Проблемы сети силового питания

На рисунке представлен типовой вариант питания загородного поселка. На входе установлен понижающий трансформатор (трансформаторная подстанция). До недавнего времени потребление электроэнергии на один дом составляло от 2 до 5 кВА, но в последнее время с появлением теплых полов, электросаун, электрокотлов и прочей бытовой техники, требующей значительно большего энергопотребления, мощность нагрузочной сети на один дом нередко достигает 30 – 60 кВА.

В большинстве случаев ни трансформаторная подстанция, ни линии электропитания не рассчитаны на возросшее количество энергоемких потребителей. Если еще учесть общее ветхое состояние электросети, то становятся понятными причины возникновения проблем с обеспечением электричеством.

Длительное понижение напряжения возникает в результате перегрузки понижающего трансформатора и перегрузки линии питания. Если дом находится в конце линии, то напряжение может падать до 100 – 150 В, особенно в часы максимального энергопотребления в поселке.

Длительное повышение напряжения
Стремясь исправить ситуацию с низким напряжением, электрики нередко переключают обмотки понижающего трансформатора на более высокое напряжение. В результате потребители находящиеся рядом с подстанцией имеют на входе сети питания дома напряжения от 240 до 260 В, особенно в часы минимальных нагрузок.

Перекос фаз
Явление в энергосети, возникающее в результате неравномерного распределения нагрузок по фазам. На самой нагруженной фазе, соответственно, будет низкое напряжение, а на незагруженных – близкое к номиналу. Ситуация может осложниться, если присутствует общая нейтраль к которой подключены потребители. В советских стандартах было принято соотношение сечения фазного и нейтрального проводов 3/1. В результате перекоса фаз, для данной ситуации, напряжение на незагруженных фазах может быть существенно выше номинального.

Кратковременный провал напряжения обычно является результатом пуска мощных нагрузок или нагрузок с большим пусковым током (трансформаторы, электродвигатели и т.д.). Длительность и уровень провала зависит от сечения подходящих к нагрузке проводов. Время может составлять от 0,3 до 5 с.

Короткое замыкание на одной из фаз сопровождается явлениями схожими с перекосом фаз с той лишь разницей, что время процесса ограничено временем срабатывания токовой защиты.
«Скачки» напряжения возникают в результате работы различного оборудования, особенно сварочного.

Отрыв нейтрали
Опасное и в последнее время нередкое явление, особенно для старых силовых сетей или сетях, проложенных наспех и временно. Отрыв нейтрали в главном распределительном щите многоквартирного дома влечет за собой изменение напряжения на фазах в зависимости от нагруженности каждой из них. На самой загруженной будет низкое напряжение, а на самой незагруженной может достигать значений 300 В и более.

«Мерцание» напряжения
«Мерцание» напряжения - результат работы различных тиристорных регуляторов.
Результат работы различных тиристорных регуляторов. Особенно много хлопот доставляют мощные промышленные установки, в которых температура нагревательных элементов поддерживается тиристорным регулятором, алгоритм работы которого представлен на рисунке.
Регулятор пропускает полное напряжение в нагрузку, затем выжидает несколько периодов и снова подает полное напряжение. Таким образом, осуществляется циклический запуск тепловых элементов со всеми явлениями присущими запуску мощных нагрузок.

Грозовые разряды – мощные импульсные перенапряжения, возникающие в результате прямого попадания молнии в сеть электропитания, громоотвод или импульс от разряда молнии на расстоянии до 1,5 км, приводящий к выходу из строя электрооборудования или сбою в работе аппаратуры. Прямое попадание характеризуется мгновенными импульсными токами до 100 кА с длительностью разряда до 1 мС.

При наличии системы громоотвода импульс разряда распределяется между громоотводом, сетью питания,
линиями связи и бытовыми коммуникациями. Характер распределения во многом зависит от конструкции здания, прокладки линий и коммуникаций.

Переключения в энергосети вызывают серию импульсных перенапряжений различной мощности, сопровождающуюся радиочастотными помехами широкого спектра. Природа возникновения помех приведена на примере ниже.

Например, при отключении разделительного трансформатора мощностью 1 кВА 220/220 В от сети вся запасенная трансформатором энергия выбрасывается в нагрузку в виде высоковольтного импульса напряжением до 2 кВ.

Мощности трансформаторов в энергосети значительно больше, мощнее и выбросы. Кроме того переключения сопровождаются возникновением дуги, являющейся источником радиочастотных помех..

Искажения синусоидальной формы напряжения

• Искажения на выходе феррорезонансного стабилизатора или стабилизатора на основе магнитного усиления (например, серия молдавских стабилизаторов СТС). Форма выходного напряжения приближается к трапецеидальной с высоким уровнем помех.
• Искажения на выходе источников бесперебойного питания при работе от батарей. Форма напряжения от меандра (почти прямоугольные импульсы) до практически чистой синусоиды. Форма зависит от принципа построения UPS и его цены.
• Искажения при перегрузке трансформатора, когда он работает в режиме близком к насыщению. Приблизительная форма выходного напряжения характеризуется пикообразными выбросами напряжения и представлена на рисунке.
• Искажения синусоиды на выходе тиристорных регуляторов напряжения. Сопровождается радиочастотными помехами.

Особенности некоторых типов нагрузок
При проектировании следует учитывать стойкость устанавливаемого электрооборудования к проявлению различных факторов воздействия со стороны сети. Ниже приведены особенности питания некоторых типов нагрузки.

Электрооборудование, оснащенное импульсным источником питания (вычислительная техника, офисное оборудование, приборы, аудио-видеоаппаратура и пр.) мало критично к уровню напряжения и, как правило, устойчиво работает в диапазоне от 185 до 250 В (в некоторых телевизорах от 130 до 260 В). Допустимо даже прерывание напряжения до 0,3 с, если оно не сопровождается существенными помехами. Однако высокочастотные помехи от 150 кГц и выше легко проходят через блок питания в аппарат. Опасным являются также импульсные перенапряжения, могущие вызвать пробой транзистора в преобразователе блока питания. В большинстве случаев сам источник имеет и фильтр, и варистор для защиты от помех, но они способны защитить лишь от слабых воздействий по сети.

Для трехфазных двигателей основную опасность представляет перекос фаз, при котором резко возрастает перегрев двигателя с последующим выходом из строя. К помехам и кратковременному прерыванию напряжения некритичны.

При возрастании напряжения на входе трансформатора (трансформаторный блок питания) резко возрастает ток ХХ, трансформатор входит в режим насыщения, шумит, перегревается и выходит из строя.

Магнитные контакторы, силовые реле и т.д. При низком входном напряжении либо не запускаются, либо запускаются с дребезгом.
Ситуация ухудшается, когда на выход контактора подключена мощная индуктивная нагрузка. В момент подключения напряжения на нагрузку за счет больших пусковых токов возникает резкая просадка напряжения, и контактор отключает нагрузку. Напряжение снова повышается, контактор снова пытается подключить нагрузку, и весь цикл повторяется до выхода из строя контактора.

Галогенные лампы, помимо общей чувствительности к уровню напряжения, очень чувствительны к кратковременному прерыванию питания. Пусковые токи включения лампы – основная причина выхода из строя.
Попытка улучшить ситуацию с помощью ступенчатого стабилизатора напряжения лишь ухудшает ситуацию.