысл защиты последнего от токов короткого замыкания и перегруза, которые могут появиться в электрических сетях. Это связано с тем, что при возникновении короткого замыкания в сети протекают токи, намного превышающие допустимые и приводящие к серьезным повреждениям. По сути, задачей защиты является локализация поврежденного («закоротившего») оборудования и исключения его из сети. В общем случае, защита от короткого замыкания защищает неповрежденное оборудование, в котором к.з. не произошло. Таким образом, если уж произошло к.з., необходимо сохранить оставшихся потребителей и питающие сети, а «закоротившее» оборудование вывести из схемы и отправить в ремонт.
Однако, если проанализировать причины появления к.з. в электрооборудовании, можно сказать, что большинство их – следствие некачественного сетевого напряжения.
Показатели качества электроэнергии
Единые требования к электромагнитной среде закрепляют стандартами, что позволяет создавать оборудование и гарантировать его работоспособность в условиях соответствующих этим требованиям. Стандарты устанавливают допустимые уровни помех в электрической сети, которые характеризуют качество электроэнергии (КЭ) и называются показателями качества электроэнергии (ПКЭ). Требования к качеству электрической энергии на территории РФ определяет Межгосударственный стандарт: \«Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»\ ГОСТ 13109-97.К основным показателям качества электрической энергии, определяемых этим ГОСТом относятся:
- отклонения напряжения, связанные с графиком работы нагрузки;
- колебания напряжения при резкопеременном характере нагрузки;
- несимметрия напряжений в трехфазной системе при несимметричном распределении нагрузки по фазам;
- несинусоидальность формы кривой напряжения при нелинейной нагрузке;
- отклонение фактической частоты переменного напряжения от номинального значения в установившемся режиме работы системы электроснабжения;
провалы напряжения – внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90 % Uном) длительностью от нескольких периодов до нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения; - временные перенапряжения – внезапное и значительное повышение напряжения (более 110 % Uном) длительностью более 10 миллисекунд;
- импульсные перенапряжения – резкое повышение напряжения длительностью менее 10 миллисекунд, достигающие тысяч вольт.
ГОСТ устанавливает два вида норм для ПКЭ: нормально-допустимые и предельно-допустимые. Рассмотрим, на примере отклонения напряжения от номинальных значений, чем грозит электрооборудованию выход за допустимые значения (см. табл. № 1)
ГОСТ устанавливает нормально и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмников в пределах соответственно ?Uyнор= ± 5 % и ?Uyпред= ± 10 % номинального напряжения сети.
Таблица № 1. Влияние отклонения напряжения на электрооборудование
| Электрооборудование | Снижение на 10 % от Uн | Превышение на 10 % от Uн |
| Асинхронные лектродвигатели | Момент двигателя снижается на 19%. Температура повышается на 7оС. Увеличивается время пуска. Скольжение повышается на 27, 5%, ток ротора – на 14%, ток статора 10%. | Увеличенный момент двигателя, служит причиной перегрузки валов, ременных передач, увеличивается пусковой удар. Пусковой ток повышается на 12%, вращающий момент на 21%, коэффициент мощности снижается на 5%. |
| Осветительные приборы (лампы накаливания, люминесцентные, инфракрасные, ртутные, газонаполненные, балластные сопротивления, стартеры, конденсаторы) Срок службы ламп накаливания изменяется пропорционально напряжению в степени 13, 1, светоотдача – 3, 4, светоотдача на 1 кВт-час – в степени 1, 8 | Для нормального освещения потребуется на 30% больше ламп накаливания, на 15% – люминесцентных. Световой поток снижается на 10%. | Срок службы ламп накаливания снижается в 2, 5 раза. Возрастает температура балластных сопротивлений, инфракрасные источники света увеличивают выделение тепла на 21 %. |
| Электронная аппаратура Срок службы электронных компонентов сокращается в 4 раза. Возникают ошибки цифровой техники. Выходит из строя программное обеспечение. | Тиратроны выходят из строя в течение нескольких минут | Сгорают сетевые фильтры, блоки питания, адаптеры |
Очевидно, что работа электрооборудования даже на пределах допустимых значений, не только значительно сокращает срок его службы и снижает эффективности работы, но зачастую приводит к выходу его из строя. А если учесть, что в наших отечественных сетях, по выражению одного ответственного энергетика, настоящий «винегрет», то выход ПКЭ за допустимые пределы, к сожалению, повседневная реальность.
Два вечных русских вопроса: «кто виноват» и «что делать»?
Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) разработаны стандарты по обеспечению защиты от сетевых аварий. Это, в первую очередь:
- IEC 60364-4-44 (2001) «Электрические устройства зданий. Часть 4-44. Защита для обеспечения безопасности. Защита от резких отклонений напряжения и электромагнитных возмущений»;
- IEC/TR 62066 (2002) «Перенапряжения и защита от выбросов напряжения в низковольтных системах питания переменного тока. Общая основная информация».
Эти материалы устанавливают единые нормы и правила при проектировании, устройстве и эксплуатации электрических сетей. Но, это, – международная практика, предписывающая защищать потребителей даже в их сетях, с более жесткими требованиями к ПКЭ. А, что же у нас? К сожалению, в действующих отечественных директивных материалах (ГОСТ, ПУЭ, ПТЭ, и т.д.) на сегодняшний день применительно к электроустановкам до 1000 В отсутствуют предписания об обязательной установке защитных устройств от некачественного сетевого напряжения. В последних редакциях ПУЭ появились, правда, требования по установке защит от грозовых и импульсных перенапряжений. Но как быть с напряжением сетевым, не выдерживающим никакой
Итак, устройства, изначально предназначенные для сигнализации о параметрах напряжения, потребители начали применять для защиты своего оборудования от некачественного напряжения.
Немного истории
Самым простейшим устройством для этих целей был блок контроля с маломощным трехфазным трансформатором, подключаемым к соответствующим фазам сети. К выходу трансформатора подсоединялся выпрямитель, собранный по схеме А.Н. Ларионова, между плюсовым и минусовым выводами его включалось реле. При обрыве любой фазы сети указанное реле отключало потребителя от сети.
Им на смену пришли устройства с так называемой сетевой логикой действия. Анализ ПКЭ распределительных сетей 0, 4 кВ показал, что наиболее частым видом аварии сетевого напряжения, помимо указанного выше обрыва фаз, являются изменения последовательности, слипания фаз, вызванные авариями на подстанциях или в самой сети, перекос фаз, отклонения, скачки и провалы напряжения. Для контроля за этими видами аварий стали применять реле, используемые в цепях автоматики высоковольтных сетей, работающими по схожему алгоритму. Но, функционально, реле изначально созданные для установки на распределительных подстанциях не совсем подходили для полноценной защиты по напряжению. Потребителю приходилось мириться с тем, что есть, или устанавливать не одно, а несколько устройств.
Пики или действующие значения
Задача понятная, но не очень простая. К примеру, по какому уровню напряжения надо срабатывать? Из теории электротехники всем известно, что самое правильное срабатывать по действующему значению напряжения. Тут первая проблема. Если бы напряжение было строго синусоидальным, то действующее значение определяется очень просто: максимум, деленный на корень из 2. Но где вы видели в сети синусоиду? (Кстати, еще одно отклонение от ГОСТ). Действующее значение периодической функции можно определить только с помощью применения сложного математического расчета. На заре создания первых реле напряжений дешевое устройство на аналоговых элементах и определяющее действующее значение напряжения создать было практически невозможно. Поэтому стали применять разные компромиссные методы: срабатывание по длительным пикам, фильтрации высших гармоник и т.д. Но достоверной защиты не получалось. Каждый компромисс тянул за собой цепочку недостатков. Например, если процент высших гармоник высок, то их уже надо учитывать, т.к. действующее напряжение при этом будет меняться, и т.д. Работа по пикам только в некоторых случаях может оказаться достоверной – когда этот пик достаточно продолжительный. Но как на аналоговой пороговой схеме отстроиться от кратковременных пиков, не опасных для большинства электрооборудования.
Далее. Кроме уровня напряжения, устройство должно реагировать на перекос. Но если напряжение определено не достоверно, то и перекосы будут определяться недостоверно. Вывод – не можем мерить – не будем мерить. Поэтому и ЕЛ, не меряет перекосы. Кстати, к функциям ЕЛ настолько привыкли, что считают их безоговорочно правильными и под их функции принято создавать алгоритмы сетевых устройств (в частности, АВР), а не наоборот.
Теперь о временах срабатывания. Они должны быть, с одной стороны, как можно меньше, с другой – есть виды отклонений по напряжению, возникающие достаточно часто, но действующие кратковременно и не оказывающие ощутимого вредного воздействия. Например, коммутационные перенапряжения, длящиеся несколько периодов (20-100 мсек.) или кратковременные посадки напряжения, связанные с пуском электродвигателей и включением нагрузки. А тяжелые аварии, такие, как обрыв фаз, нужно отключать как можно быстрее. Т.е., возникла задача различать виды аварии и по каждому из них принимать соответствующее решение. К сожалению, в большинстве существующих на сегодняшний день защитных устройствах эта задача не решена. В преимущественном большинстве существующих реле для отстройки от пусковых посадок выполнена принудительная задержка на срабатывание, причем, в связи с тем, что невозможно различить вид аварии, эта задержка, предназначенная для отстройки только от пусковых посадок, распространяется на все виды аварий, в том числе и на те, которые надо отключать быстро. А если учесть, что задержку надо выполнить не менее 10 сек, то понятно, почему такие приборы нельзя назвать полноценной и достоверной защитой.
Цифра или аналог
Сейчас эра аналоговых устройств если не закончилась полностью, то в стадии окончания.
Взамен аналоговым приборам приходят на смену цифровые микропроцессорные. Сегодня стало возможно на базе микропроцессоров создавать приборы практически с логикой любой сложности. О преимуществах цифровой технологии, в том числе, применительно к защитным устройствам, сказано много и ни у кого не вызывает сомнений в явных преимуществах техники нового поколения перед аналоговыми приборами. Но дешевые изделия пока производить не всем под силу.
По-настоящему цифровые микропроцессорные устройства с широким набором защитных функций и сложной логикой действия для широкого потребления, т.е. низкие по цене, создать под силу немногим. Доказательством этого может служить экспозиция любой специализированной выставки, каталоги зарубежных и отечественных производителей, прочее.
Наш ответ «Чемберлену»
В эпоху рыночной экономики, несмотря даже на «прорехи» в ПУЭ, нет недостатка в предложении реле контроля сетевого напряжения. Причем на рынке представлены как иностранные, так и отечественные производители. Перед потребителем неизбежно встает вопрос, по каким параметрам следует выбирать реле. С одной стороны оно должно стать надежным заслоном на пути недоброкачественной энергии от электросети к нагрузке. С другой стороны, быть надежным и недорогим.
Основными критериями, характеризующими работу реле, должны служить их универсальность и функциональность.
Реле должны быть цифровыми, т. к. реализовать сложную логику действий, точность и надежность, возможно лишь на базе микропроцессорной техники.
Принятие решений о выходе за контролируемые параметры должно осуществляться по действующему или близкому к нему среднему за период значению напряжения. Работа по пиковым значениям напряжения приводит к ложным срабатываниям.
Наличие широкого диапазона регулируемых уставок, тоже является несомненным преимуществом реле.
Схема питания реле должна быть организована от самого измеряемого напряжения, от 3-х фаз одновременно для 3-х фазного реле, чтобы сохранить информативность при наличии хотя бы одной фазы.
Наличие простой и логичной индикации, степень защищенности и климатика, вот, пожалуй, и весь перечень основных параметров, по которым можно произвести сравнительный анализ реле напряжения.
Выводы
Время защищать правильно действительно пришло. Растущее энергопотребление предприятий, энергонасыщенность бытового потребителя приводят к увеличению числа сетевых аварий. Остро назрела необходимость привести ПУЭ к нормам международного права в данной области. Эти правила должны не только регламентировать необходимость, место и способы защиты, но и ввести общие требования к приборам, защищающим от аварий сетевого напряжения. Это положит конец волюнтаризму в этой сфере, когда каждый производитель навязывает потребителю свое видение проблемы, которое, зачастую, очень далеко от идеала. Такая постановка вопроса позволит, во-первых, расчистить рынок от завалов электронного хлама «лжезащит», а, во-вторых, освободит дорогу устройствам, способным надежно, качественно, а главное — правильно, защитить потребителя.
ООО «Новатек-Электро»
Полностью статья опубликована в «Новости электротехники» №4 2004 г.
