Електричні мережі та збої живлення

Цю картину певне вважатимуться типовою більшість розвинених країн. (Зауважимо у дужках, як і джерела безперебійного харчування, вироблені у цих країнах, здебільшого орієнтовані саме таку електричну мережу).

На жаль, і ця картина не завжди відповідає нашій дійсності. Фірмою "А і Т Системи" на замовлення різних клієнтів проводилися обстеження електричної мережі на підприємствах у різних місцях Росії та за кордоном. Крім того, до нас також надходила непряма інформація про стан електричної мережі у різних місцях. колишнього СРСР. Таких обстежень було не так багато, щоб можна було робити професійні статистичні висновки, але все ж таки дещо просто впадає в око.

Мал. 2. Види збоїв електроживлення.

Найпоширенішою проблемою в електричній мережі, так само, як і в США, можна вважати знижену напругу в мережі. Однак цей вид збою харчування зовсім не так домінує над іншими видами збоїв.

Почнемо з того, що підвищена напруга в мережі зустрічається майже так само часто, як знижена напруга. Причому для різних місць (міст, районів, підприємств) зазвичай характерний певний рівеньнапруги у мережі. Десь воно може бути переважно знижене, в інших місцях переважно нормальне або переважно підвищене. Цей рівень зберігається приблизно однаковим весь час. На його тлі відбуваються циклічні зміни напруги, пов'язані зі зміною навантаження електричної мережі.

Найкоротший цикл зміни напруги – денний. На рис. 3 наведено реальні графіки зміни напруги у двох точках Росії (віддалених один від одного на півтори тисячі кілометрів) протягом доби.

Мал. 3. Добовий цикл зміни напруги у мережі.

Нижня крива на рис. 3 отримана в мережі зі зниженою напругою. Стабільна вночі напруга біля 215 Взнижується з початком дня та знову зростає ввечері, коли більшість споживачів відключаються.

Середня крива на рис. 3 отримана в електричній мережі з підвищеною напругою. Тут спостерігається характерніша залежність напруги від часу доби. Стабільна вночі напруга знижується вранці, досягаючи мінімуму в середині робочого дня, і плавно наростає до кінця.

Обидва описані графіки отримані в робочі дні тижня. Верхній графік на мал. 3 отримано у святковий день у тому місці, що й середній графік. У цьому випадку напруга залишається стабільно підвищеною протягом доби.

Якщо включити до розгляду та напруги у вихідні дні, то ми отримаємо наступний за тривалістю цикл зміни напруги в електричній мережі - тижневий. Мабуть, існують цикли зміни напруги більшої тривалості (наприклад, річний цикл) але вони нами ніколи не відстежувалися.

У Росії, особливо в інших країнах СНД, спостерігається вид збою харчування зовсім невідомий на Заході. Це нестабільна частота. Найхарактернішим прикладом була Грузія у 1992-1994 роках. Енергосистема Грузії загалом мабуть була дуже перевантажена. Тому частота мережі могла опускатися до 42 Гц.

Сама по собі зміна частоти не становить суттєвої небезпеки для обладнання, оснащеного імпульсним блоком живлення, але дуже низька частотазазвичай супроводжується сильними гармонійними спотвореннями, які можуть негативно вплинути на роботу не тільки комп'ютера, а й більшості джерел безперебійного живлення (ДБЖ). Крім того, багато ДБЖсереднього класу сприймають сильне зниження частоти як аварійний випадок та починають витрачати заряд батареї. Батарея розряджається за кілька хвилин і вся робота на цьому закінчується.

У Росії її знижена частота зустрічається досить рідко. Проте, навіть у Москві співробітниками фірми Merlin Gerin була, за їхніми словами, одного разу зареєстровано частоту нижче 45 Гц. У наших вимірах частота нижче 49,5 Гц не зустрічалася.

Ще однією відмінною особливістюРосії є причини (і, відповідно, кількість) повних відключень напруги. Аварії та стихійні лиха, які є причинами повного відключення напруги в розвинених країнах, трапляються у нас приблизно з такою самою частотою, що й там. Але у Росії ці випадковості є єдиними, і навіть головними, причинами повного зникнення напруги. Своє впевнене слово каже людський чинник.

Справа в нестачі знань. Електрики, що обслуговують офісну будівлю з безліччю комп'ютерів, зазвичай не мають уявлення про те, які наслідки має відключення напруги для комп'ютерів та даних. Тому вони поводяться так само, як і 20 років тому.

У разі виникнення будь-якої проблеми з електроживленням на поверсі (наприклад, відключився автоматичний вимикач- запобіжник), електрик починає шукати автоматичний вимикач, який відповідає за зону, в якій виникла проблема. Шукає він, зрозуміло, не за схемою (це довго, та й схеми у нього можливо, чи швидше за все, немає). Він просто послідовно відключає і відразу включає всі автомати на щитку і дивиться на результат. У момент, коли у потрібному приміщенні з'являється світло, він вважає свою місію закінченою.

Якщо потрібний автомат виявиться останнім, то протягом хвилини кожна електролампа і кожен комп'ютер на поверсі зазнають короткочасного (менше секунди) відключення напруги. Для освітлення нічого страшного не відбувається, люди зазвичай навіть не встигають злякатися, опинившись на мить у темряві. Але секундного відключення цілком достатньо втрати даних на комп'ютерах.

Особливо часто такі випадки бувають навесні та восени, коли закінчується або починається опалювальний сезон. Якщо опалення вже відключили або ще не включили, і раптом похолоднішало, то люди реагують стандартно: вони включають електричні підігрівачі. Якщо електрична мережа сильно навантажена, підключення додаткових (і потужних) споживачів може призвести до спрацювання автоматичного запобіжника. А тепер поверніться на два абзаци тому.

Такий цикл включень та відключень може в деяких організаціях повторюватись по кілька разів на день.

В іншому електрична мережа в Росії поводиться приблизно так само, як і в США.

Зазначимо ще один вид спотворень електроживлення, який не розглянутий Bell Labs. Йдеться про спотворення форми синусоїди, пов'язані з роботою комп'ютерів та інших нелінійних навантажень.

При роботі імпульсних блоків живлення в перевантаженій мережі можуть виникати спотворення форми синусоїдальної напруги. Це може виражатися у зрізанні вершини синусоїди та появі гармонік – коливань кратних частот. Ці спотворення можуть призводити до неполадок у роботі іншого чутливого обладнання, наприклад вимірювальних приладівабо відеоапаратури.

Спотворення форми кривої напруги погіршуються специфічними властивостями трифазної електричної мережі, що спочатку призначена для роботи тільки з синусоїдальними напругами і струмами. p align="justify"> Робота комп'ютерів у трифазній електричній мережі розглянута в розділі "Особливості трифазних джерел безперебійного живлення" глави 8.

Для любителів емоційного осмислення неприємностей із електрикою, а також тим, хто схильний часто скаржитися на якість електричної енергії, можна рекомендувати один із найкращих технологічних романів Артура Хейлі: "Перевантаження". Читаючи його, ви протягом кількох годин зможете подивитися на ситуацію з боку виробника електроенергії.

Таблиця 2.Види збоїв електроживлення

Перевантаження

Спробуємо трохи систематизувати вже сказане щодо зміни навантаження в мережі.

Перевантаження (тобто ситуації, коли струм у мережі вище від номінального або гранично допустимого для ділянки електричної мережі) можуть відбуватися на різних рівнях системи електропостачання. Відповідно різні та наслідки.

Локальна навантаження - це навантаження мережі на ділянці від споживачів до найближчого автоматичного запобіжника. Перевантаження на ділянці мережі можуть спричинити спрацювання цього запобіжника і, отже, локальне відключення напруги.

Місцеве навантаження виникає, якщо перевантажено всю лінію від споживачів до понижуючого трансформатора. Відбувається зниження напруги у мережі. При сильних перевантаженнях і виході з ладу локальних систем захисту, можливе спрацювання системи захисту підстанції, що також супроводжується повним тимчасовим відключенням напруги. Це відключення поширюється усім споживачів, які живляться від цього трансформатора.

Загальне навантаження виникає, якщо перевантажена вся енергосистема або її суттєва частина. У цьому випадку, крім зниження напруги може відбуватися зменшення частоти синусоїдальної напруги. При глибоких загальних навантаженнях можливе спрацювання захисту на електростанції та відключення напруги в системі загалом. У Росії такої навантаження не зустрічаються або зустрічаються вкрай рідко. Основною перешкодою для виникнення такого навантаження є грамотне керування ділянкою енергосистеми (тимчасове, у тому числі планове відключення частини споживачів та інші способи зменшення навантаження).

Класичним випадком загального навантаження є відомий випадок, що стався у Нью-Йорку півтора десятиліття тому. У розпал робочого дня через аварію на одній із підстанцій міста, всіх споживачів, що її споживають, було відключено. Автоматична системауправління енергосистемою негайно відновила живлення споживачів, підключивши їх до інших підстанцій. Одна з підстанцій була навантажена майже повністю, не витримала додаткового навантаження та відключилася. Її споживачі знову було автоматично розподілено між іншими підстанціями. Почалася ланцюгова реакція відключення підстанцій, що охопила весь Манхеттен. діловий центрНью-Йорк. Результатом дрібної аварії у поєднанні з недоробленою системою управління та недостатньою вишколом диспетчерів було занурення у темряву офісів сотень найбільших фірм світу.

Цілком особливим випадком перевантаження є тимчасове навантаження, пов'язане зі стартовими струмами, що виникають при запуску майже будь-якого обладнання. Стартовий струм може перевищувати номінальний струм споживання електричного приладув одиниці, десятки та (на щастя дуже рідко) у сотні разів. Залежно від величини стартового струму, тимчасове навантаження може поширитися на більшу або меншу ділянку мережі. Найчастіше включення обладнання викликає місцеві навантаження, але відомі випадки, коли включення одного дуже потужного агрегату викликає навантаження енергосистеми цілої країни.

Наприклад, у Монголії є велике гірничозбагачувальне підприємство "Ерденет", колишня "будова соціалізму", а зараз спільне монгольсько-російське підприємство. Це підприємство є найбільшим у країні та споживає приблизно третину всієї монгольсої електроенергії (відповідно приблизно 120 та 300 МВт). Основою технологічного процесує кульові млини, що перемелює руду в дрібний пил. Барабан такого млина має діаметр 6 метрів та довжину близько 18 метрів. Електродвигун, який крутить барабан – теж не маленький – його потужність 5 МВт.

Млини працюють цілодобово, місяці безперервно. Кожна зупинка для профілактичного ремонту (або, навпаки, включення) – велика подія, що планується за багато місяців. Справа в тому, що двигун млина запускається під навантаженням (потрібно подолати величезну інерцію барабана) і стартові струми можуть перевищувати номінальні в 10 разів. А 50 МВт- Це майже 20% від потужності енергосистеми Монголії. Керований запуск (наприклад за допомогою тиристорного приводу) такого двигуна поки що неможливий - занадто велика потужність.

Якось мені довелося з осцилографом у руках стежити за таким запуском. Він пройшов дуже вдало - напруга (мабуть по всій країні) просіла лише на 12 вольт. Далося взнаки тимчасове підключення енергосистеми Монголії до російської - частина пікового навантаження взяло на себе Іркутськенерго.

У трифазній мережі, навантаженій в основному комп'ютерами, може виникати ще один вид навантаження: перевантаження нейтрального дроту через перекручену форму кривої струму навантаження. Його особлива небезпека обумовлена ​​переважно тим, що не може бути виявлена ​​звичайними щитовими приладами і майже завжди залишається непоміченою, а також відсутністю запобіжників на нейтральному дроті.

Нейтральний провід

Нейтральний провід у трифазній системі змінного струму виконує дуже важливу функцію. Він служить для вирівнювання фазної напруги у всіх трьох фазах при різних навантаженнях фаз (або, як кажуть електрики, - перекос фаз).

У разі обриву нейтрального дроту при різних навантаженнях у фазах фазні напруги будуть різними. У фазах з великим навантаженням (меншим опором) напруга буде нижчою за нормальну, навіть якщо ця фаза дуже далека від перевантаження. У фазах з меншим навантаженням (великим опором) напруга стане вищою за нормальну.

Особливо небезпечним є коротке замикання після обриву нейтрального дроту. При цьому напруга на незакороченими фазами, що залишилися, зростає в корінь з трьох разів (з нормальних 220 В до 380 В). Для виключення обриву на нейтральному дроті не встановлюють запобіжники та вимикачі. Цей вид збою електроживлення є одним із найнебезпечніших, але при правильному проектуванні та експлуатації електричної мережі або системи безперебійного живлення зустрічається дуже рідко.

У Росії застосовується чотирипровідна трифазна електрична мережа. Вона ще називається електричною мережею із глухо-заземленою нейтраллю. За цими словами ховається цілком простий факт: нейтральний провід на підстанції заземлений і практично не тільки виконує свою функцію "симетрування" трифазної мережі, але й використовується як захисне заземлення.

У Європі зазвичай застосовується п'ятипровідна електрична мережа. У такій електричній мережі є окремий (п'ятий) провід заземлення та нейтральний провід виконує лише одну функцію. До речі, всі західні трифазні ДБЖпризначені для використання саме з такою електричною мережею.

Нейтральний провід розрахований на ефективну компенсацію струмів у різних фазах у разі синусоїдальних струмів у трифазній електричній мережі. Якщо в електричну мережу включено багато комп'ютерів, форма кривої струму спотворюється і ефективність роботи нейтрального дроту різко знижується. При цьому можливі небезпечні навантаження нейтрального дроту та спотворення форми кривої напруги. Докладніше про це розказано у розділі 8.