Električne mreže i kvarovi električne energije

Ova slika se očito može smatrati tipičnom za većinu razvijenih zemalja. (U zagradama napominjemo da su besprekidni izvori napajanja proizvedeni u ovim zemljama u većini slučajeva orijentirani upravo na takvu električnu mrežu).

Nažalost, ova slika ne odgovara uvijek našoj stvarnosti. Tvrtka "A and T Systems", na zahtjev različitih klijenata, provela je istraživanja električne mreže u poduzećima u različitim mjestima u Rusiji i inozemstvu. Osim toga, dobili smo i posredne informacije o stanju električne mreže u različitim mjestima bivši SSSR. Takvih istraživanja nije bilo toliko da bi se moglo donositi stručne statističke zaključke, ali ipak nešto jednostavno upada u oči.

Riža. 2. Vrste nestanka struje.

Najčešći problem u električnoj mreži, baš kao iu Sjedinjenim Državama, može se smatrati niskim naponom u mreži. Međutim, ovaj tip nestanka struje uopće nije toliko dominantan kao drugi tipovi kvarova.

Počnimo s činjenicom da se visoki napon u mreži pojavljuje gotovo jednako često kao niski napon. Štoviše, za različita mjesta (gradove, regije, poduzeća) to je obično karakteristično određenu razinu mrežni napon. Ponegdje može biti uglavnom niska, drugdje uglavnom normalna ili uglavnom visoka. Ova razina ostaje približno ista cijelo vrijeme. Na toj pozadini dolazi do cikličkih promjena napona zbog promjena opterećenja u električnoj mreži.

Najkraći ciklus promjene napona je dnevni. Na sl. Slika 3 prikazuje stvarne grafikone promjena napona na dvije točke u Rusiji (na udaljenosti od tisuću i pol kilometara) tijekom dana.

Riža. 3. Dnevni ciklus promjena napona u mreži.

Donja krivulja na Sl. 3 primljen je u mreži sa smanjenim naponom. Stabilni noćni napon je cca. 215 V opada s početkom dana i ponovno raste navečer, kada se većina potrošača gasi.

Srednja krivulja na Sl. 3 dobivena je u električnoj mreži s povišenim naponom. Ovdje postoji karakterističnija ovisnost napona o dobu dana. Noću je stabilan, ujutro se napon smanjuje, sredinom radnog dana dostiže minimum, a prema kraju postupno raste.

Obje opisane karte dobivene su radnim danima. Gornji grafikon na Sl. 3 primljen je na praznik na istom mjestu kao i srednji grafikon. U ovom slučaju, napon ostaje stabilno povišen tijekom dana.

Uračunamo li u obzir i napon vikendom, dobivamo sljedeći najdulji ciklus promjena napona u električnoj mreži - tjedan dana. Navodno postoje ciklusi promjena napona duljeg trajanja (npr. godišnji ciklus), ali ih nikada nismo pratili.

U Rusiji, a posebno u drugim zemljama ZND-a, postoji tip nestanka struje potpuno nepoznat na Zapadu. Ovo je nestabilna frekvencija. Najtipičniji primjer bila je Gruzija 1992.-1994. Energetski sustav Gruzije u cjelini bio je očito vrlo preopterećen. Stoga bi frekvencija u mreži mogla pasti na 42 Hz.

Sama promjena frekvencije ne predstavlja značajnu opasnost za opremu opremljenu prekidačkim napajanjem, ali je vrlo niska frekvencija obično praćeno teškim harmoničnim izobličenjem, što može nepovoljno utjecati na rad ne samo računala, već i većine neprekidni izvori napajanja (UPS). Osim toga, mnogi UPS srednja klasa snažno smanjenje frekvencije doživljava kao hitan slučaj i počinje trošiti bateriju. Baterija se isprazni nakon nekoliko minuta i sav posao tu prestaje.

U Rusiji je smanjena učestalost prilično rijetka. Međutim, čak iu Moskvi, zaposlenici tvrtke Merlin Gerin, prema njihovim riječima, jednom su zabilježili frekvenciju ispod 45 Hz. U našim mjerenjima nisu pronađene frekvencije ispod 49,5 Hz.

Još jedan razlikovna značajka Rusija su uzroci (i, sukladno tome, broj) potpunih nestanaka struje. Nesreće i elementarne nepogode, koje u razvijenim zemljama uzrokuju potpune nestanke struje, ovdje se događaju otprilike jednakom učestalošću kao i tamo. Ali u Rusiji te nesreće nisu jedini, pa čak ni glavni razlozi potpunog nestanka napetosti. Ljudski faktor govori svoju pouzdanu riječ.

To je stvar nedostatka znanja. Električari koji servisiraju uredsku zgradu s mnogo računala obično nemaju pojma kakve su posljedice nestanka struje za računala i podatke. Dakle, ponašaju se potpuno isto kao i prije 20 godina.

Ako postoji bilo kakav problem s napajanjem na podu (na primjer, osigurač- osigurač), električar počinje tražiti prekidač koji je odgovoran za područje u kojem se pojavio problem. Naravno, on ne traži po šabloni (to traje dugo, a on vjerojatno nema šablonu ili najvjerojatnije nema). Jednostavno gasi i odmah pali sve aparate na ploči i gleda rezultat. Onog trenutka kada se svjetlo pojavi u željenoj sobi, svoju misiju smatra završenom.

Ako je traženi stroj posljednji, tada će u roku od jedne minute svaka električna svjetiljka i svako računalo na podu doživjeti kratkotrajni (manje od sekunde) prekid struje. Što se tiče rasvjete, ništa se strašno ne događa, ljudi se obično nemaju vremena ni uplašiti, nalazeći se na trenutak u mraku. Ali drugo gašenje sasvim je dovoljno da dođe do gubitka podataka na računalima.

Takvi se slučajevi osobito često događaju u proljeće i jesen, kada se sezona grijanja. Ako je grijanje već isključeno ili još nije uključeno, a odjednom postane hladnije, tada ljudi reagiraju standardno: pale električne grijalice. Ako je električna mreža jako opterećena, tada priključivanje dodatnih (i snažnih) potrošača može uzrokovati iskakanje automatskog osigurača. Sada se vratite dva odlomka unazad.

Ovaj ciklus paljenja i gašenja se u nekim organizacijama može ponoviti nekoliko puta dnevno.

Inače, električna mreža u Rusiji ponaša se približno isto kao u Sjedinjenim Državama.

Imajte na umu drugu vrstu izobličenja napajanja koju Bell Labs ne razmatra. Govorimo o distorzijama oblika sinusoida povezanih s radom računala i drugih nelinearnih opterećenja.

Prilikom rada prekidačkih izvora napajanja u jako preopterećenoj mreži može doći do izobličenja oblika sinusni napon. To se može izraziti u odsijecanju vrha sinusoide i pojavi harmonika - oscilacija više frekvencija. Ovo izobličenje može uzrokovati probleme s drugom osjetljivom opremom, kao što je mjerni instrumenti ili video opreme.

Izobličenja valnog oblika napona pogoršana su specifičnim svojstvima trofazne električne mreže, koja je izvorno projektirana za rad samo sa sinusoidnim naponima i strujama. O radu računala u trofaznoj električnoj mreži govori se u odjeljku "Značajke trofaznih izvora neprekidnog napajanja" u 8. poglavlju.

Za ljubitelje emotivnog razumijevanja nevolja sa strujom, kao i one koji se često žale na kvalitetu električna energija, možemo preporučiti jedan od najboljih tehnoloških romana Arthura Haleya: Preopterećenje. Čitajući ga, u roku od nekoliko sati moći ćete sagledati situaciju iz perspektive proizvođača električne energije.

Tablica 2. Vrste nestanka struje

Preopterećenje

Pokušajmo malo sistematizirati ono što je već rečeno o promjenama opterećenja u mreži.

Preopterećenja (tj. situacije kada je struja u mreži veća od nazivne ili najveće dopuštene za dio električne mreže) mogu se pojaviti na različitim razinama sustava napajanja. Sukladno tome i posljedice su različite.

Lokalno preopterećenje je preopterećenje mreže u području od potrošača do najbližeg automatskog osigurača. Preopterećenja u dijelu mreže mogu uzrokovati aktiviranje ovog osigurača i stoga uzrokovati lokalni nestanak struje.

Do lokalnog preopterećenja dolazi ako je cijeli vod od potrošača do silaznog transformatora preopterećen. Napon mreže se smanjuje. U slučaju ozbiljnih preopterećenja i kvara lokalnih zaštitnih sustava, može doći do aktiviranja sustava zaštite trafostanice, uz privremeni potpuni prekid napajanja. Ovo isključenje odnosi se na sve potrošače koji se napajaju iz ovog transformatora.

Opće preopterećenje nastaje kada je cijeli elektroenergetski sustav ili njegov značajan dio preopterećen. U tom slučaju, osim smanjenja napona, može doći i do smanjenja frekvencije sinusnog napona. U slučaju velikih općih preopterećenja može doći do aktiviranja zaštite u elektrani i prekida napona u sustavu kao cjelini. U Rusiji se ovakva preopterećenja ne događaju ili su izuzetno rijetka. Glavna prepreka za pojavu takvog preopterećenja je kompetentno upravljanje dijelom elektroenergetskog sustava (privremeno, uključujući planirano, isključenje nekih potrošača i druge metode smanjenja opterećenja).

Klasičan slučaj općeg preopterećenja dobro je poznati incident koji se dogodio u New Yorku prije desetljeće i pol. U jeku radnog dana, zbog havarije na jednoj od gradskih trafostanica, isključeni su svi potrošači koje ona opskrbljuje. Automatski sustav Uprava elektroenergetskog sustava odmah je vratila napajanje potrošačima spajajući ih na druge trafostanice. Jedna od trafostanica bila je gotovo potpuno opterećena, nije izdržala dodatno opterećenje i isključila se. Njegovi su potrošači opet automatski raspoređeni među ostalim trafostanicama. Počela je lančana reakcija gašenja trafostanica, koja je zahvatila Manhattan - Poslovni centar New York. Posljedica manje nesreće, u kombinaciji s nedovršenim sustavom upravljanja i nedovoljnom obučenošću dispečera, bilo je potonuće u mrak ureda stotina najvećih svjetskih kompanija.

Vrlo poseban slučaj preopterećenja je privremeno preopterećenje povezano sa strujama pokretanja koje se javljaju prilikom pokretanja gotovo svake opreme. Struja pokretanja može premašiti nazivnu potrošnju struje električni uređaj u jedinicama, desecima i (srećom vrlo rijetko) stotinama puta. Ovisno o veličini struje pokretanja, privremeno preopterećenje može se proširiti na veći ili manji dio mreže. Najčešće uključivanje opreme uzrokuje lokalna preopterećenja, no postoje slučajevi kada uključivanje jednog vrlo snažnog agregata uzrokuje preopterećenje energetskog sustava cijele države.

Na primjer, u Mongoliji postoji veliko rudarsko i prerađivačko poduzeće Erdenet, nekadašnje “socijalističko gradilište”, a sada zajedničko mongolsko-rusko poduzeće. Ovo poduzeće je najveće u zemlji i troši otprilike trećinu sve mongolske električne energije (prema otprilike 120 i 300 MW). osnova tehnološki proces su kuglasti mlinovi mljevenje rude u finu prašinu. Bubanj takvog mlina ima promjer 6 metara i duljinu oko 18 metara. Elektromotor koji vrti bubanj također nije mali – njegova snaga 5 MW.

Mlinovi rade danonoćno, mjesecima. Svako zaustavljanje radi preventivnog održavanja (ili, obrnuto, uključivanje) veliki je događaj, planiran mnogo mjeseci unaprijed. Činjenica je da se motor mlina pokreće pod opterećenjem (potrebno je prevladati ogromnu inerciju bubnja), a struje pokretanja mogu 10 puta premašiti nazivne struje. A 50 MW- ovo je gotovo 20% snage mongolskog energetskog sustava. Kontrolirano pokretanje (na primjer, korištenjem tiristorskog pogona) takvog motora još nije moguće - snaga je prevelika.

Jednom sam imao priliku pratiti takvo lansiranje s osciloskopom u rukama. Prošlo je vrlo dobro - napon (navodno u cijeloj zemlji) pao je za samo 12 volti. Utjecalo je privremeno spajanje mongolskog energetskog sustava na ruski - Irkutskenergo je preuzeo dio vršnog opterećenja.

U trofaznoj mreži koju opterećuju uglavnom računala, može se pojaviti još jedna vrsta preopterećenja: preopterećenje neutralne žice zbog iskrivljenog oblika krivulje struje opterećenja. Njegova posebna opasnost uglavnom je uzrokovana činjenicom da ga ne mogu otkriti konvencionalni uređaji s pločama i gotovo uvijek ostaje nezapažen, kao i nedostatkom osigurača na neutralnoj žici.

Neutralna žica

Neutralna žica u trofaznom AC sustavu obavlja vrlo važnu funkciju. Služi za izjednačavanje faznih napona u sve tri faze pri različitim faznim opterećenjima (ili, kako električari kažu, neravnoteža faza).

U slučaju prekida neutralne žice s nejednakim opterećenjima u fazama, fazni naponi će biti različiti. U fazama s velikim opterećenjem (manji otpor), napon će biti niži od normalnog, čak i ako je ova faza vrlo daleko od preopterećenja. U fazama s manjim opterećenjem (veći otpor), napon će postati viši od normalnog.

Posebno je opasan kratki spoj nakon prekida neutralne žice. U ovom slučaju, napon na preostalim fazama bez kratkog spoja povećava se za korijen tri puta (od normalnog 220V do 380V). Kako biste spriječili lom, nemojte postavljati osigurače ili sklopke na neutralnu žicu. Ova vrsta nestanka struje jedna je od najopasnijih, ali ako je električna mreža ili sustav neprekidnog napajanja ispravno projektiran i upravlja, vrlo je rijedak.

U Rusiji se koristi četverožična trofazna električna mreža. Naziva se i električnom mrežom s čvrsto uzemljenom nultom. Iza ovih riječi krije se vrlo jednostavna činjenica: neutralna žica na trafostanici je uzemljena i praktički ne samo da obavlja svoju funkciju "balansiranja" trofazne mreže, već se koristi i kao zaštitno uzemljenje.

U Europi se obično koristi petožilna električna mreža. U takvoj električnoj mreži postoji zasebna (peta) žica za uzemljenje, a neutralna žica obavlja samo jednu funkciju. Usput, sve zapadne trofazne UPS namijenjeni su za korištenje s takvom električnom mrežom.

Neutralna žica dizajnirana je za učinkovitu kompenzaciju struja u različitim fazama u slučaju sinusoidnih struja u trofaznoj električnoj mreži. Ako je mnogo računala spojeno na električnu mrežu, oblik krivulje struje je iskrivljen, a učinkovitost neutralne žice naglo smanjena. U tom slučaju moguća su opasna preopterećenja neutralne žice i izobličenje valnog oblika napona. O tome se detaljnije govori u 8. poglavlju.