Анонс: Следствия, последствия и основные, устраняемые первопричины аварийности силовых сетей объектов. Основные проблемы в силовой сети, провоцирующие аварийные ситуации.
Если абстрагироваться от человеческого фактора, то, упрощенно, для лучшего понимания проблемы, большинство аварийных ситуаций в силовых сетях объектов возникают из-за перегрева и короткого замыкания кабельной проводки, обмоток трансформаторов, двигателей, пробоя диэлектрика конденсаторов, перегрузки оборудования по току, напряжению, ложного срабатывания автоматики и т. д.
К кратковременным аварийным воздействиям на сеть относят перегрузки по току, напряжению, а к долговременным — температурную деструкцию изоляции, материала кабелей, обмоток и т. д. Однако все это — следствия, а если условно принять, что сетевая организация поставляет на объект электроэнергию нормированного качества, то ключевыми первопричинами этих последствий будут перетоки реактивной мощности и гармонические искажения тока и напряжения.
Справочно
В современной концепции баланса мощностей реактивная энергия на фундаментальной частоте включена в неактивную мощность (nonactive power) вместе с мощностью гармоник, что косвенно подтверждает пусть и не равнозначное, но равноценное негативное влияние на параметры сети, силовую сеть и оборудование перетоков реактивной энергии и гармонических искажений. По сути, правомерно принять, что индуктивная нагрузка, создавая магнитное поле, сбрасывает в сеть гармонические искажения и на фундаментальной частоте — та же реактивная мощность и на нефундаментальных частотах — те же гармоники, но при компенсации реактивной мощности традиционными конденсаторными установками удается, опять же, условно, «погасить» только искажения на фундаментальной частоте, а сегодня этого явно недостаточно.
Основные проблемы в силовой сети, провоцирующие аварийные ситуации
Фаза и нейтраль
В трехфазной системе фазные напряжения смещены друг к другу на 120° и если отдельные фазы одинаково нагружены, то результирующий ток в нейтрали будет равен нулю, но если сеть искажена гармониками тока, то кратные трем гармоники будут складываться в нейтрали. Кроме того, наличие гармоник в токе может впоследствии привести к перегрузке по току как в нейтрали, так и фазных проводниках, а это приводит к нагреву кабелей, обмоток, быстрому износу материалов и, в худшем случае, к пробою изоляции и возгоранию проводов.
Трансформаторы
Гармонические токи вызывают в трансформаторах дополнительные потери мощности, возникающие из-за паразитных магнитных полей в сердечнике, вихревых токов и резистивных потерь в обмотках. Поскольку потери на вихревые токи увеличиваются пропорционально квадрату частоты, то при наличии гармоник они скачкообразно возрастают, а гармонические токи больших амплитуд, концентрируемые ближе к поверхности провода обмотки из-за скин-эффекта, приводят к перегреву обмоток вплоть до короткого замыкания и возгорания. Кроме того, трансформаторы, подключенные по схеме треугольник-звезда или треугольник-треугольник, улавливают токи нулевой последовательности (тройные гармоники), которые синфазны, и это увеличивает действующее значение тока с выделением тепла, перегревом обмоток и повышением рисков аварий наряду с сокращением срока службы трансформаторов из-за температурной деструкции материалов.
Электродвигатели и генераторы
Основное негативное влияние гармоник на двигатели и генераторы — дополнительные потери мощности в результате значительного повышения температуры обмоток, а ключевая причина этого в эффективном сопротивлении, которое увеличивается с возрастающей частотой. Упрощенно ток, искаженный гармониками, вызовет большие потери в обмотках, что впоследствии приведет к большему нагреву. Кроме того, негативное влияние на электродвигатели оказывают гармоники обратной последовательности, которые, по сути, создают магнитодвижущие силы различной частоты, действующие против нормального крутящего момента вала электродвигателя, а это может привести к значительным вибрациям, быстрому износу подшипников с рисками аварийной ситуации.
Электрическое и электронное оборудование
Электрическое и электронное оборудование является больше источником гармоник, чем «жертвой», однако электрические и особенно электронные устройства весьма чувствительны к гармоническим искажениям, которые могут привести к перегреву обмоток регистрирующих показания трансформаторов тока, напряжения, неправильной интерпретации цифрового сигнала из-за гармонических помех, выходу из строя IT-оборудования, ложному срабатыванию автоматики и т. д.
Конденсаторные установки повышения коэффициента мощности
В целом перенапряжение, перегрузки по току, мощности являются первопричинами пробоя диэлектрика конденсаторов и обычно допустимые коэффициенты в отношении номинальных значений предоставляются производителями конденсаторных батарей. Однако из-за гармоник происходит увеличение пикового значения напряжения, что может вызвать частичный разряд в изоляции — короткое замыкание — с необратимым повреждением конденсатора. Поскольку емкостное реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте, импеданс по отношению к гармоникам напряжения уменьшается с увеличением порядков гармоник. Таким образом, токи, «поглощаемые» конденсатором при наличии искаженного напряжения, намного выше, чем номинальные, что приводит к дополнительным потерям, ускоренному старению и пробою изоляции, причем эти негативы становятся критическими, если они усиливаются параллельным или последовательным резонансом.
Предохранители и автоматика
Наиболее часто в силовых сетях используют RCCB-автоматы, коммутирующие силовое оборудование и/или группы устройств в зависимости от предустановленных производителем показателей. Автоматический выключатель дифференциального тока RCCB (residual current circuit breaker) — электромеханическое устройство, которое суммирует ток в фазном и нейтральном проводниках и, если результат выходит за пределы номинального предела, отключает питание от нагрузки, т. е. из-за гармоник RCCB может неправильно суммировать высокочастотные составляющие и, следовательно, ошибочно отключить сеть, вызвать остановку или прерывание производственного процесса.