Электрические сети и сбои питания

Эту картину видимо можно считать типичной для большинства развитых стран. (Заметим в скобках, что и источники бесперебойного питания, производимые в этих странах, в большинстве случаев ориентированы именно на такую электрическую сеть).

К сожалению и эта картина не всегда соответствует нашей действительности. Фирмой "А и Т Системы" по заказам разных клиентов проводились обследования электрической сети на предприятиях в разных местах России и за рубежом. Кроме того, к нам также поступала косвенная информация о состоянии электрической сети в разных местах бывшего СССР. Таких обследований было не так много, чтобы можно было делать профессиональные статистические выводы, но все же кое-что просто бросается в глаза.

Рис. 2. Виды сбоев электропитания.

Наиболее часто встречающейся неполадкой в электрической сети, так же, как и в США, можно считать пониженное напряжение в сети. Однако этот вид сбоя питания вовсе не так доминирует над остальными видами сбоев.

Начнем с того, что повышенное напряжение в сети встречается почти так же часто, как и пониженное напряжение. Причем для разных мест (городов, районов, предприятий) обычно характерен определенный уровень напряжения в сети. Где-то оно может быть в основном пониженное, в других местах в основном нормальное или в основном повышенное. Этот уровень сохраняется примерно одинаковым все время. На его фоне происходят циклические изменения напряжения, связанные с изменением нагрузки в электрической сети.

Самый короткий цикл изменения напряжения - дневной. На рис. 3 приведены реальные графики изменения напряжения в двух точках России (отстоящих друг от друга на полторы тысячи километров) в течение суток.

Рис. 3. Суточный цикл изменения напряжения в сети.

Нижняя кривая на рис. 3 получена в сети с пониженным напряжением. Стабильное ночью напряжение около 215 В снижается с началом дня и вновь возрастает вечером, когда большинство потребителей отключаются.

Средняя кривая на рис. 3 получена в электрической сети с повышенным напряжением. Здесь наблюдается более характерная зависимость напряжения от времени суток. Стабильное ночью напряжение понижается утром, достигая минимума в середине рабочего дня, и плавно нарастает к его концу.

Оба описанные графика получены в рабочие дни недели. Верхний график на рис. 3 получен в праздничный день в том же месте, что и средний график. В этом случае напряжение остается стабильно повышенным в течение суток.

Если включить в рассмотрение и напряжение в выходные дни, то мы получим следующий по длительности цикл изменения напряжения в электрической сети - недельный. Видимо существуют циклы изменения напряжения большей длительности (например, годовой цикл) но они нами никогда не отслеживались.

В России, и особенно в других странах СНГ, наблюдается вид сбоя питания совершенно неизвестный на Западе. Это нестабильная частота. Самым характерным примером являлась Грузия в 1992-1994 годах. Энергосистема Грузии в целом видимо была очень сильно перегружена. Поэтому частота в сети могла опускаться до 42 Гц.

Само по себе изменение частоты не представляет существенной опасности для оборудования, оснащенного импульсным блоком питания, но очень низкая частота обычно сопровождается сильными гармоническими искажениями, которые могут отрицательно повлиять на работу не только компьютера, но и большинства источников бесперебойного питания (ИБП) . Кроме того, многие ИБП среднего класса воспринимают сильное понижение частоты как аварийный случай и начинают расходовать заряд батареи. Батарея разряжается через несколько минут и вся работа на этом заканчивается.

В России пониженная частота встречается довольно редко. Тем не менее, даже в Москве сотрудниками фирмы Merlin Gerin была, по их словам, однажды зарегистрирована частота ниже 45 Гц. В наших измерениях частота ниже 49.5 Гц не встречалась.

Еще одной отличительной особенностью России являются причины (и, соответственно, количество) полных отключений напряжения. Аварии и стихийные бедствия, являющиеся причинами полного отключения напряжения в развитых странах, случаются у нас примерно с такой же частотой, что и там. Но в России эти случайности не являются единственными, и даже главными, причинами полного исчезновения напряжения. Свое уверенное слово говорит человеческий фактор.

Дело в недостатке знаний. Электрики, обслуживающие офисное здание с множеством компьютеров, обычно не имеют никакого представления о том, какие последствия имеет отключение напряжения для компьютеров и данных. Поэтому они ведут себя совершенно так же, как и 20 лет назад.

При возникновении какой-либо проблемы с электропитанием на этаже (например, отключился автоматический выключатель - предохранитель), электрик начинает искать автоматический выключатель, отвечающий за зону, в которой возникла проблема. Ищет он разумеется не по схеме (это долго, да и схемы у него возможно, или скорее всего, нет). Он просто последовательно отключает и тут же включает все автоматы на щитке и смотрит на результат. В момент, когда в нужном помещении появляется свет, он считает свою миссию законченной.

Если нужный автомат окажется последним, то в течение минуты каждая электролампа и каждый компьютер на этаже подвергнутся кратковременному (менее секунды) отключению напряжения. Для освещения ничего страшного не происходит, люди обычно даже не успевают испугаться, оказавшись на мгновение в темноте. Но секундного отключения вполне достаточно для потери данных на компьютерах.

Особенно часто такие случаи бывают весной и осенью, когда заканчивается или начинается отопительный сезон. Если отопление уже отключили или еще не включили, и вдруг похолодало, то люди реагируют стандартно: они включают электрические подогреватели. Если электрическая сеть сильно нагружена, то подключение дополнительных (и мощных) потребителей может привести к срабатыванию автоматического предохранителя. А теперь вернитесь на два абзаца назад.

Такой цикл включений и отключений может в некоторых организациях повторяться по несколько раз в день.

В остальном электрическая сеть в России ведет себя примерно так же, как и в США.

Отметим еще один вид искажений электропитания, не рассмотренный Bell Labs. Речь идет об искажениях формы синусоиды, связанных с работой компьютеров и других нелинейных нагрузок.

При работе импульсных блоков питания в сильно перегруженной сети могут возникать искажения формы синусоидального напряжения. Это может выражаться в срезании вершины синусоиды и появлении гармоник - колебаний кратных частот. Эти искажения могут приводить к неполадкам в работе другого чувствительного оборудования, например измерительных приборов или видеоаппаратуры.

Искажения формы кривой напряжения усугубляются специфическими свойствами трехфазной электрической сети, изначально предназначенной для работы только с синусоидальными напряжениями и токами. Работа компьютеров в трехфазной электрической сети рассмотрена в разделе "Особенности трехфазных источников бесперебойного питания" главы 8.

Для любителей эмоционального осмысления неприятностей с электричеством, а также тем, кто склонен часто жаловаться на качество электрической энергии, можно рекомендовать один из лучших технологических романов Артура Хейли: "Перегрузка". Читая его, вы в течении нескольких часов сможете посмотреть на ситуацию со стороны производителя электроэнергии.

Таблица 2. Виды сбоев электропитания

Перегрузки

Попробуем слегка систематизировать уже сказанное относительно изменения нагрузки в сети.

Перегрузки (т.е. ситуации, когда ток в сети выше номинального или предельно допустимого для участка электрической сети) могут происходить на разных уровнях системы электроснабжения. Соответственно разные и последствия.

Локальная перегрузка - это перегрузка сети на участке от потребителей до ближайшего автоматического предохранителя. Перегрузки на участке сети могут вызывать срабатывание этого предохранителя и, следовательно, локальное отключение напряжения.

Местная перегрузка возникает, если перегружена вся линия от потребителей до понижающего трансформатора. Происходит снижение напряжения в сети. При сильных перегрузках и выходе из строя локальных систем защиты, возможно срабатывание системы защиты подстанции, также сопровождаемое временным полным отключением напряжения. Это отключение распространяется на всех потребителей, питаемых от этого трансформатора.

Общая перегрузка возникает, если перегружена вся энергосистема или существенная ее часть. В этом случае, помимо снижения напряжения может происходить и уменьшение частоты синусоидального напряжения. При глубоких общих перегрузках возможно срабатывание защиты на электростанции и отключение напряжения в системе в целом. В России перегрузки такого рода не встречаются или встречаются крайне редко. Основным препятствием для возникновения такой перегрузки является грамотное управление участком энергосистемы (временное, в том числе плановое, отключение части потребителей и другие способы уменьшения нагрузки).

Классическим случаем общей перегрузки является широко известный случай, произошедший в Нью-Йорке полтора десятилетия назад. В разгар рабочего дня из-за аварии на одной из подстанций города, все питаемые ею потребители были отключены. Автоматическая система управления энергосистемой немедленно восстановила питание потребителей, подключив их к другим подстанциям. Одна из подстанций была нагружена почти полностью, не выдержала дополнительной нагрузки и отключилась. Ее потребители опять были автоматически распределены между другими подстанциями. Началась цепная реакция отключения подстанций, охватившая весь Манхэттэн - деловой центр Нью-Йорка. Результатом мелкой аварии в сочетании с недоработанной системой управления и недостаточной выучкой диспетчеров было погружение во тьму офисов сотен крупнейших фирм мира.

Совершенно особенным случаем перегрузки является временная перегрузка, связанная со стартовыми токами, возникающими при запуске почти любого оборудования. Стартовый ток может превышать номинальный ток потребления электрического прибора в единицы, десятки и (к счастью очень редко) в сотни раз. В зависимости от величины стартового тока, временная перегрузка может распространиться на больший или меньший участок сети. Чаще всего включение оборудования вызывает местные перегрузки, но известны случаи, когда включение одного очень мощного агрегата вызывает перегрузку энергосистемы целой страны.

Например, в Монголии есть крупное горнообогатительное предприятие "Эрдэнэт", бывшая "стройка социализма", а сейчас совместное монгольско-российское предприятие. Это предприятие является крупнейшим в стране и потребляет примерно треть всей монгольсой электроэнергии (соответственно примерно 120 и 300 МВт ). Основой технологического процесса являются шаровые мельницы, перемалывающие руду в мелкую пыль. Барабан такой мельницы имеет диаметр 6 метров и длину около 18 метров. Электродвигатель, который крутит барабан - тоже не маленький - его мощность 5 МВт .

Мельницы работают круглосуточно, месяцы напролет. Каждая остановка для профилактического ремонта (или, наоборот, включение) - крупное событие, планирующееся за много месяцев. Дело в том, что двигатель мельницы запускается под нагрузкой (нужно преодолеть огромную инерцию барабана), и стартовые токи могут превышать номинальные в 10 раз. А 50 МВт - это почти 20 % от мощности энергосистемы Монголии. Управляемый запуск (например с помощью тиристорного привода) такого двигателя пока невозможен - слишком большая мощность.

Однажды мне довелось с осциллографом в руках следить за таким запуском. Он прошел очень удачно - напряжение (видимо по всей стране) просело всего на 12 вольт. Сказалось временное подключение энергосистемы Монголии к российской - часть пиковой нагрузки взяло на себя Иркутскэнерго.

В трехфазной сети, нагруженной в основном компьютерами, может возникать еще один вид перегрузки: перегрузка нейтрального провода из-за искаженной формы кривой тока нагрузки. Его особенная опасность обусловлена в основном тем, что не может быть обнаружена обычными щитовыми приборами и почти всегда остается незамеченной, а также отсутствием предохранителей на нейтральном проводе.

Нейтральный провод

Нейтральный провод в трехфазной системе переменного тока выполняет очень важную функцию. Он служит для выравнивания фазных напряжений во всех трех фазах при разных нагрузках фаз (или, как говорят электрики, - перекосе фаз).

В случае обрыва нейтрального провода при неодинаковых нагрузках в фазах фазные напряжения будут различными. В фазах с большой нагрузкой (меньшим сопротивлением) напряжение будет ниже нормального, даже если эта фаза очень далека от перегрузки. В фазах с меньшей нагрузкой (большим сопротивлением) напряжения станет выше нормального.

Особенно опасным является короткое замыкание после обрыва нейтрального провода. При этом напряжение на оставшихся незакороченными фазами возрастает в корень из трех раз (с нормальных 220 В до 380 В ). Для исключения обрыва на нейтральном проводе не устанавливают предохранителей и выключателей. Этот вид сбоя электропитания является одним из самых опасных, но при правильном проектировании и эксплуатации электрической сети или системы бесперебойного питания встречается очень редко.

В России применяется четырехпроводная трехфазная электрическая сеть. Она еще называется электрической сетью с глухо-заземленной нейтралью. За этими словами скрывается вполне простой факт: нейтральный провод на подстанции заземлен и практически не только выполняет свою функцию "симметрирования" трехфазной сети, но и используется как защитное заземление.

В Европе обычно применяется пяти-проводная электрическая сеть. В такой электрической сети имеется отдельный (пятый) провод заземления и нейтральный провод выполняет только одну функцию. Кстати сказать, все западные трехфазные ИБП предназначены для использования именно с такой электрической сетью.

Нейтральный провод рассчитан на эффективную компенсацию токов в разных фазах в случае синусоидальных токов в трехфазной электрической сети. Если в электрическую сеть включено много компьютеров, то форма кривой тока искажается и эффективность работы нейтрального провода резко снижается. При этом возможны опасные перегрузки нейтрального провода и искажения формы кривой напряжения. Подробнее об этом рассказано в главе 8.