Качество на електрозахранването

Електроенергията се разпределя в обществените мрежи от електрическите генератори до потребителите. Когато се генерира, тя е с много чиста синусоидална форма на вълната на напрежението, но с възможност за вариации в честотата. При преноса на електроенергия от източника до потребителите се наблюдават различни неприятни въздействия върху нея, като удари от гръмотевична дейност, честотни смущения от радио и телевизионни предаватели. Колебанията в консумацията на електроенергия и превключванията на различните товар се отразява на всички останали в мрежата.
В тази статия на списание ЕНЕРГИЯ обръщаме внимание на различни аспекти и фактори, свързани с качеството на електроенергията. Даваме информация за стандарта EN50160:2000. Правим преглед на най-често използваните решения за защита и подобряване на качеството на електроенергията.

Все повече се използва електрическо и електронно оборудване, което увеличава натоварванията на електроразпределителните мрежи. Това само по себе си е проблем, но електрическите и електронните технологии непрекъснато се променят, особено поради сегашната тенденция към по-висока ефективност, която да замени по-старите технологии. Например, почти всички двигатели с директни пускатели от десетки MW до част от kW са заменени от моторни задвижвания с променлива скорост със силови електронни преобразуватели. Лампите с волфрамова спирала се заменят с енергоспестяващи флуоресцентни лампи, които използват електронни импулсни преобразуватели. В професионалния ни живот сега работят много повече компютри, принтери и други електронни „машини", отколкото сме използвали досега, а в нашия дом всички сме заети с придобиването на компютри, широкоекранни телевизори и системи за домашно кино, DVD плейъри и др. Всички тези модерни служебни и домакински уреди са свързани към електрическата мрежа чрез електронни импулсни преобразуватели. Честотните преобразуватели, като например моторните задвижвания с променлива скорост, също инжектират значителни количества хармоници и междинни хармоници в захранването. Тенденциите за енергоспестяване водят до по-често включване на устройствата, например контролиране на осветлението според наличието на хора, изгасване на мониторите на компютрите, ако мишката не е била преместена за известно време, и т.н. Това води до повишени нива на краткотрайните колебания при натоварване, а оттам и увеличаване на колебанията и изкривяването на вълната на синусоидата на мрежовото напрежение. Повече устройства, свързани към мрежата, означава още възможности за повреди, така че броят на спадовете, отпаданията и дисбалансите, причинени от аварии, като изгаряне на предпазители и отваряне на прекъсвачи, се увеличават.
Факторите, които влияят на качеството на електроснабдяването на потребителите, включват вариации на честотата, трифазен дисбаланс, инжекция на постоянен ток в променливотоково захранване, пренапрежения (пикове, колебания, преходни напрежения и електростатичен разряд), понижено напрежение (спадове, понижаване, отпадне и прекъсване), колебания и трептене на напрежението, общ режим на напрежение с ниска честота, изкривявания на формата на вълната на напрежението (хармоници и междинни хармоници), оперативно напрежение, пренапрежение с висока честота и преходни процеси, индуктиране на радиочестотни напрежения и токове.

Преходни процеси в електроснабдяването
Преходен процес в електроснабдяването е смущение с бързо време на нарастване и спадане с високо пиково напрежение или ток. Редица изследвания са доказали, че преходните процеси са най-честата причина за проблеми с качеството на захранването и потискането на този скок е най-широко използваното решение за качество на електрическата енергия. Преходните явления не са лесни за предвиждане и рядко се наблюдават или доказват.
Мълниите крият много загадки за хората. Статистиката сочи, че в България от гръмотевици загиват около шест души годишно. У нас няма система за регистрации на мълнии, твърдят от Института по метеорология. Интересното е, че страната ни е сред водещите в Европа, където падат най-много мълнии. Средният брой на гръмотевиците е от 3 до 12 на квадратен километър годишно. Има райони с изразена гръмотевична активност - в София и Враца падат мълнии средно 40 дни в годината. Наблюденията на метеоролозите са, че гръмотевичната дейност през лятото носи големи поражения заради засегнати електрически мрежи. Температурата в тялото им достига до 20000°С, гърмът им се чува на 15-20km, a средната им дължина е 2-3km, но понякога достига и 20km. Светкавиците имат високи нива на енергия и са в състояние да унищожат оборудване или да започнат пожари. Най-рисковите области са тези, които са разположени близо до електропроводите, където преходните нива на напрежение може да бъдат над 10kV около десет пъти на година, в сравнение с офис сграда в града, където могат да се очакват нива от 3kV.
Самостоятелно генерираните преходни процеси могат да бъдат също толкова вредни, тъй като те постепенно предизвикват повреди в компонентите и тяхното преждевременно авариране. Особено уязвими са полупроводниците в изправителите, използвани в импулсни захранвания. Прекъсването на процеса може да бъде особено разрушително и скъпо. Вътрешните преходни процеси могат да бъдат причинени от заваръчна техника, пускане и спиране на голямо предприятие или дори обикновена фотокопирна машина.

Съществува стандарт EN50160:2000 за характеристиките на напрежението на електричеството, доставяно от обществените разпределителни системи, който определя лимит от 6kV, и стандарт EN61000-4-5, който предвижда тестване и техники за измерване, използвани за проверка на имунитета срещу пренапрежения. Интересното е, че този стандарт изисква само тест на оборудването за пренапрежение до 4kV, свързано помежду си чрез външни кабели и 1-2kV за нормална индустриална среда.

Затова в заключение, ако оборудването се повреди по необясними причини (особено изправители и полупроводници), това означава, че е имало преходни процеси и трябва да бъдат монтирани катодни отводители за потискане на пренапреженията.



Стандарт за качеството на електроснабдяването
Стандартът EN50160:2000 за характеристиките на напрежението на електроенергията, предоставяна от обществените разпределителни системи, дава граници и отклонения на различните явления, които могат да възникнат в захранващата мрежа. В таблицата са показани критериите за страна ниско напрежение на мрежата на захранване. Практическите изводи от тези данни са, че допустимите граници са широки.

Важно е да се провери дали предпазните блокировки и релетата преминават в начално състояние след спад или намаляване на напрежението, защото подобни инциденти могат да се появят доста често. Контролното и технологично оборудване, което е чувствително към измененията на напрежението, трябва да се употребява с повишено внимание, тъй като допустимото отклонение на напрежението е много широко и може да преминава извън ±10% за 5% от времето. Преходните отклонения са големи и използването на устройства за защита от пренапрежение трябва да се обмисли внимателно, особено в случаите, когато производството на скъпи компоненти или процеси е свързано с продължително и скъпо струващо време за рестартиране.

Хармоници
Хармониците се определят като синусоидални компоненти на нелинейна периодична форма на сигнала с честота, която е кратна на основната честота. Всяко превключване на синусоидалната вълна на мрежовото захранване ще произведе много други синусоидални вълни с по-високи честоти, които не са очевидни, но са вредни.

Да вземем като пример инвертор или импулсно захранване с мощност 1,5kW. Върховият ток е около 60А, което се дължи на многото токове от хармоници с по-високи честоти, вместо 6,52A. Това показва един от основните ефекти на хармониците – изключително големи токове, а импулсните захранвания се използват навсякъде при компютри, телевизори, енергоспестяващи лампи, инвертори, климатични инсталации и фазови контролери. Освен това, токовете от хармониците причиняват нарушаване на формата на вълната на захранващото напрежение, загряване на трансформатори и кондензатори, както и намаляване на товароносимостта на кабелите поради скин ефекта (явление, при което токове с по-висока честота протичат само във външния слой на кабела).

От гледна точка на производителите на оборудване е важно да са наясно с хармониците, защото те могат да предизвикат значително намаляване на характеристиките на защитните устройства и кабелите. Някога товарите са били обикновено прости индуктивни видове и са били добавяни кондензатори за корекция на фактора на мощността. Сега товарите са много по-сложни и се състоят от много различни съпротивителни, капацитивно реактивни и индуктивно реактивни елементи. Необходими са по-сложни решения за коригиране на тези влияния, но любопитното е, че се използва все същия термин – корекция на фактора на мощността.

Качеството на електроенергията се превръща във важен въпрос
Компонентите стават много по-малки, по-специално дроселите и трансформаторите, които често са най-обемните и най-тежките устройства. Следователно, най-съвременните уреди като телевизори, хладилници, климатици, енергоспестяващо осветление и компютрите неизменно използват импулсно електрозахранване. В индустриалния сектор почти всички задвижвания с променлива скорост работят на принципа на ключовия режим. Друго голямо предимство на този режим на захранване е, че е просто въпрос на време да се саморегулира. С други думи, ако захранващото напрежение спадне, зададеното съотношение се коригира и така захранващият ток се увеличава. Изходното напрежение остава постоянно и по този начин се гарантира нормално захранване към товара.

Всички тези фактори влияят върху качеството на електрозахранването. По-малките и по-бързите електронни устройства нямат същия имунитет срещу повреда от електрическата среда, както техните предшественици. Което е по-лошо, те също допринасят за нарастващото разпространение на смущенията и по този начин застрашават тяхната собствена способност да функционират правилно.

Общото повишаване на тока има няколко последици. Много защитни изключвания имат за цел да се задействат при определени граници на тока, така че захранващата мрежа да не може да спре да функционира, въпреки че на теория има достатъчно мощност. Комутация от всякакъв вид генерира хармоници, така че това са скрити токове, които са разточителни и може да се натрупат до много високи нива. Нещо повече, по-големите токове създават по-големи загуби (I2R), а също така токовете с по-висока честота причиняват скин ефект в проводниците, което също може да доведе до загуби или занижаване на параметрите. Това става значително при 7-ми хармоник (350Hz) и нагоре.

Освен това, могат да се увеличат загубите от вихрови токове в трансформаторите и двигателите. Крайният ефект е, че има по-голяма вероятност от повреда в захранването, загуба на оборудване, пожар, причинен от прегряване, повреда на компоненти или неизправност на електрическите съоръжения. Поради това е неизбежно присъствието на по-строг контрол на качеството на електрозахранването, за да съвпадне с непрекъснатото създаване на по-сложно електрическо оборудване.

Основни причини за проблеми с качеството на захранването
Трудно е да се получат смислени статистически данни за повреди поради преходни явления. Според едно проучване проведено за IBM, свързано с честотата на вредни смущения, причиняващи повреди в компютърната техника, резултатите са вариация на напрежението 11%, прекъсвания 0,5%, светкавици 39,5%, осцилаторни преходни процеси 49%, или общо 88,5% поради преходни явления.

Ето защо, от гледна точка на защита или намиране на повреда, ще бъде логично да се приемат преходните процеси като най-вероятният източник на проблеми, свързани с качеството на захранването. Нека не забравяме, че е също толкова вероятно да бъдат генерирани от вътрешен източник, както и от външен.

Най-често използвани решения
В наскоро проведено изследване се цитира, че най-често използваната защита е защитата от пренапрежение (преходно). Пасивните филтри са на 8-мо място в изследването, което е много изненадващо като се има предвид, че те са толкова широко приети и се монтират от индустрията като цяло.

Защитата от пренапрежение включва заземяване за защита срещу мълнии и взаимосвързване на оборудване. В нова сграда това може да бъде идеалното решение, но в съществуваща промишлена инсталация не би било толкова практично. Монтирането на устройства за защита от пренапрежение, които са лесно достъпни на пазара, вероятно ще бъде най-разумният подход в такива случаи.

UPS-ите са широко използвани от повечето собственици на компютри. Едва ли е изненадващо, че те са на второ място в списъка, но не са на първо, което показва значението на защита от пренапрежение.

Реално RMS измерване не е най-очевидното средство, но ако се вземат погрешни измервания за тока инсталираното оборудване ще бъде неправилно избрано. Това може да се избегне, ако се отчете ефективният ток на основния хармоник, плюс токовете от хармониците с истински RMS мултиметър.

Занижаване на номиналните характеристики на оборудването: трансформаторите не харесват товари с хармоници. Повишеното загряване, генерирано от замърсяването с хармоници, може да доведе до редица проблеми. Често занижаването е най-лесният вариант, но не непременно най-доброто дългосрочно решение.

Надеждни вериги – чрез свързване на големи товари към трансформатор има по-малка вероятност за генериране на хармонично замърсяване или удари при стартиране. Товарите, чувствителни към хармоници, също трябва да имат своя собствена верига за захранване. За товари с хармоници могат да бъдат използвани няколко кабела, а не един единствен кабел, който би бил склонен към загряване поради токове в неутралата, и не толкова ефективен, заради "скин ефекта", причинен от 7-ми хармоник и по-високи.

Пълно повторно окабеляване често (в около 24% от случаите в проучването) се приема, защото оригиналните кабели не са в състояние да захранват съвременните товари. Очевидно това е разрушително, скъпо и драстично решение, но то намалява риска от пожар и спиране. Зонирането е друг метод, който се използва за намаляване на вероятността от проблеми с качеството на захранването. Това включва класифициране на товарите по отношение на непрекъснатост, безопасност и влияние от електромагнитни смущения, така че всяка група да има свои специфични захранващи проводници и методи на заземяване.

Многоконтурното заземяване осигурява път с малък импеданс до земята за широк диапазон от честоти. Тази техника на заземяване също създава голям брой от потенциални токови контури, но понеже има голям брой земни връзки, нивата на тока не са от решаващо значение.

Пасивните филтри често са предназначени за намаляване на хармониците, но те могат да включват и други ползи, като защита от пренапрежение или корекция на фактора на мощността. Филтрите могат да се монтират на отделни товари или да се използват централно, в зависимост от индивидуалните изисквания на обекта.

Активните филтри са скъпи, но могат да бъдат много ефективни когато се прилагат избирателно. Те предлагат и други предимства, като например толерантност към нарушена форма на вълната и поддържане на напрежението по време спадове или понижаване, активна корекция на фактора на мощността.

Преминаване към система на заземяване TN-S: на много места се използва широко системата на заземяване TN-C. „C" означава, че неутралата и земята са обединени в един проводник. Система с напълно отделен заземяващ и неутрален проводник ("S") е много по-добра за EMC.

Увеличаване на сечението на неутралата: големият брой от еднофазни хармонични товари ще създаде голям ток в неутралата заради натрупването на трети хармоник. Това може да бъде до 1,7 пъти от ефективния линеен ток. В такива случаи е препоръчително да се увеличи сечението на нулевия проводник.

Колко енергия е необходима, за да се причини повреда в оборудването?
Преходни напрежения с амплитуда по-малка от 3V или ниво на енергия само 0,1μJ могат да повредят компонентът или да причинят неизправност в системите. Броят на повторенията също е от значение, тъй като компонентът не може да се повреди при първия удар.

Една от номиналните величини на устройствата за защита от токови удари е количеството енергия, което те могат да абсорбират преди да се повредят, измерена в джаули. Тази стойност, обаче, е по-малко важна от максималното пробивно напрежение и максималния ток на издържане. Друга важна част от информацията е категория за място на монтаж A, B или C. Освен това, производителите често цитират стойности на време в техните спецификации (т.е. 1.2/50μs или 8/20μs), които означават време за нарастване и намаляване на вълните на напрежението и тока.

Най-неблагоприятните преходни напрежения или колебания са причинени от мълнии и могат да достигнат до 6kV в близост до въздушните електропроводи. Съответните нива на тока могат да достигнат до 3kA. Като се има предвид най-лошият случай – 6000V х 3000А = 18 милиона вата. Въпреки това, големината на ударите на напрежението и тока зависят от местоположението и източника. Например, включване на индуктивни реактивни товари, флуоресцентни лампи или стопяеми предпазители могат да генерират преходните процеси, но обикновено не с такива високи нива на енергия.

Днес се превръща в стандартна практика да се монтира устройство за защита от пренапрежение от страна на захранването на електрическите съоръжения.