Раздел: ВЗГЛЯД Тема: Автор: Александр ПОПОВ, эксперт
Моя азбука электропитания
Проникшись важностью установки автоматических выключателей на входе линий трехфазного питания, отдельные горе-монтажники-электрики устанавливают автоматические выключатели и на линию нейтрали (на рис.3 на этом моменте акцентировано внимание зачеркиванием жирными красными полосами такого решения). Делать так категорически нельзя. Точнее, теоретически можно, установив на линию нейтрали автоматический выключатель на максимальную величину тока, равную суммарному максимальному току по всем трем линиям однофазных цепей. Так, если на линиях установлены, например, автоматические выключатели на 25А, на нейтраль надо ставить автомат на 75А. И главная беда подобных типовых ошибок – на нейтраль устанавливают точно такой же автоматический выключатель, что и на линии фаз. Срабатывание такого автомата и отключение линии нейтрали может произойти даже тогда, когда нагрузка по линиям не превысит и половины от максимально допустимой. То есть, все линии находятся в рабочих и безопасных режимах, тем не менее, происходит срабатывание автомата в линии нейтрали со всеми вытекающими последствиями. Все отказы и беды, которые могут возникнуть, являются результатом исключительно неграмотного построения системы электропитания.
А главное, установка автоматического выключателя даже на общий суммарный ток, если таковой все же удастся найти, абсолютно не имеет смысла. Если в какой-то линии нагрузка превысит допустимую, то сработает автомат в линии фазы. Если же он по какой-то причине не сработает, рассматривать автомат в нейтрали как дублирующий все равно нельзя, поскольку рассчитан он должен быть на суммарный ток по всем однофазным линиям, и превышение допустимого тока только в одной из них к его отключению не приведет. Зато постоянно останется угроза, что линия нуля может быть легко разорвана путем принудительного отключения этого автоматического выключателя. Например, при необходимости обесточить какую-то линию, автоматические выключатели можно перепутать. Или при необходимости отключить все питание автоматический выключатель нейтрали окажется не самым последним в последовательности отключений (можно с него начать и благополучно обеспечить тем самым подачу межфазного напряжения в линию до момента отключения автомата фазной линии). Но, повторюсь, такие «шедевры монтажа», хотя и случаются, до систем нашего рынка доходят, к счастью, не так часто. Просто всевозможные отказы, с этим связанные, проявляются буквально сразу с подключением системы электропитания, и к моменту установки на объекте ТСБ люди успевают навести порядок. Но знать об этом стоит. Хотя бы для того, чтобы самим не делать таких «ляпов», например, на своих дачных участках. Гораздо чаще встречается более банальная, но от этого не менее опасная ситуация: какой-нибудь очередной электрик при выполнении работ просто путает при коммутации провода нейтрали и одной из фаз. Лично неоднократно сталкивался с подобными явлениями. Как-то поехал на объект выяснять причину отказа видеокамеры. Причина оказалась очевидной в буквальном смысле – в снегу догорал электрощиток с установленным в нем блоком питания этой самой камеры. Оказалось, что сварщики, подключая свое трехфазное оборудование, в конце концов поменяли на шинах фазный и нулевой провода местами. А еще приходилось слышать от электриков в свое оправдание, что, прокладывая воздушную трехфазную сеть по столбам они в листве деревьев не заметили, что провода перехлестнулись. Провода, конечно, перехлестнуться могут. Но перед подачей напряжения все ж необходимо проверить правильность монтажа при помощи хотя бы простейшего тестера. А вот это, к сожалению, делается все реже. Соответственно, мы должны быть всегда готовы к возможным последствиям. А последствия будут все те же. На однофазных линиях, в которых задействованы две другие фазы, вместо напряжения 220В появится межфазное напряжение 380В, поскольку таким это напряжение и окажется – линейным. На все эти причины мы с вами повлиять никак не можем. Не мы строили систему электропитания объекта. Бывало даже, что не всегда удается найти автомат отключения выделенной на систему линии. Ну, а уж что творится в голове «человеческого фактора», и вовсе никому не ведомо. Мы можем и должны бороться с нежелательными для нас возможными последствиями. И для всех вышеописанных случаев возникновения опасного постоянно действующего напряжения на линии единственно наше возможное и эффективное действие – своевременное отключение всей линии питания нашего оборудования. Технически это решается довольно просто – в начале однофазной линии питания (до первого прибора системы) устанавливается автоматический ограничитель напряжений. Стандартное устройство, рассчитанное на определенное напряжение (при превышении допустимого напряжения линию отключит автоматический выключатель), включаемое в линию питания. На самом устройстве устанавливается самим пользователем максимально допустимое напряжение, а также минимально допустимое. Если входящее питающее напряжение выходит за эти установленные границы, ограничитель напряжений отключает линию от общей системы электропитания. При восстановлении напряжения в допустимых пределах вновь происходит автоматическое подключение линии (как правило, устанавливается еще временной интервал, через которое должно происходить включение после восстановления допустимой величины входного напряжения). Таким образом, приводим систему к ситуации обрыва провода линии. Ничего страшного произойти не должно, если такая ситуация предусмотрена. Например, наличием функции «холодного запуска» для «теплолюбивой» аппаратуры. Но без резервирования питания на время подобных безобразий в любом случае остаемся без технической системы.
И последнее не просто типовое, а массовое безобразие, с которым приходится сталкиваться в системах электроснабжения, называется перекос фаз. Возникать оно может в абсолютно любой момент и не поддается никаким прогнозам. На рис.4 синим цветом представлена идеальная ситуация, когда нагрузки во всех трех фазах равны. Соответственно, равны и напряжения в фазах – U1=U2=U3. А поскольку напряжения смещены относительно друг друга на угол 120 градусов, их векторная сумма в точке О равно нулю. То есть, на нейтрали никакого потенциала относительно земли нет. В действительности так практически никогда не бывает. Просто физически невозможно нагрузить все фазы одинаково. Да и момент включения всех нагрузок не совпадает. Таким образом, при неравенстве нагрузок по линиям напряжения в этих линиях также не равны по величине (представлены красным цветом на рис.4), и их векторная сумма не равна нулю, а равна некоему вектору, называемому напряжением смещения Uсмещ. На нейтрали появляется потенциал относительно земли. Вот в этом и состоит суть перекоса фаз. Добиться одинаковой нагрузки по всем фазам в любой момент времени невозможно физически, поэтому и установлен ГОСТ на допустимый разброс напряжений в линиях однофазной цепи – 220В +10/-15%. В действительности этот разброс может значительно превышать установленные ГОСТом границы. В зависимости в основном все от того же человеческого фактора – насколько обслуживающий персонал сети следит за равномерностью нагрузок при подключении нового оборудования. Особенно «ярко» можно наблюдать это явление в трехфазных сетях, проложенных по воздушным линиям электропередач. В основном это, конечно, относится к загородным объектам. Объяснение тут более, чем простое – подключая тот или иной объект к однофазной линии, местному электрику всегда проще залезать на столб до первого линейного провода. И нулевой провод рядом. Можно даже, соблюдая профессиональную осторожность, выполнить подключение, не отключая всю магистраль. При необходимости подключиться к другим линиям такое будет связано с очень большим риском. В общем, в этом легко убедиться, проезжая по территории практически любого садоводства. Но на промышленных объектах значительные перекосы фаз также имеют место. Например, из-за подключения мощного однофазного оборудования и разницы таких подключений во времени по разным фазам. В результате перекоса фаз напряжения в однофазных сетях могут иметь очень большой разброс по величине. Вместо расчетных 220В может иметь место и 140В, и 260В (по крайней мере у меня на даче именно такой разброс далеко не редкость). Важно это осознавать и спрогнозировать, чем такие колебания могут грозить нашим системам. На сегодняшний день очень большой перечень аппаратуры имеет на входе импульсный блок питания, а непосредственно сама аппаратура питается уже вторичным напряжением с него. Выпускаемые отдельными изделиями блоки питания для нашего рынка (например, для питания видеокамер) тоже сегодня в основной своей массе импульсные. Главное преимущество импульсного блока питания – его очень широкий допустимый разброс входных напряжений. При этом на выходе в линию вторичного питания он выдает номинальное свое напряжение. Лирическое отступление. Еще лет двадцать назад покупка цветного телевизора для загородного дома автоматически требовала покупки стабилизатора напряжений. Именно из-за очень большого разброса питающего напряжения в сети, поскольку блок питания в тех уже ретро-телевизорах стоял трансформаторный (любые колебания входного напряжения автоматически влекли колебания напряжения со вторичной обмотки, и при большой амплитуде таких входных напряжений телевизор переставал устойчиво работать, а то и выходил из строя по причине недопустимо высоких первичных из сети, а следом и вторичных напряжений). Сегодня телевизор в загородном доме, пожалуй, один из самых невосприимчивых к колебаниям напряжений приборов. В отличие от насосов, электрокотлов отопления, холодильников. Как раз по причине наличия в нем импульсного блока питания. Если посмотреть в паспорт, в нем вы увидите этот допустимый разброс, который существенно больше, допускаемого ГОСТом. Тем не менее, и этот допускаемый разброс для импульсного блока питания отнюдь не бесконечен. Возможно, что реально происходящий разброс и превосходит допустимый. А вот для нагревательных элементов аппаратуры климатической защиты (в том числе и для гермобоксов видеокамер, обогрев которых организован напрямую от сети 220В) такой разброс может оказаться очень ощутимым. Особенно при существенном уменьшении внешнего питающего напряжения. Кроме того, техническая система безопасности может иметь в своем составе и всевозможные исполнительные механизмы – например, приводы ворот и шлагбаумов, для которых чрезмерное понижение или повышение входного напряжения может оказаться критическим. Но главная беда в том, что невозможно заранее предугадать, каким окажется возможный перекос фаз, и какой разброс напряжений питания нашей системы это вызовет. Мы же не можем знать наперед, какая аппаратура завтра или через год появится на объекте, и как и куда ее подключат. Но при этом очень хотелось бы, чтобы наша система не пострадала. Есть стандартный метод «борьбы» с перекосом фаз. Точнее, не с перекосом фаз, а с чрезмерными колебаниями напряжений питающей сети, возникающими вследствие этого. Это – включение на входе в цепь питания стабилизатора напряжений. Схему работы стабилизатора здесь разбирать не будем, хотя ничего особо сложного в ней нет. Вот стабилизатор уже выдаст нам в сеть напряжение в соответствии с ГОСТом. Даже несколько сузит «гостовский диапазон» – примерно 220В +\- 8% (в зависимости от конкретной модели). Главное, необходимо подсчитать максимальную суммарную мощность потребления всей нашей сети и в соответствии с этим параметром выбрать стабилизатор. Ко входу его подключить входную линию питания (ноль и фазу), а с выхода уже строить систему питания нашей системы. Только при выборе стабилизатора по мощности следует учесть, что на нижнем пределе допустимых входных напряжений выдаваемая на выходе мощность будет составлять не максимальную, написанную, как правило, не только в паспорте, но и на лицевой стенке корпуса прибора, а процентов 60-70 от нее. То есть, если максимальная потребляемая системой мощность составляет, например, 5кВт, минимально возможное напряжение в сети составляет 130В и такое же минимальное допустимое входное напряжение указано в паспорте стабилизатора, приобретать стабилизатор надо не на 5кВт, а на 8кВт. Но за пределами допустимого разброса входных напряжений и стабилизатор не будет нормально работать. А при превышении максимально допустимого входного напряжения может (и с очень большой вероятностью) просто сгореть. Мы с вами, как отметили выше, никогда не знаем наперед этот самый фактически возможный разброс. Значит, надо его создать в соответствии с допустимым разбросом, с которым справится стабилизатор. А с этим успешно справится упомянутый выше ограничитель напряжений. Тем более, он все равно актуален в схеме, поскольку описанные угрозы возникновения в цепи межфазного напряжения 380В никуда не делись. Вот на нем выставляем верхнее и нижнее допустимые входные напряжения. Если подаваемое на вход ограничителя напряжение укладывается в этот диапазон, со стабилизатора гарантированно получим 220 В в границах, даже меньших, чем требуется по ГОСТу. Если не укладывается, произойдет отключение линии до момента подачи в цепь допустимого ограничителем напряжения. Есть еще важный момент, касательно именно наших слаботочных систем, связанный с перекосом фаз, о котором не следует забывать. А именно, напряжение смещения на проводе нейтрали в связи с вопросами заземления. Согласно отечественным нормам, допускается в целях безопасности от поражения человека электрическим током производить так называемое «зануление» в силовых розетках, то есть соединение нейтрали с земляной клеммой. От поражения электрическим током в случае контакта линии с корпусом прибора и человека с этим же корпусом это действительно спасет – ток пойдет через нейтраль по линии наименьшего сопротивления. Однако, на проводе нейтрали при перекосе фаз, как мы выяснили выше, возникает напряжение смещения, которое, кстати сказать, тоже может достигать десятков вольт и в свою очередь представлять если не опасность для здоровья и жизни, то быть весьма ощутимым, если замкнется цепь нейтраль-человек-земля. Были случаи, что монтажники даже со стремянок падали. Но гораздо очевидней другая опасность. Очень многие приборы наших систем имеют вилку с земляной клеммой, которая электрически соединена в самом приборе с сигнальным заземлением. И если в розетке, к которой подключен такой прибор, выполнено зануление, а в первичной сети питания имеется перекос фаз, очень велика вероятность помехи на полезный сигнал в силу наличия на сигнальной земле переменного потенциала. Практическая рекомендация из этого – поиск возможной причины возникшей в системе помехи имеет смысл начинать с силовых розеток. Если имеется зануление, уберите его. Возможно, помеха исчезнет. И теперь в свете всего вышеизложенного можно делать выводы об организации первичного питания слаботочных систем. Сюда же, не вдаваясь в физику процесса, добавим общую рекомендацию теории сигнальных цепей – все потребители одной цепи следует запитывать от одной и той же фазы трехфазной сети питания. Конечно, не всегда это удается. Но стремиться к этому следует всегда. Итак, оптимальным получается вариант, когда мы в одном месте подключаемся к одной фазе общей трехфазной сети и далее по всем потребителям нашей системы разводим свою собственную однофазную сеть питания. В этом случае мы ставим в этой точке подключения автоматический выключатель на линии фазы, который отключит линию при перегрузке (в том числе, при коротком замыкании). Далее мы ставим ограничитель входных напряжений, который отключит линию питания, если входное напряжение находится за пределами допустимого диапазона для стабилизатора, устанавливаемого следом. И далее устанавливаем однофазный стабилизатор напряжения. Все. Мы полностью защитили оборудование нашей системы от всевозможных «чудес», которые могут происходить в сети питания, независимо от причин, по которым они возникают. В который раз и на всякий случай остановим «горячие головы», предлагающие разводить по удаленным потребителям сразу вторичное питание. Например, с выхода некоего мощного импульсного общего источника питания. Даже не касаясь вопросов земельных петель. И даже представив гипотетический блок питания любой требуемой мощности. В основном, с целью напомнить необходимость всегда учитывать падение напряжения в линии. Провод питания и потребитель, включенный в линию питания, представляют собой последовательную схему соединения: провод-потребитель-провод. Ток при последовательном соединении постоянный во всей цепи, общее напряжение на концах равно сумме напряжений на потребителях. В данном случае есть собственно потребитель, и в качестве потребителей выступают сопротивления провода в один конец (к собственно потребителю) и обратно от собственно потребителя. Ток в цепи определяется током потребления нашего собственно потребителя (паспортная величина). Тогда Uобщ.= Uпотр.+ ΔU, где Uобщ. – напряжение во всей цепи (на концах цепи), Uпотр. – напряжение на клеммах потребителя, ΔU – падение напряжения на обоих проводниках (к потребителю и обратно). В свою очередь ΔU=Iпотр. х R, где Iпотр. – ток потребления, R – общее сопротивление провода (в оба конца). Собственно, потребитель потребляет не напряжение и ток, а мощность P= U x I. Соответственно, чем меньше напряжение в цепи, тем больший ток потребления. И наоборот. В свою очередь, чем больше ток, тем больше падение напряжение ΔU. Таким образом, передавая вторичное напряжение, мы заведомо идем на бóльшие потери в линии, обогрев атмосферы в линии увеличивается, как мы уже отмечали ранее, пропорционально квадрату силы тока. А для того, чтобы оставшегося Uпотр.= Uобщ. - ΔU нам хватило для работы нашего оборудования, придется идти на уменьшение сопротивления, которое определяется по формуле: R=ρ х L /S, где ρ – удельное сопротивление проводника, которое зависит исключительно от материала, из которого он изготовлен, и на эту величину мы никак повлиять не можем. L в данном случае – длина проводника в оба конца (туда и обратно) – тоже величина, от нас совершенно не зависящая. Остается только возможность влиять на уменьшение сопротивления за счет увеличения сечения. Вот я и предлагаю всегда, прежде чем принимать решение об организации централизованного для всей системы вторичного питания, сначала, исходя из тока потребления и допустимого падения напряжения, рассчитать необходимое сечение кабеля. Потом оценить стоимость всего такого необходимого кабеля, его толщину с точки зрения технологичности монтажа, вес. Уверен, что желание продолжать идти в этом направлении отпадет, если дальность трасс измеряется хотя бы несколькими сотнями метров, не говоря уже о километрах. А можно просто подумать, почему магистральные высоковольтные линии имеют напряжение, измеряемые в десятках киловольт, а предназначены в конце концов в основной своей массе для питания обычных потребителей. Почему перед передачей на дальние расстояния специально и за очень большие деньги устанавливаются повышающие трансформаторы, а уже в местах разводки по конечным потребителям за такие же большие деньги устанавливаются трансформаторы понижающие. Исключительно с единственной целью – уменьшить потери при передаче, которые равны, как мы отмечали выше, Q=I2 х R х t. Поскольку необходимо передать огромную мощность, для уменьшения потерь необходимо максимально снизить ток. Значит, максимально поднять напряжение. Ну, и максимально возможно снизить сопротивление, для чего остается все тот же единственный путь – увеличение сечения проводника. Вот поэтому магистральные высоковольтные линии такие толстые. Вывод – оптимальный путь организации питания – единая для всей системы однофазная линия 220В. А к ней на местах уже подключается вся аппаратура системы. Однако, в реальности так бывает далеко не всегда. Бывает и вполне оправдано использование первичного питания, как говорят, на местах. В этом случае все вышесказанное о защите линии питания от типовых безобразий актуально для каждой точки подключения. Количество необходимого защитного оборудования будет иметь кратность количества таких точек локального подключения. Во всех вышеизложенных решениях защиты оборудования по сети 220В реализация такого решения выражается в отключении линии питания. Оборудование мы спасли, но система на время отключения, естественно, не работает. А может, и на более длительный период времени. Например, пока оборудование климатической защиты не обеспечит условия, при которых защищаемое оборудование может работать (проще, до срабатывания функции холодного запуска). Учитывая, что системы нашего рынка нередко призваны работать на безопасность, такое положение дел далеко не всегда устраивает заказчика. И встает вопрос об организации бесперебойного питания. На нашем рынке источники бесперебойного питания уже представлены отдельной самостоятельной нишей. Однако, как-то исторически сложилось, что все они представляют собой источники вторичного напряжения. В то же время для полноценного функционирования всей системы необходимо обеспечить питанием в случае отключения централизованного абсолютно все активные элементы. И потребуется нам этих источников бесперебойного питания если и не по количеству всех активных элементов, то уж по количеству системных узлов, содержащих активные элементы, это точно. Поскольку дальняя передача вторичного питания, как мы выяснили, вещь совершено не оправданная, а то и невозможная. В принципе, такая установка возможна, хотя потребует увеличения габаритов неких монтажных модулей. К тому же любые аккумуляторы в условиях низких температур очень существенно теряют свою емкость и требуют системы климатической защиты. Ну, и большое количество необходимого дополнительного оборудования и его территориальная разнесенность неизбежно очень усложняют обслуживание подобной техники во времени, так как аккумуляторы требуют обслуживания всегда. Для оптимальной схемы централизованного питания 220В из одной точки всей системы лично я считаю установку собственного генератора на 220В необходимой мощности. Это может быть и автоматический переход на аварийное питание, и ручной. Главное – вся аппаратура резервного питания находится в одной точке системы. Мы непременно выиграем в стоимости и оборудования, и монтажных работ, и обслуживания. При этом ничего не потеряем в надежности, ибо большое количество ИБП вторичного питания никоим образом не дублируют друг друга, а, напротив, выход хотя бы одного из них может привести к неработоспособности всей системы, в зависимости от того, на какого потребителя он работает. В случае организации питания «на местах», такая система, конечно, не выгодна. Резервное питание также организуется локально уже на ИБП вторичного напряжения. В принципе, весь изложенный материал абсолютно ничего сложного не представляет. В наших системах электропитания существует немало объективных проблем и всевозможных сюрпризов от «человеческого фактора». Однако проявление всех этих вещей носит достаточно типовой характер. И типовыми же являются меры защиты. Не мы отвечаем за энергоснабжение объекта. Но мы в состоянии противостоять если не самим проблемам, то последствиям от их наличия. И грех такой возможностью не воспользоваться. Лично у меня в доме на каждой из трех фаз установлены и ограничители напряжения, и стабилизаторы напряжения, и автоматические выключатели. А электроснабжение в случае отключения подачи электроэнергии обеспечивается трехфазным дизель-генератором. И все, изложенное выше, это не теоретические изыскания, а исключительно практический опыт и оснащения наших объектов, и повседневной борьбы за живучесть, продиктованной чудесами наших электросетей. Вот чего не стоит делать с питанием 220В, это учиться сугубо на своих ошибках.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них. Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев!

Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 0  (голосов: 0)
Ваша оценка: