Провалы напряжения
Экономические последствия провалов напряжения часто сильно недооцениваются. Но что собой представляет провал напряжения на самом деле? Как возникает провал напряжения? Можно ли предотвратить провал напряжения или нужно попытаться ограничить возможный ущерб путем своевременного распознавания? В этой статье подробно освещаются эти вопросы.
Что собой представляет провал напряжения?
В соответствии с европейским стандартом EN 50160 провалом напряжения считается внезапное понижение эффективных значений напряжения до значения от 90 % до 1 % от заданного, после чего следует непосредственное восстановление напряжения. Длительность провала напряжения составляет от половины периода (10 мс) до минуты.
Рис. 1: Пример провала напряжения
Если эффективное значение напряжения не опускается ниже 90 % от заданного значения, это рассматривается как нормальное рабочее состояние. Если напряжение падает ниже 1 % от заданного значения, это считается прерыванием.
Таким образом, провал напряжения не следует путать с прерыванием. Прерывание возникает, например, после срабатывания предохранителя (тип. 300 мс). Пропадание напряжения в сети распространяется в форме провала напряжения по остальной распределительной электросети.
На рисунке (рис. 2) уточняется разница между провалом, коротким прерыванием и пониженным напряжением.
Рис. 2: Разница между провалом, прерыванием и пониженным напряжением
Как возникает провал напряжения?
1.Токи включения
Одна из известных причин небольшого провала напряжения – это токи включения конденсаторов, двигателей или других устройств. На следующем рисунке можно увидеть, что при запуске двигателя сила тока на короткое время увеличивается. Падение напряжения на полных сопротивлениях Z и Z1 приводит к незначительному провалу напряжения на распределителе низкого напряжения (зона провала 1) и немного большему провалу напряжения за полным сопротивлением Z1 (зона провала 2).
Рис. 3: "Запуск" двигателей может привести к провалу напряжения
Решение проблем, вызванных подобными провалами, заключается в оптимизации установки. Включение устройств не должно приводить к возникновению критических провалов напряжения.
2.Короткие замыкания в сети низкого напряжения
При замыкании в сети низкого напряжения протекает ток короткого замыкания. Вклад тока короткого замыкания зависит от величины полных сопротивлений Z и Z3. На практике полное сопротивление Z3 больше. Размер полного сопротивления Z3 определяется, в частности, типом и длиной кабеля. Чем больше длина кабеля, тем меньше будет ток короткого замыкания.
Ток короткого замыкания вызывает падение напряжения по полному сопротивлению Z, при этом наблюдается кратковременный провал напряжения на главном распределителе низкого напряжения (зона провала 1).
При коротком замыкании должен сработать предохранитель группы 3. Если до срабатывания предохранителя проходит 100 мс, то на всей установке наблюдается сильный провал напряжения на 100 мс.
Рис. 4: Типичный пример рабочего состояния, при котором провал напряжения возникает в результате короткого замыкания в сети низкого напряжения
Хотя короткие замыкания в сети низкого напряжения встречаются, на практике им часто не уделяют внимания. Короткие замыкания в сетях среднего напряжения более критичны.
2.Короткие замыкания в сети среднего напряжения
Чаще всего провалы напряжения наблюдаются в сетях среднего напряжения. Они могут быть, в частности, вызваны следующими факторами:
- земляными работами,
- пробоем соединительной муфты,
- старением кабеля,
- коротким замыканием в воздушных сетях (бури, животные и т. п.)
На следующем рисунке (рис. 5) приведена типичная структура сети среднего напряжения. Известные трансформаторные будки / местные распределительные подстанции (зеленые точки) соединены друг с другом по кольцу и подключены к распределительной станции (синие точки). В кольце всегда имеется разрыв (см. кольцо из зеленых точек справа снизу). При возникновении короткого замыкания по цепи протекает ток короткого замыкания (красная линия). Он протекает до тех пор, пока предохранитель на распределительной станции не отключит кольцо. Это показано на левом рисунке (в кольце слева вверху).
Таким образом, во время короткого замыкания кратковременно протекает сильный ток. Из-за полных сопротивлений сети это приводит к кратковременному понижению напряжения во всей сети. Это кратковременное понижение напряжения выражается в форме "провала напряжения".
Рис. 5: Большинство провалов напряжения вызывается короткими замыканиями в сети среднего напряжения
Около 75 % провалов напряжения возникает в сети среднего напряжения. Часто они неизбежны для потребителя.
Короткие замыкания в сети высокого напряжения
Замыкания в сети высокого напряжения часто вызываются грозами или (ошибочными) включениями. Последние обычно наблюдаются на концах линий высокого напряжения.
Проблемы, связанные с провалами напряжения
Провалы напряжения могут привести к отказу компьютерных систем, ПЛК-установок, реле и преобразователей частоты. В критических процессах всего один провал напряжения может вызвать высокие затраты, особенно критичны в этом отношении непрерывные процессы.
Примером этому служат литье под давлением, экструзионные процессы, печать или обработка таких пищевых продуктов, как молоко, пиво или прохладительные напитки.
Связанные с провалом напряжения затраты складываются из:
- упущенной прибыли в результате простоя производственных мощностей,
- затрат на возобновление производственного процесса,
- затрат, связанных с задержками поставок продукции,
- затрат на испорченное сырье,
- затрат на устранение ущерба, причиненного машинам, приборам и матрицам,
- затрат на техобслуживание и оплату труда.
Средняя стоимость провала напряжения сильно зависит от отрасли:
- тонкая химия 190 000 евро
- микропроцессоры 100 000 евро
- металлообработка 35 000 евро
- текстильная промышленность 20 000 евро
- пищевая промышленность 18 000 евро
Часто процессы протекают без присутствия людей, поэтому провалы напряжения обнаруживаются не сразу. В этом случае, например, возможен незамеченный останов машины для литья под давлением. Когда останов обнаружится, уже будет нанесен ощутимый ущерб.
Клиенты получат продукцию слишком поздно, а пластмасса в машине затвердеет. В типографиях или в бумажной промышленности возможен разрыв бумаги, что может привести даже к пожару. Другой известный пример, это ущерб, нанесенный производителю шин Vredestein в результате провалов напряжения. http://www.rtvoost.nl/nieuws/default.aspx?nid=119051
Уязвимость ИТ-установок для провалов и прерывания напряжения
Именно ИТ-установки особенно подвержены влиянию провалов и прерывания напряжения. Это означает, что все процессы, управляемые микропроцессорами, уязвимы в отношении этих сбоев, например,
- ПЛК-установки,
- преобразователи частоты,
- системы управления станками,
- серверы, ПК и т. д.
На построенной Information Technology Industry Council кривой ITI-CBEMA видно, когда провал напряжения приводит к отказу ИТ-устройств, а когда пик напряжения вызывает повреждение ИТ-устройств. Хотя модель была разработана для сетей 120 В- 60 Гц, она также используется для устройств, подключенных к сетям 230 В- 50 Гц. Модель может использоваться производителями в качестве руководства при проектировании.
Рис. 6: Кривая ITI (CBEMA) показывает, когда провал напряжения приводит к отказу ИТ- оборудования
Как можно противостоять провалам напряжения?
Провалы напряжения в результате токов включения можно в определенной мере ограничить за счет усовершенствования конструкции установки. Провалы напряжения в результате коротких замыканий в сети низкого напряжения возникают, как правило, крайне редко. Большинство провалов напряжения вызывается замыканиями в сети среднего напряжения. Повлиять на причины возникновения подобных провалов невозможно.
Сами провалы можно устранить с помощью следующих устройств:
- Статические ИБП, источник постоянного напряжения с подключенным за ним инвертором. Это решение часто используется для перехода на аварийное питание от резервного агрегата.
- Синхронно работающий под нагрузкой маховик (динамические ИБП). При кратком прерывании или провале энергия поступает от маховика. Это решение недешево, оно часто используется в вычислительных центрах.
- Подключение управляющих и регулирующих установок процесса к стабилизированному источнику электроэнергии.
- Дооснащение электрической инфраструктуры. Это не всегда возможно и, разумеется, обходится недешево.
Исходя из этого видно, что устранение провалов напряжения обходится недешево. Поэтому своевременное определение провалов напряжения может оказаться очень полезным. С помощью хорошего инструмента создания отчета можно определить причины и принять целенаправленные (и поэтому более экономичные) меры.
Сигналы о провале напряжения
Компания Janitza предлагает широкий ассортимент анализаторов, способных распознавать короткие прерывания и провалы напряжения. Сетевой анализатор UMG 604 непрерывно контролирует более 800 электрических характеристик. Все каналы проверяются 20 000 раз в секунду, при этом регистрируются короткие прерывания и провалы напряжения и выдаются соответствующие предупреждения. На основании этих событий может быть отправлено сообщение электронной почты или SMS. Входящий в объем поставки пакет ПО GridVis-Basic позволяет генерировать подробные отчеты.
Рис. 7: Для оповещения о провалах напряжения предусмотрен компактный сетевой анализатор UMG 604
Анализатор UMG 604, установленный на панели ввода питания, представляет собой масштабное и экономичное решение для распознавания, регистрации, сигнализации и оповещения о провалах напряжения. Измерительное устройство оснащено веб-сервером, благодаря этому без больших затрат и без использования сложного ПО можно напрямую вызывать важнейшие параметры из измерительных устройств. С помощью встроенного браузера событий провалы и прерывания напряжения можно анализировать и документировать в форме отчетов.
Рис. 8: Сетевой анализатор на панели ввода питания распознает отклонения в напряжении
Компания Janitza предлагает следующие измерительные устройства для распознавания кратковременных прерываний:
- http://www.4top.nl/product-finder/energie/power-analysers/janitza/umg-604/JA500532/UMG 604 компактный сетевой анализатор для монтажа на DIN-рейке
- UMG 508, сетевой анализатор с цветным экраном с интуитивным управлением для монтажа на панели
- UMG 605, анализатор качества сети класса A для монтажа на DIN-рейке
- UMG 511, анализатор качества сети класса A с цветным экраном с интуитивным управлением для монтажа на панели
Анализ с помощью GridVis
Базовый пакет программы GridVis (GridVis-Basic) бесплатно поставляется вместе с измерительными устройствами Janitza. С помощью этого пакета, в частности, можно:
- считывать значения измерений в режиме реального времени,
- запрашивать архивные данные измерений в форме файлов и графиков,
- анализировать кратковременные прерывания, переходные напряжения и провалы напряжения,
- распечатывать полные отчеты EN 50160 "одним нажатием на кнопку" и
- генерировать простые отчеты качества / ошибок.
Рис. 9: С помощью GridVis можно выполнять даже масштабный анализ.
С использованием встроенного генератора отчетов можно объединять даже периодически возникающие провалы напряжения, короткие прерывания и пики напряжений с помощью кривой ITI-(CBEMA) в наглядные отчеты.
На расположенном ниже рисунке (рис. 10) видно, что возникло три провала напряжения, приведших к остановке установки.
Pис. 10: Отчет о провалах и пиках напряжения на основании кривой ITI
Итог
Провалы напряжения возникают относительно часто, они не всегда распознаются. Экономический ущерб от провалов напряжения больше, чем от прерываний. Путем дооснащения электрической инфраструктуры можно предотвратить целый ряд провалов напряжения. Использование бесперебойных источников питания или дроссельных катушек может снизить вред, нанесенный провалами напряжения. В некоторых случаях эти меры представляются слишком дорогостоящими. Первым шагом, тем не менее, всегда является распознавание и документирования провалов напряжения. Компания Janitza предлагает готовые решения, которые устойчиво и надежно осуществляют непрерывный контроль и анализ всех производственных процессов. За счет использования современных измерительных устройств можно своевременно обнаружить и устранить проблемы, связанные с качеством напряжения. Повышение надежности подачи электроэнергии гарантировано, затраты на техобслуживание снижаются, а срок службы производственной установки увеличивается.
