Автор: А. Пит (компания Fortop).

Опубликовано в журнале Химическая техника №1/2017

Провалы напряжения могут привести к серьезным проблемам, например, к сбою в производственных процессах и к снижению качества продукции. Подобные провалы возникают гораздо чаще, чем прерывания. Экономические последствия провалов напряжения часто сильно недооцениваются. Но что собой представляет провал напряжения на самом деле? Как возникает провал напряжения? Можно ли предотвратить провал напряжения или нужно попытаться ограничить возможный ущерб путем своевременного распознавания? В этой статье подробно освещаются эти вопросы.

Janitza electronics GmbH – немецкое предприятие, которое в течение 50 лет занимается производством систем для эффективного использования электроэнергии, измерения ее характеристик и снижения затрат. Являясь известным производителем оборудования для контроля сетей и управления энергией, встроенных цифровых измерительных устройств, регуляторов реактивной мощности и компенсационных установок, предприятие стремится к соблюдению высочайших стандартов качества и инноваций. Продукты производятся в соответствии с последними достижениями с использованием новейших технологий. Управление качеством в компании Janitza рассматривается как неотъемлемая часть системы управления (например, ISO 50001). Обширное ноу-хау, компетентные консультации и услуги по созданию концепции, ввод в эксплуатацию индивидуальных решений – все это отвечает требованиям и пожеланием клиентов.

Что собой представляет провал напряжения?

В соответствии с европейским стандартом EN 50160 провалом напряжения считается внезапное понижение эффективных значений напряжения до значения от 90 % до 1 % заданного, после чего следует непосредственное восстановление напряжения (рис. 1). Длительность провала напряжения составляет от половины периода (10 мс) до 1 мин.

Рис. 1. Пример провала напряжения
Рис. 1. Пример провала напряжения

Если эффективное значение напряжения не опускается ниже 90% заданного значения, это рассматривается как нормальное рабочее состояние. Если напряжение падает ниже 1% заданного значения, это считается прерыванием.

Таким образом, провал напряжения не следует путать с прерыванием. Прерывание возникает, например, после срабатывания предохранителя (тип. 300 мс). Пропадание напряжения в сети распространяется в форме провала напряжения по остальной распределительной электросети.

Рис. 2. Разница между провалом, прерыванием и пониженным напряжением
Рис. 2. Разница между провалом, прерыванием
и пониженным напряжением

На рис. 2 уточняется разница между провалом, коротким прерыванием и пониженным напряжением.

Как возникает провал напряжения?

Токи включения. Одна из известных причин небольшого провала напряжения – это токи включения конденсаторов, двигателей или других устройств. На рис. 3 можно увидеть, что при запуске двигателя сила тока на короткое время увеличивается. Падение напряжения на полных сопротивлениях Z и Z1 приводит к незначительному провалу напряжения на распределителе низкого напряжения (зона провала 1) и немного большему провалу напряжения за полным сопротивлением Z1 (зона провала 2).

Рис. 3. «Запуск» двигателей может привести к провалу напряжения
Рис. 3. «Запуск» двигателей может привести
к провалу напряжения

Решение проблем, вызванных подобными провалами, заключается в оптимизации установки. Включение устройств не должно приводить к возникновению критических провалов напряжения.

Провалы напряжения могут привести к серьезным проблемам, например, к сбою в производственных процессах и к снижению качества продукции. Подобные провалы возникают гораздо чаще, чем прерывания. Экономические последствия провалов напряжения часто сильно недооцениваются. Но что собой представляет провал напряжения на самом деле? Как возникает провал напряжения? Можно ли предотвратить провал напряжения или нужно попытаться ограничить возможный ущерб путем своевременного распознавания? В этой статье подробно освещаются эти вопросы.

Рис. 4. Типичный пример рабочего состояния, при котором провал напряжения возникает в результате короткого замыкания в сети низкого напряжения
Рис. 4. Типичный пример рабочего состояния, при котором
провал напряжения возникает в результате короткого
замыкания в сети низкого напряжения

Короткие замыкания в сети низкого напряжения. При замыкании в сети низкого напряжения протекает ток короткого замыкания (рис. 4). Вклад тока короткого замыкания зависит от величины полных сопротивлений Z и Z3.

На практике полное сопротивление Z3 больше. Значение полного сопротивления Z3 определяется, в частности, типом и длиной кабеля. Чем больше длина кабеля, тем меньше будет ток короткого замыкания.

Ток короткого замыкания вызывает падение напряжения по полному сопротивлению Z, при этом наблюдается кратковременный провал напряжения на главном распределителе низкого напряжения (зона провала 1).

При коротком замыкании должен сработать предохранитель группы 3. Если до срабатывания предохранителя проходит 100 мс, то на всей установке наблюдается сильный провал напряжения на 100 мс.

Хотя короткие замыкания в сети низкого напряжения встречаются, на практике им часто не уделяют внимания.

Короткие замыкания в сетях среднего напряжения более критичны.

Короткие замыкания в сети среднего напряжения. Чаще всего провалы напряжения наблюдаются в сетях среднего напряжения. Они могут быть, в частности, вызваны следующими факторами:

  • земляными работами;
  • пробоем соединительной муфты;
  • старением кабеля;
  • коротким замыканием в воздушных сетях (бури, животные и т. п.)

На рис. 5 приведена типичная структура сети среднего напряжения. Известные трансформаторные будки/местные распределительные подстанции (зеленые точки) соединены друг с другом по кольцу и подключены к распределительной станции (синие точки). В кольце всегда имеется разрыв (см. кольцо из зеленых точек справа снизу). При возникновении короткого замыкания по цепи протекает ток короткого замыкания (красная линия). Он протекает до тех пор, пока предохранитель на распределительной станции не отключит кольцо. Это показано на левом рисунке (в кольце слева вверху).

Таким образом, во время короткого замыкания кратковременно протекает сильный ток. Из-за полных сопротивлений сети это приводит к кратковременному понижению напряжения во всей сети. Это кратковременное понижение напряжения выражается в форме «провала напряжения».

Около 75 % провалов напряжения возникает в сети среднего напряжения. Часто они неизбежны для потребителя.

Короткие замыкания в сети высокого напряжения. Замыкания в сети высокого напряжения часто вызываются грозами или (ошибочными) включениями. Последние обычно наблюдаются на концах линий высокого напряжения.

Рис. 5. Большинство провалов напряжения вызывается короткими замыканиями в сети среднего напряжения
Рис. 5. Большинство провалов напряжения вызывается короткими замыканиями в сети среднего напряжения

Проблемы, связанные с провалами напряжения

Провалы напряжения могут привести к отказу компьютерных систем, ПЛК-установок, реле и преобразователей частоты. В критических процессах всего один провал напряжения может вызвать высокие затраты, особенно критичны в этом отношении непрерывные процессы.

Примером этому служат литье под давлением, экструзионные процессы, печать или обработка таких пищевых продуктов, как молоко, пиво или прохладительные напитки.

Связанные с провалом напряжения затраты складываются из следующих составляющих:

  • упущенной прибыли в результате простоя производственных мощностей;
  • затрат на возобновление производственного процесса;
  • затрат, связанных с задержками поставок продукции;
  • затрат на испорченное сырье;
  • затрат на устранение ущерба, причиненного машинам, приборам и матрицам;
  • затрат на техобслуживание и оплату труда.

Средняя стоимость провала напряжения сильно зависит от отрасли:

  • Tонкая химия 190 000 евро;
  • Микропроцессоры 100 000 евро;
  • Металлообработка 35 000 евро;
  • Текстильная промышленность 20 000 евро;
  • Пищевая промышленность 18 000 евро.

Часто процессы протекают без присутствия людей, поэтому провалы напряжения обнаруживаются не сразу.

В этом случае, например, возможен незамеченный останов машины для литья под давлением. Когда останов обнаружится, уже будет нанесен ощутимый ущерб.

Клиенты получат продукцию слишком поздно, а пластмасса в машине затвердеет. В типографиях или в бумажной промышленности возможен разрыв бумаги, что может привести даже к пожару. Другой известный пример, это ущерб, нанесенный производителю шин Vredestein в результате провалов напряжения.

Уязвимость ИТ-установок для провалов и прерывания напряжения

Именно ИТ-установки особенно подвержены влиянию провалов и прерывания напряжения. Это означает, что все процессы, управляемые микропроцессорами, уязвимы в отношении этих сбоев, например, ПЛК-установки, преобразователи частоты, системы управления станками, серверы, ПК и т.д.

На построенной Information Technology Industry Council кривой ITI-CBEMA (рис. 6) видно, когда провал напряжения приводит к отказу ИТ-устройств, а когда пик напряжения вызывает повреждение ИТ-устройств. Хотя модель была разработана для сетей 120 В, 60 Гц, она также используется для устройств, подключенных к сетям 230 В, 50 Гц. Модель может использоваться производителями в качестве руководства при проектировании.

Как можно противостоять провалам напряжения?

Рис. 6. Кривая ITI (CBEMA) показывает, когда провал напряжения приводит к отказу ИТ-оборудования
Рис. 6. Кривая ITI (CBEMA) показывает, когда провал
напряжения приводит к отказу ИТ-оборудования

Провалы напряжения в результате токов включения можно в определенной мере ограничить за счет усовершенствования конструкции установки. Провалы напряжения в результате коротких замыканий в сети низкого напряжения возникают, как правило, крайне редко. Большинство провалов напряжения вызывается замыканиями в сети среднего напряжения. Повлиять на причины возникновения подобных провалов невозможно.

Способы устранения провалов напряжения:

  • использованием статических ИБП, источника постоянного напряжения с подключенным за ним инвертором.Это решение часто используется для перехода на аварийное питание от резервного агрегата;
  • с помощью синхронно работающего под нагрузкой маховика (динамические ИБП). При кратком прерывании или провале энергия поступает от маховика. Это решение недешево, часто используется в вычислительных центрах;
  • подключением управляющих и регулирующих установок процесса к стабилизированному источнику электроэнергии;
  • дооснащением электрической инфраструктуры. Это не всегда возможно и, разумеется, обходится недешево.

Как видно, устранение провалов напряжения затратно, поэтому своевременное определение провалов напряжения может оказаться очень полезным. С помощью хорошего инструмента создания отчета можно определить причины и принять целенаправленные (и поэтому более экономичные) меры.

Сигналы о провале напряжения

Компания Janitza предлагает широкий ассортимент анализаторов, способных распознавать короткие прерывания и провалы напряжения. Сетевой анализатор UMG 604 непрерывно контролирует более 800 электрических характеристик. Все каналы проверяются 20 000 раз в 1 с, при этом регистрируются короткие прерывания и провалы напряжения и выдаются соответствующие предупреждения. На основании этих событий может быть отправлено сообщение с помощью электронной почты или SMS. Входящий в объем поставки пакет ПО GridVis-Basic позволяет генерировать подробные отчеты.

Рис. 7. Сетевой анализатор на панели ввода питания распознает отклонения в напряжении
Рис. 7. Сетевой анализатор на панели ввода питания
распознает отклонения в напряжении

Анализатор UMG 604, установленный на панели ввода питания (рис. 7), представляет собой масштабное и экономичное решение для распознавания, регистрации, сигнализации и оповещения о провалах напряжения.

Измерительное устройство оснащено веб-сервером, благодаря этому без больших затрат и без использования сложного ПО можно напрямую вызывать важнейшие параметры из измерительных устройств. С помощью встроенного браузера событий провалы и прерывания напряжения можно анализировать и документировать в форме отчетов (рис. 8).

Рис 8. С помощью GridVis можно выполнять даже масштабный анализ
Рис 8. С помощью GridVis можно выполнять
даже масштабный анализ

Компания Janitza предлагает следующие измерительные устройства для распознавания кратковременных прерываний:

  • UMG 604 – компактный сетевой анализатор для монтажа на DIN-рейке;
  • UMG 508 – сетевой анализатор с цветным экраном с интуитивным управлением для монтажа на панели;
  • UMG 605 – анализатор качества сети класса A для монтажа на DIN-рейке;
  • UMG 511 – анализатор качества сети класса A с цветным экраном с интуитивным управлением для монтажа на панели.

Анализ с помощью GridVis

Базовый пакет программы GridVis (GridVis-Basic) бесплатно поставляется вместе с измерительными устройствами Janitza. С помощью этого пакета, в частности, можно:

  • считывать значения измерений в режиме реального времени;
  • запрашивать архивные данные измерений в форме файлов и графиков;
  • анализировать кратковременные прерывания, переходные напряжения и провалы напряжения;
  • распечатывать полные отчеты EN 50160 «одним нажатием на кнопку» и
  • генерировать простые отчеты качества/ошибок.

С использованием встроенного генератора отчетов можно объединять даже периодически возникающие провалы напряжения, короткие прерывания и пики напряжений с помощью кривой ITI-(CBEMA) в наглядные отчеты.

Pис. 9. Отчет о провалах и пиках напряжения на основании кривой ITI
Pис. 9. Отчет о провалах и пиках напряжения
на основании кривой ITI

На рис. 9 видно, что возникло три провала напряжения, приведших к остановке установки.

Провалы напряжения возникают относительно часто, но не всегда распознаются. Экономический ущерб от провалов напряжения больше, чем от прерываний. Путем дооснащения электрической инфраструктуры можно предотвратить целый ряд провалов напряжения. Использование бесперебойных источников питания или дроссельных катушек может снизить вред, нанесенный провалами напряжения. В некоторых случаях эти меры представляются слишком дорогостоящими. Первым шагом, тем не менее, всегда является распознавание и документирование провалов напряжения. Компания Janitza предлагает готовые решения, которые устойчиво и надежно осуществляют непрерывный контроль и анализ всех производственных процессов. За счет использования современных измерительных устройств можно своевременно обнаружить и устранить проблемы, связанные с качеством напряжения. Повышение надежности подачи электроэнергии гарантировано, затраты на техобслуживание снижаются, а срок службы производственной установки увеличивается.

Одним из перспективных направлений очистки газового потока промышленных предприятий является очистка в биофильтрах. С технической точки зрения биофильтрация – это технология или одна из ступеней очистки.

Биологическая очистка предполагает деградацию органической составляющей микроорганизмами (бактериями и простейшими) [1].

Создавая оптимальные условия для роста микроорганизмов в надлежащим образом спроектированных инженерных системах, скорость процессов обработки отходов можно значительно увеличить, что облегчает решение многих проблем природоохранной биотехнологии.

Одно из наиболее перспективных направлений улучшения работоспособности и степени очистки в биофильтрах включает подбор наиболее приемлемых поверхностей для жизнедеятельности микроорганизмов, подбор микроорганизмов, а также определение характеристик работы насадок [2].

В настоящее время к насадкам для биофильтров (рис. 1) стали предъявлять определенные требования и в связи с этим осуществлять их тщательное изучение.

В литературных источниках предлагается разделять насадки для биофильтров по очистке газа на две группы: насадки природного происхождения (натуральные) и искусственного. Более расширенная классификация предлагается на основании природы происхождения насадки и наличию в насадке собственной микрофлоры и/или питательных веществ (углерод, азот, фосфор, микроэлементы и т.п.), называемых биоактивностью насадки.

В рамках этой классификации предлагаются следующие группы:

  • природные насадки, обладающие собственной биоактивностью: стружка, щепки деревьев, почва, торф, кокосовые волокна и т.п.;
  • природные насадки с утраченной собственной биоактивностью: галька, вулканический камень и т.п.;
  • искусственные насадки, обогащенные элементами питания: полимерные насадки, инокулированные микроорганизмами и питательными веществами для них;
  • биологически инертные искусственные (синтетические) насадки: полимерные насадки без инокуляции микроорганизмов и добавления питательных веществ.

Авторами работ по биофильтрации выбросов выделяются следующие основные функции насадок для биофильтров:

  • обеспечение иммобилизации клеток активных микроорганизмов в виде биопленки;
  • равномерное распределение газовоздушного потока в пределах площади поперечного сечения слоя насадки с минимальным перепадом давления;
  • равномерное распределение растворенных питательных веществ, подаваемых на поверхность слоя насадки;
  • поддержание влажности, обеспечиваемое удерживающей способностью насадки по отношению к жидкости;
  • предотвращение накопления избыточной биомассы, приводящего к зарастанию насадки;
  • обеспечение контакта между загрязнителями, содержащимися в газовоздушном потоке, и биопленкой.

Для выполнения данных функций к насадкам для биофильтров предъявляются следующие требования:

  • высокая удельная площадь поверхности (более 500 м2/м3);
  • большая доля свободного объема (более 0,8);
  • низкое гидравлическое сопротивление (не более 600 Па/м);
  • отсутствие застойных зон;
  • низкая стоимость единицы объема насадки.
  • материал насадки не должен уплотняться и терять свою форму с увеличением количества биомассы на его поверхности [3].

Для повышения эффективности процесса иммобилизации бактериальных клеток материал поверхности насадки должен быть шероховатым; иметь поверхностный заряд, противоположный заряду клеточной стенки микроорганизмов; быть химически инертным, биологически безопасным (не выделять какие-либо токсичные соединения, мономеры, сополимеры и т.п.); быть стойким против воздействия микроорганизмов [4].