Защита от провалов напряжения: DVR, VAAS и Hi-VAAS

Провал напряжения длится доли секунды, а производственная линия после него может простаивать часами: отпадают контакторы, отключаются частотные приводы, перезагружаются контроллеры, продукция в обработке уходит в брак. Разберём, почему так происходит, почему сетевая автоматика и ИБП решают эту задачу не всегда и как работают устройства защиты от провалов ЭНТЕЛ DVR, VAAS и Hi-VAAS.

Что такое провал напряжения

По ГОСТ 32144-2013 провал напряжения - это временное снижение напряжения ниже 90 % опорного значения длительностью до одной минуты. Если напряжение падает ниже 5 %, это уже прерывание. Провал - не отключение: напряжение проседает на десятки или сотни миллисекунд и возвращается само.

Причины провалов - короткие замыкания в питающей сети и на соседних присоединениях, грозовые и коммутационные процессы, пуск мощных двигателей. Чем ближе к объекту место замыкания, тем глубже провал. Провалы - самое частое нарушение качества электроэнергии.

Почему оборудование останавливается

Нагреватель короткого провала не заметит, а чувствительная нагрузка реагирует на него за миллисекунды:

• контакторы и реле отпадают, схема управления разбирается, и линию приходится запускать вручную;
• частотные приводы отключаются защитой по минимальному напряжению, двигатели останавливаются выбегом;
• ПЛК и системы управления перезагружаются или теряют связь с периферией;
• станки, роботы и технологические установки прерывают цикл, и партия в обработке может уйти в брак.

Какие провалы оборудование должно выдерживать, задают отраслевые требования. SEMI F47 требует от оборудования полупроводникового производства сохранять работу при снижении напряжения до 50 % номинала в течение 200 мс, до 70 % - 500 мс и до 80 % - 1 с. По кривой ITI (CBEMA) информационная техника должна выдерживать перерыв питания до 20 мс, снижение до 70 % - до 0,5 с и до 80 % - до 10 с. ГОСТ 32144 определяет сам провал, но требований к устойчивости оборудования не содержит. Провалы глубже и длиннее этих кривых оборудование выдерживать не обязано - это зона риска.

Рис. 1. Зоны защиты DVR, VAAS и Hi-VAAS на фоне кривых устойчивости оборудования. Иллюстрация по данным стандартов и производителя.

Почему АВР, АПВ и ИБП помогают не всегда

Сетевая автоматика рассчитана на отключение, а не на провал. АВР переводит нагрузку на резервный ввод за 0,7–⁠2,5 с, на стороне 0,4 кВ - за 0,1–⁠2,5 с; АПВ восстанавливает питание линии за 0,5–⁠3 с. Быстродействующие АВР (БАВР) на 6–⁠10 кВ переключаются быстрее - полное время до 50–⁠60 мс, - но и это перерыв питания. К тому же, если провал пришёл из общей питающей сети, он может затронуть и резервный ввод. Для контактора или частотного привода итог один: остановка.

Рис. 2. Время реакции устройств защиты от провалов и типичное время работы сетевой автоматики (оно зависит от уставок и выключателей). Данные производителей оборудования.

Онлайн-ИБП с двойным преобразованием защищает и от провалов, и от отключений, а аккумуляторная батарея даёт автономию на минуты и часы. Но через ИБП постоянно проходит вся мощность нагрузки, поэтому потери есть всегда, даже когда сеть в норме: при нагрузке 1 МВт и КПД 95–⁠97,5 % это 26–⁠53 кВт. Для крупной промышленной нагрузки - приводов, печей, технологических линий мощностью в мегаватты - ИБП на полную мощность обходится дорого в покупке, эксплуатации и обслуживании батарей. Если задача - пережить провал, а не многочасовое отключение, есть более экономичные решения.

Два принципа защиты

Устройства ЭНТЕЛ решают задачу двумя способами. DVR добавляет к напряжению сети недостающую часть и обходится без накопителя. VAAS и Hi-VAAS на время события отключают нагрузку от сети и питают её от ультраконденсаторов.

DVR: добавить недостающее напряжение

DVR (Dynamic Voltage Restorer, динамический восстановитель напряжения) включается последовательно между сетью и нагрузкой через согласующий трансформатор. Пока сеть в норме, вторичную обмотку трансформатора шунтирует тиристорный ключ: нагрузка получает напряжение сети, КПД устройства выше 99 %. При провале ключ запирается, и IGBT-инвертор через трансформатор добавляет к напряжению сети недостающую составляющую - синфазно с сетью, с автоматическим регулированием амплитуды. Полное время отклика - 1–⁠5 мс. Сеть при этом остаётся подключённой, и нагрузка продолжает работать.

Рис. 3. Напряжение сети плюс напряжение DVR равно номинальному напряжению нагрузки. Провал с остаточным напряжением 60 % длительностью 80 мс.

Энергию для компенсации DVR берёт из той же сети - через выпрямитель и звено постоянного тока, - поэтому аккумуляторы ему не нужны. Отсюда и главное ограничение: DVR восстанавливает напряжение на нагрузке до 100 %, если остаточное напряжение не ниже 60 %, то есть при провалах глубиной до 40 %. Ток, потребляемый из сети, при этом растёт примерно обратно пропорционально остаточному напряжению - при 60 % почти в 1,7 раза; это учитывают при выборе защит.

Рис. 4. DVR в режиме компенсации: активные участки схемы выделены зелёным.

DVR выпускается на 0,4 кВ - мощностью от 5 кВ·А, с длительностью компенсации в секунды - и на 6–⁠35 кВ: устройства по 1,5 МВ·А, до 20 параллельно, длительность компенсации обычно 0,5 с. На среднем напряжении при остаточном напряжении 50–⁠60 % DVR поддерживает на нагрузке 90 %.

VAAS и Hi-VAAS: заменить сеть на время провала

При провалах глубже 40 % DVR не хватает энергии из сети, а при перерыве питания добавлять напряжение не к чему - нужен собственный источник энергии. VAAS при провале, перенапряжении или перерыве отделяет нагрузку от сети тиристорным ключом, и инвертор без паузы питает её от ультраконденсаторов синусоидальным напряжением, синфазным с сетью. Время отклика - около 1 мс. Когда сеть восстанавливается, нагрузка возвращается на сеть, а накопитель подзаряжается; после полной компенсации подзаряд занимает до 5 минут.

Рис. 5. VAAS при провале или перерыве: сеть отключена, нагрузку питает накопитель.

VAAS выпускается на 400, 525, 660 и 1140 В, мощностью 100–⁠1200 кВ·А при 400 В. При номинальной мощности он поддерживает нагрузку 3 с при любом остаточном напряжении, включая полный перерыв; больше - по заказу, а для минут и часов вместо ультраконденсаторов ставят аккумуляторы.

Hi-VAAS решает ту же задачу на 6–⁠35 кВ. Его преобразователь собран из модулей примерно по 0,5 кВ, соединённых последовательно, и у каждого модуля свой ультраконденсатор. При провале быстродействующий гибридный выключатель отделяет нагрузку от сети: тиристоры запираются менее чем за 1 мс, затем отключается механический выключатель. Пример проекта: секция 10 кВ, нагрузка 5 МВ·А, 36 модулей, запас энергии 4,5 МДж - нагрузка 4,5 МВт поддерживается 1 с. Hi-VAAS с аккумуляторами может дождаться запуска дизель-генератора и плавно передать ему нагрузку.

Рис. 6. Hi-VAAS на 10 кВ: 12 модулей на фазу, у каждого свой ультраконденсатор.

Почему ультраконденсаторы, а не аккумуляторы

Для провала нужна большая мощность на секунды, а не энергия на часы. Ультраконденсатор отдаёт полный ток мгновенно, выдерживает 1 000 000 циклов разряда до 50 % номинального напряжения и не требует уравнительных зарядов, тренировочных циклов и контроля электролита. Его срок службы определяется в основном температурой и рабочим напряжением ячеек.

Запас энергии считается по формуле E = ½ C (U₁² − U₂²), где U₁ и U₂ - напряжение в начале и в конце разряда. В примере Hi-VAAS на 10 кВ каждый модуль разряжается с 900 до 850 В и отдаёт 125 кДж - это 125 кВт в течение секунды без учёта потерь.

Рис. 7. Энергия модуля ультраконденсаторов 2,86 Ф в примере Hi-VAAS на 10 кВ. Данные производителя, расчёт ЭНТЕЛ.

Как выбрать решение

Защита от провалов нужна там, где остановка обходится дороже самой защиты: в микроэлектронике и производстве полупроводников, автомобилестроении и машиностроении, металлургии, химии и нефтехимии, горнодобывающей промышленности и портах, фармацевтике, текстильном производстве и центрах обработки данных.

• Провалы не глубже 40 % - DVR: без накопителя и обслуживания батарей, КПД в дежурном режиме выше 99 %.
• Глубокие провалы и перерывы до нескольких секунд на 0,4–⁠1,14 кВ - VAAS.
• Защита секции или крупной нагрузки 6–⁠35 кВ от глубоких провалов и кратковременных перерывов - Hi-VAAS.
• Нужна автономия на минуты и часы - онлайн-ИБП или VAAS с аккумуляторами; нужно дождаться запуска дизель-генератора на 6–⁠35 кВ - Hi-VAAS с аккумуляторами.

Устройство можно поставить на всю секцию шин или только на чувствительные линии - где это выгоднее. Мощность выбирают по максимальной нагрузке защищаемой шины или группы, а не по мощности питающего трансформатора. Согласование с релейной защитой и проверка на токи короткого замыкания выполняются в проекте.

Что нужно для подбора

1. Номинальное напряжение и допустимый диапазон его отклонений.
2. Мощность и характер нагрузки: двигатели и приводы, их мощность и способ управления, коэффициент мощности.
3. Какие провалы бывают: глубина, длительность, частота.
4. Требуемое время поддержки нагрузки и нужна ли защита от перерывов.
5. Схема питания: секции шин, АВР, резервные вводы и генераторы.
6. Место установки: внутренняя или наружная, температура, высота над уровнем моря.
7. Интерфейс с АСУ ТП и требования к регистрации событий.

Лучший источник данных о провалах - запись анализатора качества электроэнергии за несколько месяцев: по ней видно, какие провалы действительно бывают на объекте и какой принцип защиты окупится.

Юниджет входит в группу компаний ЭНТЕЛ и является её официальным представителем. Пришлите исходные данные - инженеры подберут принцип защиты, рассчитают мощность и накопитель и предложат схему подключения. Подробнее об оборудовании - на страницах ЭНТЕЛ DVR, ЭНТЕЛ VAAS и ЭНТЕЛ Hi-VAAS.