Импульсные и колебательные переходные процессы в силовых сетях низкого (и низкого среднего) напряжения. Наиболее вероятные «виновники» отклонений параметров качества электроэнергии от нормированных значений.
В предыдущих материалах цикла были рассмотрены, как различные подходы к определению термина «качество электроэнергии», так и недостаточное внимание разработчиков отечественных (и международных) стандартов к процессам в современных силовых сетях низкого (и/или низкого среднего) напряжения, влияющим на нормированные параметры качества (ссылки на Новый взгляд.. и О процессах и параметрах соответственно). Одним из таких важных (по влиянию на силовую сеть) процессов сегодня стал «переходной», который делят на импульсный и колебательный в зависимости от его природы, характера и формы синусоид тока, напряжения.
Импульсный переходный процесс
Импульсный переходный процесс — внезапное, однонаправленное по полярности (в основном положительное или отрицательное) изменение напряжения, тока (или того и другого) в установившемся (стабильном) состоянии энергосистемы из-за атмосферного разряда (реже коммутации) или аварийного повреждения в силовой сети.
Наиболее распространенная типовая причина такого процесса – удар молнии (п. 3.6 и др. ГОСТ Р МЭК 62305-4—2016), при котором происходит скачок тока, напряжения (импульсное перенапряжение – п. 3.15 ГОСТ Р 55630-2013) до пикового значения, но быстро (в доли миллисекунды) затухающий.
Из-за наложения токов высоких частот на синусоиду тока фундаментальной частоты искаженный сигнал распространяется по кабельным коммуникациям и оборудованию далеко за пределы источника (точка удара по п. 3.10 ГОСТ Р 55630-2013) электромагнитных возмущений, часто возбуждает собственную частоту цепей энергосистемы и вызывает колебательные переходные процессы.
Колебательный переходный процесс
Колебательный переходный процесс – внезапное изменение напряжения, тока (или того и другого) в установившемся (стабильном) состоянии энергосистемы, которое включает как положительные, так и отрицательные значения полярности параметров.
Колебательный переходный процесс описывается спектральным составом (преобладающая частота), длительностью и величиной, а формализованные в спецификациях подклассы (высокочастотные, среднечастотные и низкочастотные) по диапазонам частот подобраны так, чтобы они совпадали с наиболее распространенными типами колебательных переходных процессов энергосистемы. Так, к:
- высокочастотным относят колебательные переходные процессы с первичной частотной составляющей более 500 кГц и типичной длительностью, измеряемой в микросекундах (или циклах главной частоты), которые зачастую являются результатом реакции энергосистемы на импульсный переходный процесс;
- среднечастотным относят колебательные переходные процессы с первичной частотной составляющей от 5 до 500 кГц и длительностью, измеряемой в десятках микросекунд (или нескольких циклах главной частоты);
- низкочастотным относят колебательные переходные процессы с первичной частотной составляющей менее 5 кГц и длительностью от 0,3 до 50 мс и такие возмущения наиболее типичны для распределительных и потребительских силовых сетей низкого (и низкого среднего) напряжения.
Так, коммутация конденсаторных батарей (или силовых конденсаторов) обычно приводит к колебательному переходному напряжению с первичной частотой от 300 до 900 Гц. Пиковая величина может приближаться к 2,0 Uном, но обычно составляет от 1,3 до 1,5 от номинального напряжения с продолжительностью возмущений от 0,5 до 3 циклов в зависимости от демпфирования системы (см. рис. ниже).
Наиболее вероятные «виновники» отклонений параметров качества электроэнергии от нормированных значений
Поскольку напряжение является опорным параметром оценки качества электроэнергии, то можно установить наиболее вероятные причинно-следственные связи между событиями в силовой сети и изменением сетевого напряжения. В большинстве случаев длительные (более 1 минуты) повышения или понижения напряжения, как правило, не являются результатом сбоев системы, а вызваны именно изменениями нагрузки и операциями коммутации в энергосистеме. Так, например:
- перенапряжения – увеличение среднеквадратичного напряжения переменного тока более чем на 110 процентов в течение более 1 минуты – обычно являются результатом коммутации нагрузки (например, отключения большой нагрузки или подачи питания на конденсаторную батарею).
Перенапряжения возникают из-за того, что либо система слишком слабая для желаемого регулирования напряжения, либо контроль напряжения неадекватный;
- пониженное напряжение – снижение среднеквадратичного напряжения переменного тока до менее чем 90% в течение более 1 минуты – является результатом коммутаций, которые противоположны событиям, вызывающим перенапряжения.
Т.е. включение нагрузки или выключение конденсаторной батареи может обусловить пониженное напряжение до тех пор, пока оборудование для регулирования в энергосистеме не сможет вернуть напряжение в пределы допусков. К понижению напряжения может привести и перегрузка цепей силовой сети по мощности нагрузки;
- прерывание напряжения (п. 3.1.23 ГОСТ 32144–2013) – когда напряжение питания или ток нагрузки менее чем 0,1 номинального значения (по ГОСТ 32144 5% опорного напряжения) в течение периода времени, не превышающего 1 мин – может быть результатом сбоев в энергосистеме, отказов оборудования и неисправностей управления.
Прерывания напряжения оцениваются по их продолжительности, поскольку величина напряжения всегда меньше от номинальной, но на практике продолжительность перебоя питания из-за неисправности в энергосистеме определяется эффективностью и оперативностью работы защитных устройств силовых сетей;
- провалы напряжения (п. 3.1.25 ГОСТ 32144) – снижение среднеквадратичного напряжения или тока на частоте питания от 0,1 до 0,9 номинального значения в течение от 0,5 цикла до 1 мин – обычно связаны с неисправностями системы, но также могут быть вызваны повышением напряжения тяжелых нагрузок или запуском мощных двигателей.
Так, на рис. ниже показан типичный эффект провала напряжения при запуске электродвигателя, обусловленный тем, что двигатель потребляет от 6 до 10 раз больше тока полной нагрузки во время запуска.
