Основні поняття електричної мережі. Параметри живлячої напруги.

Електростанції України об'єднані в єдину енергосистему, яка є джерелом електричної енергії для всіх її споживачів. Передача та розподіл електроенергії здійснюється за допомогою повітряних ліній електропередачі, що перетинають всю країну. Для зменшення втрат при передачі електроенергії в лініях електропередач застосовується дуже висока напруга - десятки і (частіше) сотні кіловольт.

В силу своєї економічності при передачі енергії застосовується винайдена російським інженером М.О. Доліво-Добровольським трифазна система змінного струму, при якій електроенергія передається за допомогою чотирьох проводів.

Споживачі електроенергії розраховані на більш низькі напруги, ніж напруга в енергосистемі. Пониження напруги проводиться в два етапи. Спочатку на понижувальній підстанції, що є частиною енергосистеми, напруга знижується до 6-10 кВ. Подальше зниження напруги проводиться на трансформаторних підстанціях. Після трансформаторної підстанції напруга знижується до 220-380 В.

У трьох фазної мережі використовують наступні типи провідників:

Лінійний провід (L) - забезпечує з'єднання споживача з фазним виводом генератора.

Робочий нуль (нейтральний провід) (N) - провідник, що забезпечує разом з фазним провідником живлення споживача.

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

У разі обриву нейтрального проводу при неоднакових навантаженнях в фазах фазні напруги будуть різними. У фазах з великим навантаженням (меншим опором) напруга буде нижче нормального, навіть якщо ця фаза дуже далека від перевантаження. У фазах з меншим навантаженням (великим опором) напруга стане вище нормальної.

Крім цього нейтральний провід забезпечує ефективну компенсацію струмів в різних фазах у разі синусоїдальних струмів в трифазній електричній мережі. Якщо в електричну мережу включено багато комп'ютерів, то форма кривої струму спотворюється і ефективність роботи нейтрального проводу різко знижується. При цьому можливі небезпечні перевантаження нейтрального проводу та спотворення форми кривої напруги.

Раніше в Україні застосовувалася чотирипровідна трифазна електрична мережа. Вона ще називається електричною мережею з 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 і використовується як захисне заземлення.

В даний час зазвичай застосовується п'яти-дротова електрична мережа. У такій електричній мережі є окремий (п'ятий) дріт заземлення та нейтральний провід виконує тільки одну функцію. До речі сказати, всі західні джерела безперебійного живлення призначені для використання саме з такою електричною мережею.

Захисне заземлення (PE) - провідник, який забезпечує з'єднання не струмоведучих частин корпусу споживача із заземлювальним пристроєм. У трьох фазної мережі розрізняють наступні види напруг:

Фазна напруга

Напруга між фазним (L) і робочим нульовим (N) провідниками. Для мережі 380/220 В - 220 В.

Лінійна напруга

Напруга між двома фазними (L) провідниками. Для мережі 380/220 В - 380 В.

Рис. 1 - Трифазна система змінного струму

Змінний електричний струм характеризується також частотою.

Номінальна стандартне значення частоти в Україні дорівнює 50 Гц (Герц).

В Україні вимоги до якості електричної енергії стандартизовані. Цим стандартом встановлено значення показників в точках підключення споживачів електроенергії. Для користувача це означає, що він може вимагати від енергопостачальної організації, щоб встановлені норми дотримувалися не десь в енергосистемі, а безпосередньо в його розетці.

Найбільш важливі показники якості електроенергії - це відхилення напруги від номінального значення, коефіцієнт несинусоїдальності напруги, відхилення частоти від 50 Гц.

Відповідно до стандарту протягом не менше 95% часу кожної доби фазна напруга повинне знаходитися в діапазоні 209-231 В (відхилення 5%), частота в межах 49.8-50.2 Гц, а коефіцієнт несинусоїдальності не повинен перевищувати 5%.

Решта 5 або менше відсотків часу кожної доби напруга може змінюватися від 198 до 242 В (відхилення 10%), частота від 49.6 до 50.4 Гц, а коефіцієнт несинусоїдальності повинен бути не більше 10%. Допускаються також більш сильні зміни частоти: від 49.5 Гц до 51 Гц, але загальна тривалість таких змін не повинна перевищувати 90 годин за рік.

 Аваріями електропостачання називаються ситуації, коли показники якості електроенергії короткочасно виходять за встановлені межі. Частота може відхилятися на 5 Гц від номінального значення. Напруга може знижуватися до нуля. Надалі показники якості повинні відновлюватися.

Заземлення

При установці промислового устаткування для запобігання ураження електричним струмом, застосовується захисне заземлення.

Захисним заземленням називається навмисне з'єднання з землею металевих частин обладнання (зазвичай рами, корпусу або захисного кожуха), нормально не знаходяться під напругою. Навіть якщо станеться пошкодження електричної ізоляції (і навіть, якщо при цьому не спрацюють захисні запобіжники), то напруга на заземлених частинах устаткування буде безпечною, оскільки опір заземлення за стандартом не повинен перевищувати 4 Ом. При організації локальних комп'ютерних мереж рекомендується ще більш низький опір заземлення - не більше 0.5-1 Ом. Втім, у цьому випадку заземлення головним чином служить для зменшення перешкод, що виникають при роботі різного устаткування.

Для влаштування заземлення в грунті розміщують металеві предмети з розвиненою поверхнею і надійно з'єднують його з шиною заземлення.

Раніше в Україні для підключення побутових і офісних приладів не застосовувалося заземлення. У побуті і офісах використовувалися двохпровідні розетки, розраховані на напругу до 250 В і струм до 6 А. Один з контактів в цієї розетки з'єднаний з лінійним проводом трифазного ланцюга (або, як кажуть електрики з "фазою"), а інший - з нейтраллю.

Виключення робилося тільки для потужної побутової техніки, типу кухонних плит і деяких пральних машин. Ці прилади підключалися до спеціальної розетки з заземленням (яким часто служила "нейтраль" електричного кола).

З появою персональних комп'ютерів і великої кількості імпортної офісної та побутової техніки, почала широко застосовуватися розетка з розташованими в периферійній частині розетки заземлюючими контактами. Ця розетка розрахована на напругу до 250 В і струм до 10 А (іноді до 16 А). Зазвичай її називають "комп'ютерною", "європейською" або "євророзеткою".

В Україні в даний час застосовується п'ятипровідна трифазна мережа. У ній дріт заземлення та нейтраль відокремлені один від одного. П'ятипровідна мережа дорожча (більше витрати на кабель і його прокладку), але більш стійка до перешкод, особливо при роботі комп'ютерного обладнання.

В Україні є стандарт, що визначає вимоги до персональних комп'ютерів по стійкості до електромагнітних перешкод. Цьому стандарту повинні відповідати всі комп'ютери, вироблені або імпортовані в Україну.

Збої електроживлення

1. Провали напруги - короткочасні пониження напруги, пов'язані з різким збільшенням навантаження в мережі в зв'язку з включенням потужних споживачів, таких, як промислове обладнання, ліфти і т.д. Є найбільш частою несправністю в електричній мережі, зустрічається в 87% випадків.

2. Високовольтні імпульси - короткочасне (на наносекунди або одиниці мікросекунд) дуже сильне збільшення напруги, пов'язане з близьким грозовим розрядом або включенням напруги на підстанції після аварії. Становить 7.4% всіх збоїв живлення.

3. Повне відключення напруги згідно з цим дослідженням є наслідком аварій, грозових розрядів, сильних перевантажень електростанції. Зустрічається в 4.7% випадків.

4. Занадто велика напруга - короткочасне збільшення напруги в мережі, пов'язане з відключенням потужних споживачів. Зустрічається в 0.7% випадків.

В Україні, і особливо в інших країнах СНД, спостерігається вид збою живлення абсолютно невідомий на Заході. Це нестабільна частота. Найхарактернішим прикладом була Грузія в 1992-1994 роках. Енергосистема Грузії в цілому мабуть була дуже сильно перевантажена. Тому частота в мережі могла опускатися до 42 Гц.

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

Ще однією відмінною особливістю України 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 ж частотою, що і там. Але ці випадковості не є єдиними, і навіть головними, причинами повного зникнення напруги. Своє впевнене слово говорить людський фактор.

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

 При виникненні 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, або, швидше за все, немає). Він просто послідовно відключає і тут же включає всі автомати на щитку і дивиться на результат. У момент, коли в 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 піддадуться короткочасному (менше секунди) відключенню напруги. Для освітлення нічого страшного не відбувається, люди зазвичай навіть не встигають злякатися, опинившись на мить у темряві. Але секундного відключення цілком достатньо для втрати даних на комп'ютерах.

Особливо часто такі випадки бувають навесні і восени, коли закінчується або починається опалювальний сезон. Якщо опалення вже відключили або ще не включили, і раптом похолодало, то люди реагують стандартно: вони включають електричні підігрівачі. Якщо електрична мережа сильно навантажена, то підключення додаткових (і потужних) споживачів може привести до спрацьовування автоматичного запобіжника. Такий цикл включень і відключень може в деяких організаціях повторюватися по кілька разів на день.

Відзначимо ще один вид спотворень електроживлення - мова йде про викривлення форми синусоїди, пов'язаних з роботою комп'ютерів та інших нелінійних навантажень.

При роботі імпульсних блоків живлення в сильно перевантаженою мережі можуть виникати спотворення форми синусоїдальної напруги. Це може виражатися в зрізанні вершини синусоїди і появі гармонік - коливань кратних частот. Ці спотворення можуть призводити до неполадок в роботі іншого чутливого обладнання, наприклад вимірювальних приладів або відеоапаратури.

Спотворення форми кривої напруги посилюються специфічними властивостями трифазної електричної мережі, спочатку призначеної для роботи тільки з синусоїдальними напругами і струмами.

Перевантаження

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

Локальне перевантаження - це перевантаження мережі на ділянці від споживачів до найближчого автоматичного запобіжника. Перевантаження на ділянці мережі можуть спричиняти спрацювання цього запобіжника і, отже, локальне відключення напруги.

Місцева перевантаження виникає, якщо перевантажена вся лінія від споживачів до понижувального трансформатора. Відбувається зниження напруги в мережі. При сильних перевантаженнях і виході з ладу локальних систем захисту, можливе спрацьовування системи захисту підстанції, також супроводжуване тимчасовим повним відключенням напруги. Це відключення поширюється на всіх споживачів, що живляться від цього трансформатора.

 Загальне перевантаження виникає, якщо перевантажена вся енергосистема або істотна її частина. У цьому випадку, крім зниження напруги може відбуватися і зменшення частоти синусоїдальної напруги. При глибоких загальних перевантаженнях можливе спрацьовування захисту на електростанції і відключення напруги в системі в цілому.

Абсолютно особливим випадком перевантаження є тимчасове перевантаження, пов'язане зі стартовими струмами, що виникають при запуску майже будь-якого обладнання (особливо це характерно для засобів телекомунікаційногообладнання і інших пристроїв, які містять джерела живлення). Стартовий струм може перевищувати номінальний струм споживання електричного приладу в одиниці, десятки і (на щастя дуже рідко) в сотні разів. В залежності від величини стартового струму, тимчасове перевантаження може поширитися на більшу або меншу ділянку мережі. Найчастіше включення обладнання викликає місцеві перевантаження, але відомі випадки, коли включення одного дуже потужного агрегату викликає перевантаження енергосистеми цілої країни.