Аварийность низковольтных силовых сетей и способы ее устранения.

Анонс: Аварийность современных низковольтных силовых сетей. Основные причины аварий в силовых сетях низкого напряжения. Технические средства устранения гармоник в низковольтных силовых сетях.

Последние пару десятков лет число аварий в силовых сетях низкого (и низкого среднего) напряжения скачкообразно растет, но в отличие от итогов пакета исследований за рубежом в нашей стране Росстат просто констатирует факт и почти никто пока не связывает напрямую увеличение числа аварий с применением более прогрессивного оборудования, технологий и систем.

Так, внедрение в производство частотно-управляемых приводов на ШИМ инверторах с IGBT ключами, систем энергосберегающего освещения, масштабных серверных программно-аппаратных комплексов АСУ и т.д., и т.п. по итогу сделало почти все низковольтные сети несинусоидальными, несимметричными, сложно прогнозируемыми и почти неуправляемыми. Т.е. по факту безусловный технико-технологический прогресс обусловил не только регресс качества электроэнергии, стабильности электроснабжения, но и существенное повышение частоты отказов оборудования, коммуникаций, систем управления и существенное уменьшение сроков плановых ремонтов.

Это уже безусловный факт, но если за рубежом в дополнение к фундаментальным IEEE Std 519, IEC 61642 и др. даже в год пандемии был введен в действие новый IEEE 1531-2020 (рекомендации по проектированию, установке пассивных шунтирующих фильтров гармоник в силовых сетях), то относительно «свежие» отечественные ГОСТ 32144-2013, ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020, ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020 и ГОСТ Р 59032.1/4-2020 в РФ теперь… отменены принятым в том же 2020 № 247-ФЗ (от 31.07.2020). Причем ни ПАО «Россети, ни ПАО «ФСК ЕЭС» пока так и не «продавили» внесение небольшого, но предельно актуального пакета наших стандартов в «перечень нормативно-правовых актов (НПА) в области энергетики, к которым не применяются положения частей 1, 2, 3 ст. 15 № 247-ФЗ». Т.е. по факту область электроэнергетики (и не только) вошла в «правовой вакуум» и как в этих условиях будет проходить запланированная в Энергетической стратегии РФ «цифровая трансформация электросетей» пока не ясно даже профильным специалистам отрасли.

Тем не менее,и переход «на цифру», и решение всего пакета проблем современной силовой сети от перепадов напряжения, наброса токов до отказов оборудования и пожаров из-за перегрева кабелей, соединений по традиции делегированы владельцам объектов, которые в последнее время и так находятся не в лучшем финансовом положении из-за сложной экономической и эпидемиологической обстановки в стране.

Основные причины аварий в силовых сетях низкого напряжения.

Следует признать, что в последние пару десятков лет роль субъективного фактора в аварийности силовых сетей объектов уменьшилась, хотя это произошло отнюдь не из-за повышения квалификационного уровня рабочих, ИТР в электроэнергетике или активного внедрения систем автоматизации контроля и управления, а по причине роста общего числа аварий и увеличения доли технических причин с выходом в число «лидеров» гармонических искажений параметров качества электроэнергии. Именно гармоники тока, напряжения, а часто в совокупности с перетоками реактивной мощности на фундаментальной частоте 50 Гц признаны ответственными за:

• нагрев обмоток, появление вихревых токов, напряжений в синхронных машинах и асинхронных двигателях;
• пробои обмоток синхронных генераторов из-за роста нагрузки по току обратной последовательности;
• сокращение в разы срока службы трансформаторов из-за повышения несимметрии, несинусоидальности, перегрева обмоток и скачкообразного (в 8–15 раз)роста пускового тока;
  
  
• повышение рисков резонансов по току, напряжению с набросами тока больших амплитуд и перенапряжением;
• пробой конденсаторов, отказ конденсаторных батарей, установок из-за перегрузок по току при резонансах;
• перегрев кабелей из-за скин-эффекта и эффекта близости (см. более детально здесь);
• рост помех в телекоммуникационных сетях, отказ твердотельных и микропроцессорных реле защиты и автоматики, сбои в работе контроллеров силового оборудования и т.д. и т.п.

Технические средства устранения гармоник в низковольтных силовых сетях.

В целом уровень гармонических возмущений в низковольтных силовых сетях промышленных и непромышленных объектов из-за эмиссии гармоник оборудованием, техникой с нелинейной вольтамперной характеристикой и трансмиссии из сетей других Абонентов электросетевых компаний уже достиг такого уровня, что были введены в действие ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020, ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020 и пакет ГОСТ Р 59032.1/4-2020, а на электротехническом рынке страны одним из популярных продуктов стали силовые фильтры.

Вместе с тем, даже несмотря на отнюдь не лучшее финансовое состояние наших предприятий, емкие отечественные наработки былых (советских) времен и зарубежный опыт решения проблем гармоник, компилированный в рекомендациях IEEE 1531-2020, пока сегмент технических средств локализации источников гармонических возмущений в сети формируют активные фильтры гармоник (АФГ) (Аctive filter harmonic - AFG),которые:

• достаточно дорогие, как из-за использования в схемах биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), так и поставок в виде «пакетных» блоков с возможностью работы со всеми частотами от фундаментальной (включительно) до 24-го или 49-го порядков.
  Т.е., упрощенно, если на конкретном предприятии проблема с 5-й и 7-й гармониками, то пакетный АФГ (1-24 порядки) легко справится с этими двумя частотами, а остальные БТИЗ силового блока под «не используемые» 22 частоты будут приобретены «про запас»;
• работают только «ниже по течению», т.е. очищают сеть выше места присоединения, однако любой АФГ базируется на ШИМ инверторе, что априори предполагает эмиссию гармоник самим преобразователем «в обе стороны» от подключения.

В целом поэтому в научной и учебной литературе рекомендуют после подключения АФГ выполнить диагностику сети хотя бы по характерным для конкретного типа ШИМ преобразователя гармоникам и, при необходимости, устранить эмиссию резонансным пассивным фильтром.

Более лояльными по цене и практически такими же эффективными в подавлении гармоник (хотя и первых порядков до 13-15) являются шунтирующие пассивные фильтры, построенные на колебательных L-Cили L-C-R контурах. Каждый фильтр собирается из одного-двух и более звеньев – колебательных контуров, настраиваемых на резонанс с частотой подавляемой гармоники, а вернее – узкую полосу частот с «центром» частоты гармонического искажения. На частотах меньше, в том числе фундаментальной или больше частоты резонанса звено фильтра имеет большое сопротивление, на резонансной - «нулевое», а потому ток гармоники уходит в контур, где «мечется по кругу» между емкостью и индуктивностью, и постепенно затухает, преодолевая сопротивление конденсаторов, реактора и цепи в целом.

Даже многозвенные пассивные фильтры с пакетом узкополосных и широкополосным контуров значительно дешевле АФГ, работают «в фоне», т.е. по факту не нуждаются в управлении программно-аппаратными комплексами АСУ, могут устанавливаться, как возле нагрузки, так и на «входе» в силовую сеть, чтобы нивелировать трансмиссию гармоник из других сетей, в том числе распределительной электросетевой компании.