Нови критерии за оразмеряването на електрическите мрежи

кабели за електрически мрежи

Традиционните методи, прилагани при избора и оразмеряването  на проводниците, са подходящи за линейни товари, но в инсталации, в които има хармоници, могат да причинят сериозни грешки.

Традиционен критерии за оразмеряването на електрически мрежи

Оразмеряването на една електрическа мрежа означава да се определи сечението на проводниците, и в зависимост от стойностите на номиналния ток, да се изберат необходимите токоограничаващи защити (автоматични предпазители).

Традиционно приетият критерий се състои в намаляване цената на купуваните електрически проводници, което се постига чрез избор на проводници с по-малко сечение, пригодени да издържат очаквани екстремни условия. Това означава, че стойността на максималния допустим ток на избрания проводник (Imax) трябва да бъде по-висока от стойността на максималния ток, предвиден в проекта (Ip) и да отговаря на изискванията за спад на максималното напрежение в края на товара.

Техниката за поставяне на кабели с по-голямо от минималното препоръчвано сечение в стандартите, дава някои важни предимства, напр. намаляване на електрическите загуби, по-голяма надеждност на електрическата мрежа, удължаване на полезния живот на кабелите заради работата при по-ниски температури, намаляване на разходите, свързани с ограничаването вероятността от прегряване на проводниците, дава също така възможност за увеличаване на мощността на товарите в бъдеще, както и намаля вероятността да се наложи добавяне на кабели в по-следващ етап.

Наличие на хармоници в електрическата мрежа

Наличието на хармоници представлява един от най-често срещаните проблеми за качеството на енергията, което налага неговото задълбоченото разглеждане.

Хармониците са синусоидални напрежения и токове с честоти, които са кратни цели числа от честотата, за която е проектирана да работи системата за захранване (наричана основна честота), която в Европа е 50 Hz. Това означава, че в една система от 50 Hz, вторият хармоник ще бъде 100 Hz, третият – 150 Hz и т. н.

Моторите, лампите с нажежаема жичка и товарите за топлина са по природа линейни товари. Това означава, че импедансът всъщност е постоянен и остава непроменен по отношение на прилаганите напрежения.

Един нелинеен товар е този, в който токовете не са пропорционални на моментните напрежения, затова описват крива, а не права линия по отношение на напрежението.

При енергизирането на системите, които имат нелинейни характеристики, се генерират хармоници, които могат да причинят сериозни проблеми, както в мощността на доставяната енергия, така и в уредите, включени в същия източник.

Последователността на хармониците може да бъде положителна (добавят токове по посока на часовниковата стрелка), отрицателна (добавят токове по посока обратна на часовниковата стрелка) или така наречената нулева последователност (нямат посока на въртене), както е показано в таблица 1.

Хармоник Главен 2-ри 3-ти 4-ти 5-ти 6-ти 7-ми 8-ми 9-ти
Честота 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Последователност + 0 + 0 + 0

Таблица 1.

Сред основните последици, резултат от хармониците, са:

  • От права последователност: нагряване на проводниците, изключване на прекъсвачите и др.
  • От обратна последователна: нагряване на проводниците, проблеми с моторите (намалява постепенно скоростта на въртене и те спират) и др.
  • От нулева последователност: нагряване на проводниците, струпват се токове в нулевия проводник (в трифазни системи с четири проводници).

От друга страна, ако формата на вълната е симетрична (както е при силовите системи), двойките хармоници изчезват (ликвидират се взаимно).

Обикновено стандартите задават референтните стойности, но често тези стойности са надвишавани, което оказва негативно влияние върху работата на електрическата инсталация. Този проблем е толкова голям, че 50% от съвременните уреди могат да предизвикат деформирани хармоници.

Сред уредите, които могат да предизвикат нелинеен отговор на вълната и деформации във формата на вълната, са: уреди за контрол на индустриални процеси, инвертори, компютри, честотни инвертори за промяна на скоростта на двигателите, регулатори на светлинни потоци (dimmers), електронен баласт на флуоресцентните лампи, инвертори с 6 или 12 пулса и т.н

Вероятно уредите, които предизвикват в най-голяма степен проблема с хармониците, са настолните компютри, офис оборудването и уредите, които използват ел. захранване  тип switch, за да се осигури постояннотоково захранване при работа. Този вид уреди генерират важни токове на 3-ти хармоник (150 Hz).

Въздействие на хармониците върху товарите:

Наличието на хармонични токове не въздейства еднакво върху различните видове товари. Може да се каже, че най-сериозните проблеми се наблюдават, когато товарите се свързват с монофазни линии, съответстващи на трифазни системи, с които имат обща неутрала. Тук ще се спрем на въздействията върху електрически проводници, сред които от най-голямо значение са:

  • Прегряване на нулевия проводник и на неговите връзки, което може да предизвика появата на пренапрежения, които да повредят компютрите и електрическите уреди.
  • Прегряване на фазите при скин ефекта.

Прегряване на неутралния проводник в трифазни мрежи ниско напрежение:

При избора на сечението на един определен проводник от мрежа ниско напрежение почти винаги се забравя за нулевия проводник на мрежата, която проектираме.

При трифазните мрежи с четири проводника фазовите токове преминават през всяка фаза и се връщат през общия нулев проводник. Токовете на трите фази са разположени на 120 градуса едни от други, и ако трифазните товари са линейни и балансирани (трите товара са еднакви), токът в нулевия проводник е равен на нула; и съответно – при небалансирани товари през нулевия проводник преминава ток, равен на дисбаланса (несиметрично разпределение на товарите) на фазите.

Исторически погледнато сечението на кабелите се избира в зависимост от техния капацитет, загуба на напрежението, ток на късото съединение и т.н., за да се приеме след това произволно за сечение на нулевия проводник сечението на фазите (кабели до 16мм2) или половината на същите (кабели от 25мм2 нагоре).

За съвременните инсталации обаче, където по-голямата част от товарите не са линейни, това правило не е актуално. Там, където се смята, че обратните токове са с минимални стойности, в практиката се срещат в нулевия проводник токове, равни или със стойност по-висока от тази на фазите. Това се дължи на факта, че въпреки че основните токове се елиминират взаимно в нулевия проводник, хармоничните токове не го правят (от нулева последователност 3-ти и 9-ти хармоник се обединяват в нулевия проводник), като лесно могат да станат два пъти по-високи от тези на фазата, докато, както вече се спомена, сечението на проводника обикновено е на половина.

С оглед на споменатите последици нулевите проводници би трябвало да имат сечение два пъти по-голямо от това на фазите, което може лесно да се постигне като се използват кабели с пет проводника: по един за всяка фаза и два за нулевия проводник с еднакво сечение. Кабели с тези характеристики вече се използват в някои европейски страни, но в България все още тези мерки все още не са намерили място в нито един стандарт.

Ако не е възможно да се използват кабели с пет проводника, може да се използват едножилни проводници, като за нулевия проводник се прилага сечение два пъти по-голямо от това на фазите, макар това да има други недостатъци като напр. спад на напрежението.

Вариантът да се добави още един нулев проводник, паралелно разположен на вече съществуващ в една мрежа от четири проводници, не може да се смята за подходящ, тъй като проводниците са физически разделени един от друг и така общата им индуктивност и тази  между тях и фазите е по-малка от индуктивността между един обединен нулев проводник и фазите. Това увеличава импеданса на външния проводник, като намалява стойността на тока, преминаващ през нулевия проводник. Основният проблем, който се появява при изчисляването на сечението на неутралния проводник, се изразява в това, че при проектирането на инсталацията не се знае съдържанието на хармониците на товарите, затова е добре да се направи консултация с наръчниците за употреба на уредите, които ще бъдат използвани.

Ограничаване на обратните токове в нулевия проводник:

Най-често се прилага следното: при пускане в експлоатация на електрическата инсталация или при вече работеща инсталация се провеждат съответните проверки и се подбира най-подходящото решение.

Най-често използваните техники за подобряване на качеството на енергията включват използването на филтри за хармоници, изолационни трансформатори и др.

Трифазни трансформатори, на които вторичната намотка е свързана със звезда, са пригодени да противодействат на хармоници от кратните на 3-ти хармоник (3-ти, 9-ти, 15-ти и др.) и проблемите свързани с тях. При преобладаване на хармоници 5 и 7 обикновено се използва вариант на тези трансформатори, вторичната намотка на които, е разделена на две, а фазите са на 30 градуса.

Активните филтри са вмъкнати паралелно между мрежата и товара и по принцип са пригодени за всички възможни случаи, тъй като техният начин на действие се състои в инжектирането на хармонични токове, противоположни на мрежата, като ги анулират от мястото, където е монтиран филтърът в ел. мрежа.

Когато видът на хармониците не може да се предвиди или там, където са преобладаващи 3-те хармоници, употребата на филтри обикновено не дава резултат. Такива ситуации се наблюдават обикновено при монофазните UPS, дата центрове и устройства инвертори/конвертори.

Дори когато се използват устройства, коригиращи частично формата на вълната, се наблюдават случаи, при които самите устройства престават да функционират поради повреда или поддръжка, и заради това се препоръчва окабеляването да се прави така, че да може да пренася хармонични токове. Това означава, че нулевият проводник трябва да има подходящото сечение (да е възможно дублирането на фазите).

Скин ефект

Променливият ток е склонен да преминава по външната част на проводника, което явление е познато като скин ефект. Този ефект се образува с оглед на това, че когато променливият ток преминава през проводника, около него се образува променливо магнитно поле, което индуцира разлика на потенциалите във вътрешността му или в проводниците, намиращи се в близост. Това води до образуването на токове, които частично се противопоставят на токовете, преминаващи по проводниците, и които причиняват увеличаване на омическото съпротивление и загуби заради ефекта на Джаул.

Скин ефектът обикновено е пренебрегван заради това, че има малко влияние върху честотите на захранващите токове, но над 300 Hz (7 и нагоре хармоници), той трябва да се има предвид, тъй като може да причини допълнителни загуби заради нагряване. Това се дължи на факта, че увеличаването на съпротивлението е пропорционално на квадрат на честотата, която при хармониците, както вече се спомена, обикновено е много завишена.

Свръхоразмеряването на инсталацията е много важна техника при инсталациите с наличие на хармоници. С източници на по-голяма мощност, шини и кабели с по-голямо сечение се постига ограничаване на вредното действие на хармониците. При по-голяма мощност на източника, деформацията на вълната на напрежение ще бъде по-малка, тъй като мощността на хармониците по отношение на тази на източника ще бъде по-малка.

Ако сечението на хармониците е по-голямо от на кабелите или шините, през които минават, скин ефектът ще е по-слаб, тъй като ще нагрява по-слабо проводниците и на защитите. Това означава, че свръхоразмерявайки инсталацията, се намаля общия й импеданс, като се предотвратява увеличаването на загуби, предизвикани от ефекта на Джаул, породен от хармониците.

Изводи

Усилията, полагани за проектирането на диаметъра на проводниците, от чисто практична гледна точна са минимални в сравнение с ползите, които могат да донесат.

Практиката да се увеличава сечението на проводниците позволява по-добро регулиране на напрежението на най-отдалечените товари, спомага за по-ефикасната им употреба и намалява разходите при работа с оглед по-ниския разход на електроенергия.

В заключение трябва да се каже, че трябва да се отдели специалното внимание на оразмеряването на нулевия проводник, което позволява да се избегнат проблеми, причинени от наличието на хармоници, които обикновено имат по-висока стойност на тока от този, преминаващ през фазите.

Фирма Парадайс Електрик извършва изследвания и анализи, свързани с качеството на електроенергията на електрическите системи на жилищни сгради и предприятия.

Много често е трудно да се определи дали повредата на уреди или софтуери е предизвикана от смущения в електрическата система, която ги захранва, защото често тези признаци са идентични с признаците, предизвикани от други причини. Ето защо е необходимо да се направят проучване и анализ на електрическата система, за да се определят причините.

Изследването е най-важният инструмент при определянето източниците на смущения.

  1. Техническо заснемане и диагностика на инсталирани системи.
  2. Регистрация на електрически параметри: напрежение, ток, честота, мощност, енергия, смущения и пулсации, хармоници, междинни хармоници и др.
  3. Регистрация на събития, като спадания и нараствания, преходни процеси, прекъсвания и резки промени в напрежението.
  4. Оценяване и определяне на изпълнението на нормативите.
  5. Решение на проблеми при чувствителни ел. натоварвания.
  6. Ревизия на защитни токове (прекъсвачи, автоматични предпазители).
  7. Откриване и отстраняване на проблеми в електрическата мрежа:

След приключване на техническото заснемане и регистрацията на ел. параметрите, с цел достигане до най-ефективните, надеждни и икономични решения, ние използваме професионални софтуери за анализ, симулация и моделиране на анализираните електрически мрежи.