Качество электроснабжения сценических систем

Михаил Ольшевский


Обсуждение вопросов электроснабжения необходимо начать с повторения банальных вещей: электричество представляет собой потенциальную опасность для жизни и здоровья людей, поэтому любая  деятельность, связанная с электричеством, подвергается жесткому государственному регулированию.
Если вы собираетесь предпринять какие-либо действия в этой области, выходящие за пределы втыкания вилки бытового электроприбора в розетку сети в собственной квартире, вы должны иметь определенную квалификацию, подтвержденную соответствующими документами. Поэтому настоятельно рекомендуем тщательно ознакомиться с нормативными документами, регламентирующими деятельность в этой области и имеющими силу закона.


Информация, полученная из неофициальных источников, таких, как учебные пособия, журнальные статьи (в том числе и та, которую вы читаете в данный момент) и др., может помочь пониманию смысла требований нормативных документов, но никоим образом не может их заменить. Банальная опечатка или недостаточная компетентность автора могут стоить кому-то жизни.


Основополагающими документами регулирования «электрических» вопросов являются следующие:
Правила устройства электроустановок  от 2003 г.
Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей от 2003 г.
Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок потребителей от 2001 г. с изменениями от 2003 г.
Правила охраны труда в театрах и концертных залах от 1998 г.


Помимо вышеперечисленных документов, существует несколько десятков межгосударственных, государственных и отраслевых стандартов, имеющих обязательный или рекомендательный статус. Важнейший из них для наших приложений – это ГОСТ Р 50571.3-2009 «Электроустановки низковольтные. Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током».
Нормативы госрегулирования регламентируют практически все возможные вопросы, так или иначе связанные с электричеством как в организационном, так и в техническом плане. Электротехника – это объективно сложная дисциплина, поэтому даже для людей с высшим профильным образованием не всегда очевидны причины тех или иных требований нормативных документов. Исполнение их вне зависимости от вашего понимания и одобрения будет способствовать сохранению жизни и здоровья людей, а также вашей личной свободы и материального благополучия.


Заметим, что в последние годы проводятся изменения в техническом регулировании, связанные с приведением нашего законодательства к международным стандартам. Процесс этот, к сожалению, затянулся, и пока еще можно найти некоторые несоответствия в различных документах и другие недоработки, однако это не отменяет обязательности исполнения их требований.
Недоработки в законодательстве и плохое знание законодательства всегда вызывают неоднозначности его толкования, способствуют возникновению спорных вопросов между заинтересованными лицами и организациями, предъявлению неадекватных взаимных требований, провоцируют коррупционные действия административных должностных лиц и контролирующих органов.


Хотелось бы в будущем увидеть в действующих документах современные и конкретные требования, относящиеся к техническому обеспечению различных массовых мероприятий с применением временно монтируемых систем и конструкций, в том числе на временных сценах и во временных сооружениях, то есть в той части, о которой в основном мы и собрались поговорить.
Недавно проведенный журналом «Шоу-Мастер» опрос о проблемах электропитания показал, что откликнувшиеся на опрос респонденты наиболее часто в своей практике сталкивались со следующими проблемами в таком процентном соотношении:




Перечисленные проблемы имеют причины очень разного характера, регулируются различными документами, и пути разрешения их лежат в разных плоскостях.
Как показывает опыт, на специальных стационарных площадках типа театров и концертных залов проблемы с электроснабжением встречаются значительно реже, чем в случаях проведения мероприятий в помещениях, которые изначально для этого не приспособлены. С другой стороны, и на крупных «open air» мероприятиях, организаторы которых, как правило, работают с серьезными проверенными подрядчиками, острота проблем с электроснабжением также не ощущается.


Проблемы возникают чаще всего по причине неопытности организаторов, которые не в состоянии оценить несоответствие масштаба мероприятия и возможностей помещения по электроснабжению или убедить в этом заказчика, недостаточной квалификации и опыта подрядчиков как со стороны поставщиков, так и со стороны потребителей электроэнергии, а также из-за ошибок в их взаимодействии. Кроме того, качество используемого оборудования самым непосредственным образом влияет на качество энергоснабжения площадки. Опасность использования дешевого несертифицированного оборудования, присоединения к непредназначенным для соответствующих целей сетям, использования неподходящих электрогенераторов таится в непредсказуемости взаимовлияния этих компонентов в их различных сочетаниях.


Охарактеризуем вкратце каждую из перечисленных в опросе проблем и некоторые из них рассмотрим подробнее.   


Ограничение по мощности
Строго говоря, проблемой эту ситуацию назвать трудно, так же как не является проблемой абстрактный недостаток денег. Денег всегда мало. Денежный вопрос принято считать решенным, когда денег хватает на покупку конкретного товара или услуги. Если денег не хватает, то ищется дополнительный источник финансирования. Если не получается – надо снижать запросы. Ситуация с электроэнергией очень похожа. На сегодняшний день арендовать генератор(ы) практически любой необходимой мощности не составляет труда. Это организационно-финансовая проблема. С технической стороны требуется только грамотное задание.


Отключение питания
Чтобы разобраться  в этой проблеме, следует понять, на каком этапе «транспортировки» электроэнергии от источника к потребителю произошло отключение.
Как правило, линия разграничения ответственности проводится по признаку ведомственной принадлежности участка сети. В случае, когда мероприятие проводится на территории какого-либо предприятия, а техническое обеспечение производится силами сторонних организаций, при этом питание осуществляется от стационарной сети, линия разграничения ответственности проводится по клеммам основного щита (щитов) питания, к которым присоединяется электрическая сеть и оборудование сторонних подрядчиков.


Такое разграничение зон ответственности электроснабжения оформляется, как правило, в письменном виде.
Если отключение происходит в зоне ответственности организации, предоставляющей электроэнергию, то это может происходить:
В случае короткого замыкания в сети потребителя или при превышении им потребляемой мощности (которая должна быть оговорена с поставщиком  электроэнергии). В этом случае срабатывает автомат защиты, находящийся на границе зон ответственности, и вина за отключение ложится на потребителя.



Если отключение происходит по причине неисправного оборудования или неадекватных действий персонала организации, предоставляющей электроэнергию, то вина, очевидно, ложится на эту организацию.
Если отключение происходит за пределами организации, на территории которой проводится мероприятие, то при кажущейся очевидности ситуация не так проста.
Качество электроэнергии, а в это понятие входят и перерывы в электроснабжении, регламентируется межгосударственным стандартом ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Об этом ГОСТе и качестве электроэнергии мы поговорим позже.



Если питание оборудования осуществляется от стационарной сети спортивного, зрелищного или другого предприятия, то следует иметь в виду, что по надежности электроснабжения эти предприятия и отдельные группы оборудования в соответствии с «Правилами устройства электроустановок» делятся на три основные категории. Наиболее надежная категория – первая, когда питание осуществляется от двух независимых линий с автоматическим резервированием. Вторая категория отличается от первой отсутствием автоматического резервирования, т.е. переключение осуществляется вручную, что требует определенных затрат времени. Третья категория питается от одной линии. В случае аварийного отключения этой линии во время мероприятия о его продолжении можно будет забыть. Категория надежности для оборудования зрелищных предприятий зависит от их вместимости. Для примера: категория электроснабжения «системы звукофикации» зрительного зала вместимостью свыше 800 мест – вторая, а менее 800 мест – третья.


Таким образом, организатор мероприятия должен осознавать и оценивать возможные риски и при необходимости использовать передвижные электростанции и привлекать специалистов для организации бесперебойного питания.


Наводки от других потребителей
Основная причина наводок связана с искажениями синусоидальной формы напряжения вследствие нелинейности нагрузки, присущей отдельным потребителям.
Такие искажения могут быть вызваны как сценическим оборудованием, так и другими потребителями, питающимися от той же сети. Различные искажения формы напряжения также регламентируются ГОСТ 13109-97.


Другие наводки, по характеру проявлений очевидно связанные как с силовой сетью, так и с влиянием одних потребителей на другие, часто имеют к проблемам электропитания весьма косвенное отношение. Я говорю о помехах, возникающих в результате некорректной разводки и заземления экранирующих цепей звукового и видеооборудования. В этом случае звуковая или видеосистема приобретает повышенную чувствительность к токам, протекающим по заземляющим проводникам, и к магнитным полям от трансформаторов и силовых кабелей.


Таким образом, работа вполне исправного и удовлетворяющего всем необходимым требованиям оборудования мешает работе другого. К этому классу помех относятся помехи, вызванные так называемыми «земляными петлями». Это очень непростая и при этом очень распространенная проблема, достойная отдельного рассмотрения, но, повторим, не имеющая прямой связи с качеством электроснабжения.



Плавающая частота
При питании оборудования от сетей общего пользования проблем с частотой сети обычно не возникает. Во-первых, потому что стандартом предусмотрены нормы значительно (в десятки раз) более жесткие, чем требуют приборы, используемые в шоу-технике. Во-вторых, электросети общего пользования устроены таким образом, что в реальности существенные отклонения частоты  практически невозможны.
  Проблемы с отклонением частоты могут возникнуть при питании от мобильных генераторов в ситуациях, когда генератор несоответствующего качества, его мощность недостаточна или он просто неисправен. Позже мы еще вернемся к вопросу питания от мобильных генераторов.



Скачки напряжения
Вероятно, под скачками напряжения подразумеваются все возможные несоответствия напряжения сети номинальному значению. Это важнейшая и, как показывает опрос, наиболее распространенная проблема. Напряжение сети, естественно, входит в комплекс параметров, определяющих качество электроэнергии, и регламентируется также стандартом ГОСТ 13109-97. О стандарте качества электроэнергии мы поговорим подробнее ниже.



Отсутствие заземления
Очевидно, под заземлением в опросе понимался комплекс мер, направленный на невозможность появления опасного напряжения на доступных для прикосновения сценических конструкциях, корпусах оборудования и т.п., и в нашем случае точнее было бы говорить о защитном занулении.
Отсутствие защитного заземления или зануления на сценической площадке – это, вообще говоря, криминальная ситуация, непосредственно угрожающая жизни и здоровью находящихся на сцене людей. Опрос показал, что это, к сожалению,  достаточно распространенная ситуация.


Проблема отсутствия заземления при питании от стационарных сетей возникает, как правило, в зоне ответственности потребителей, то есть нас с вами, дорогие коллеги. Исключение составляют ситуации, когда шоу предполагается провести в малоприспособленном для этого помещении и единственным источником питания является некая розетка (возможно, даже трехфазная), выведенная неизвестно откуда местным специалистом во всех областях. Предъявить претензии этому лицу в случае отсутствия заземления вряд ли удастся, поэтому не следует доверять уверениям администрации заведения, что «все так работают и у всех всегда все нормально». Это не избавляет вас от ответственности.


Полное отсутствие защитного заземления или зануления на сценической площадке свидетельствует о грубейшем нарушении требований ряда нормативных документов и в первую очередь «Правил устройства электроустановок».


Приведем несколько выдержек из ПУЭ:

1.7.49. Токоведущие части электроустановки не должны быть доступны для случайного прикосновения, а доступные прикосновению открытые и сторонние проводящие части не должны находиться под напряжением, представляющим опасность поражения электрическим током как в нормальном режиме работы электроустановки, так и при повреждении изоляции.


1.7.50. Для защиты от поражения электрическим током в нормальном режиме должны быть применены по отдельности или в сочетании следующие меры защиты от прямого прикосновения:
основная изоляция токоведущих частей;
ограждения и оболочки.

…


Для дополнительной защиты от прямого прикосновения … следует применять устройства защитного отключения (УЗО) с номинальным отключающим дифференциальным током не более 30 мА.


1.7.51. Для защиты от поражения электрическим током в случае повреждения изоляции должны быть применены по отдельности или в сочетании следующие меры защиты при косвенном прикосновении:
защитное заземление;
автоматическое отключение питания;
…
двойная или усиленная изоляция;
…
1.7.53. Защиту при косвенном прикосновении следует выполнять во всех случаях, если напряжение в электроустановке превышает 50 В переменного … тока.
…

А также приведем выдержки из методических рекомендаций «Нормы устройства электроустановок» д.т.н. Р.Н. Карякина, которые являются технологическим дополнением к гл. 1.7 ПУЭ:

10.15.1. На сцене (эстраде, манеже) подлежат занулению металлические корпуса и конструкции всех электрических аппаратов.
10.15.2. Подвижные металлические конструкции сцены (эстрады, манежа), предназначенные для установки осветительных и силовых электроприемников (софитные фермы, портальные кулисы и т.п.), должны быть занулены посредством отдельного медного провода или жилы кабеля. Эти проводники не должны одновременно служить проводниками рабочего тока.

Наличие столь грубого нарушения свидетельствует о недостаточной квалификации персонала, ответственного за систему электроснабжения, и вероятном нарушении других требований по безопасности.
Правила устройства электроустановок предусматривают для электроустановок с напряжением ниже 1000 В (наш случай) несколько видов систем заземления в зависимости от режима работы нейтрали сети и способов заземления (зануления) потребителей. Например, питание электроприемников зрелищных предприятий, клубных учреждений и спортивных сооружений должно осуществляться от сети с системой заземления, имеющей обозначение TN-S или TN-C-S.


Первая буква в обозначении, «Т», означает, что нейтраль генератора заземлена (т.н. глухозаземленная нейтраль).
Изолированная нейтраль обозначается буквой «I».


Вторая буква, «N», означает, что открытые проводящие части (корпуса приборов и т.д.) присоединены к глухозаземленной нейтрали посредством нулевых защитных проводников (зануление).
Третья и четвертая буквы обозначают: «S» – наличие отдельного защитного проводника на всем протяжении от генератора к потребителю, «С» – наличие проводника, совмещающего функции рабочего и защитного, также на всем протяжении сети. Одновременное наличие букв «C» и «S» означает, что рабочий и защитный нулевые проводники объединены только в части системы.


Обратите внимание, что объединение возможно в той части, которая находится ближе к генератору и никогда наоборот, на что указывает последовательность букв «C-S». Также важно, что после точки разветвления, ближе к потребителю, защитный и рабочий проводники больше не должны объединяться. Обычно точка ответвления  находится в месте присоединения сценической сети к  силовому щиту стационарной сети здания или ближе к генератору. Таким образом, используемая сеть должна всегда иметь заземленную нейтраль, а в пределах сценического пространства у нас должен быть отдельный защитный нулевой проводник. Это, в частности, важно при использовании оборудования, чувствительного к помехам.


При питании от мобильного генератора оборудования, находящегося в помещении, в котором существует стационарная сеть, система заземления мобильной сети должна соответствовать сети стационарной.
Требования к сценической сети в части безопасности не ограничиваются требованиями к заземлению, так как само по себе оно безопасность не обеспечивает. Безопасность обеспечивается комплексом мер. Во-первых, это изоляция, электрическая прочность которой должна быть выбрана в соответствии с требованиями, учитывающими все возможные перенапряжения в сети, в том числе в аварийных режимах.


Во-вторых, это автоматы защиты от перегрузки и коротких замыканий, для корректной работы которых требуется правильный выбор типа характеристик срабатывания и номинала автоматов в зависимости от характера нагрузки, правильный выбор сечения питающих и заземляющих проводников для обеспечения требуемого времени отключения напряжения. В-третьих,  это применение устройств защитного отключения и дифференциальных автоматов. И это далеко не все технические меры.
Помимо технических мер применяется и ряд организационных.


В общем, разработка, реализация и эксплуатация систем электроснабжения для профессиональной шоу-техники независимо от ее сложности должна осуществляться профессионалами в соответствии с требованиями нормативной документации.
Любые вариации в устройстве силового электрохозяйства сцены не должны противоречить требованиям нормативных документов.
В частности, нельзя нарушать цепи защитного заземления в целях борьбы с «земляными петлями». Для этого применяется гальваническая развязка в сигнальных цепях (как звуковых, так и видео).


Теперь поговорим непосредственно о качестве электроэнергии.
Как мы уже говорили выше, качество электроэнергии регламентируется ГОСТ 13109-97.
Стандарт устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц.


В этом стандарте качество электроэнергии нормируется по десяткам параметров.
Часть из них важны для большинства потребителей, другие беспокоят лишь тех потребителей, которые имеют повышенную  чувствительность именно к этим параметрам.
Сразу отметим, что стандарт предусматривает по ряду параметров значения нормально допустимые и предельно допустимые.
Предельно допустимые значения – это значения, которые не превышаются ни при каких обстоятельствах.


Нормально допустимые значения могут трактоваться следующим образом.
Значение параметра должно находиться в указанных пределах с вероятностью 95%.
Значение параметра должно находиться в указанных пределах в течение не менее 95% времени.
Время измерения нормируется периодом в 24 часа.


Для нашей практики это можно интерпретировать таким образом: если во время вашего полуторачасового концерта отклонение параметра качества находилось на предельно допустимом уровне в течение 1,2 часа, а далее в течение 23 часов параметр был в нормально допустимых пределах, то качество энергии считается нормальным, а вам просто «слегка не повезло».
Рассмотрим основные показатели качества электроэнергии, наиболее важные в наших приложениях.

Отклонение напряжения
Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения, для которого установлены следующие нормы: ±5%  и ±10% от номинального напряжения электрической сети. Это соответственно нормально допустимое и предельно допустимое значения.


Номинальное значение напряжения регламентируется ГОСТ 21128-83 и для интересующих нас приложений составляет 380/220 В.
Помимо ГОСТ  21128 существует межгосударственный стандарт ГОСТ 29322-92, предусматривающий постепенный перевод сетей на номинальное напряжение 400/230 В.
Отклонение напряжения характеризуется медленными изменениями со значениями, установившимися на время более 1 мин.


Чтобы избавить читателя от поиска калькулятора, сразу переведем проценты в абсолютные единицы: 220В±10% - это диапазон напряжения от 198 В до 242 В.

Колебания напряжения
Колебания напряжения характеризуются относительно быстрыми (на время менее 1 мин.) изменениями.
Предельно допустимое значение суммы установившегося отклонения напряжения и размаха колебаний напряжения  равно ±10% от номинального напряжения.


Провал напряжения
Провал напряжения (кратковременное понижение напряжения более чем на 10%  от номинального значения) характеризуется показателем длительности провала напряжения, для которого установлена следующая норма: – предельно допустимое значение длительности провала равно 30 с.
Провалы напряжения в большинстве случаев связаны с аварийными ситуациями на линиях электропередачи.

Временное перенапряжение
Временное перенапряжение (кратковременное повышение напряжения более чем на 10% от номинального значения) нормируется коэффициентом временного перенапряжения. Допустимые значение коэффициента зависят от длительности перенапряжения. Значения коэффициента перенапряжения не превышают значения 1,47,  1,31 и  1,15 при длительности до 1с, до 20 с и до 60 с соответственно. То есть в течение секунды напряжение с номинальным значением 220 В может повышаться до значения 323 В (!).


В среднем за год стандарт допускает около 30 временных перенапряжений. В большинстве случаев временные перенапряжения возникают при коротких замыканиях или перегрузках в цепях потребителей, когда замыкание в одной фазе вызывает повышение напряжения в других фазах из-за большого падения напряжения на нейтрали, вызванного током короткого замыкания. Длительность перенапряжения определяется временем срабатывания автомата защиты, а это время, в свою очередь, определяется током короткого замыкания или степенью перегрузки.


Помимо этого в справочном приложении к стандарту можно обнаружить любопытную фразу:
«При обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухо заземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений междуфазного напряжения, а длительность – нескольких часов». То есть вместо 220 В мы можем неожиданно получить 380 В.


Видимо, эта фраза из основополагающего документа вдохновляет отдельных представителей электротехнического персонала спортивных и зрелищных предприятий наплевательски относиться к качеству контактов нулевых рабочих проводников в щитах питания, предоставляемых сторонним подрядчикам, которым эти самые 380 В обходятся очень дорого.

Импульс напряжения
Импульс напряжения представляет собой кратковременный (менее 5 мс) всплеск напряжения, который может значительно превосходить номинальное напряжение. Причиной импульсных перенапряжений являются переходные процессы при коммутации в электросетях или грозовые разряды на линиях электропередачи.
Значение коммутационного импульсного напряжения при длительности импульса от 1 мс до 5 мс для сети с номинальным напряжением 380 В может быть 4,5 кВ.


Для ориентации: 5 мс – это четверть периода напряжения. Фильтры подавления электромагнитных помех (встроенные в приборы или выполненные отдельно) в большинстве случаев не способны подавить импульс такой длительности и такого напряжения до приемлемых значений. В случае импульсных источников питания, в которых силовые транзисторы включены сразу после фильтра электромагнитных помех, для пробоя этих транзисторов достаточно перенапряжения длительностью в десятки микросекунд и менее.

Отклонение частоты
Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты, равные ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно.
Повторим, что уход частоты даже на значительно большие величины, как правило, не способен нарушить работу сценического оборудования.

Несинусоидальность напряжения
Смысл этого понятия, вероятно, понятен читателям нашего журнала без дополнительных пояснений.
Несинусоидальность напряжения нормируется коэффициентом искажения, а также коэффициентами отдельных гармонических составляющих.
Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента искажений составляют 8% и 12% соответственно для сети напряжением 380/220 В.
Вышеперечисленные показатели качества электроэнергии поясняются рис. 1-3.




Рис.1. Отклонение напряжения, колебание напряжения







Рис. 2. Провал напряжения и перенапряжение






Рис. 3. Импульсы напряжения и несинусоидальность напряжения



Не всегда виновником ухудшения качества является энергоснабжающая организация.
В случаях колебания напряжения и несинусоидальности напряжения наиболее вероятным виновником является потребитель с переменной и нелинейной нагрузкой соответственно.
Итак, имеется группа параметров, за которые ответственна энергоснабжающая организация и на которые мы реально не в состоянии повлиять. Даже в случае их соответствия стандарту, а, как мы видели, стандарт допускает очень широкие рамки допустимых значений, они могут оказаться для нас неприемлемыми.


В определенных пределах мы можем защититься от неблагоприятных факторов путем выбора оборудования, наименее требовательного к качеству энергии, применением фильтров от импульсных перенапряжений, стабилизаторов напряжения и источников бесперебойного питания для наиболее ответственных потребителей. Заметим, что к выбору и применению стабилизаторов и источников бесперебойного питания следует относиться с большой осторожностью. Боль-
шинство стабилизаторов недорогих серий не спасают от колебаний напряжения и импульсных перенапряжений, а источники бесперебойного питания не обеспечивают синусоидальность напряжения, кроме того, надежность их часто бывает низкой, поэтому общая ситуация с их помощью может даже ухудшиться.
Несмотря на все возможные принятые меры, всегда остается вероятность критических ситуаций. Эту вероятность надо оценивать и учитывать.


Понятно, что вероятности возникновения проблем в энергоснабжении, например, Дворца спорта в крупном городе и в электроснабжении сельского клуба сильно разнятся.
Для наиболее ответственных мероприятий целесообразно привлекать передвижные электростанции в количестве, обеспечивающем необходимый резерв. Помимо получения требуемого качества и надежности электроснабжения это позволяет также запитать разные сценические системы, подверженные взаимным помехам, от разных генераторов.
Вернемся к питанию от сети и к параметрам качества, на которые существенно влияют потребители.



Потребители с переменной нагрузкой понижают напряжение сети в такт с повышением нагрузки. К таким потребителям в шоу-технике относятся: звуковая система, лампы накаливания с тиристорными регуляторами и отчасти светодиодные приборы. В этой ситуации освещение  может подмаргивать в такт звуку, а мощность звуковой системы ограничиваться уровнем «просадок» напряжения питания.
К потребителям с нелинейной нагрузкой относится большинство приборов, используемых в сценических системах.
На нелинейной нагрузке мы остановимся подробнее.


Одной из нелинейных нагрузок, доставлявших до последнего времени много хлопот для «работников звукового фронта», были тиристорные регуляторы яркости ламп накаливания. Форма тока этих устройств, представляющая «огрызки» синусоиды, даже после фильтрации поставляла в сеть большое количество гармоник высокого порядка. С постепенным уходом этих приборов из современной шоу-техники специалисты по звуку вздохнули с облегчением.
Практически все остальные приборы с однофазным питанием (за исключением приборов, оснащенных корректорами коэффициента мощности (ККМ) продуцируют искажения другого рода. Все они имеют в своем составе двухполупериодный выпрямитель и накопительный конденсатор. Упрощенная схема выпрямителя, форма тока, потребляемого от сети, и искажение формы сетевого напряжения показаны на рис. 4.






Рис. 4. Выпрямитель, форма тока и искажение формы напряжения




Перед выпрямителем может быть включен трансформатор (в традиционных источниках питания) или помехоподавляющий фильтр (в импульсных источниках). Суть явления от этого не меняется.
Искажение напряжения сети проявляется в «срезании» верхушки синусоиды.
Амплитуда напряжения снижается, причем значительно больше, чем его среднеквадратическое значение.
Несинусоидальность потребляемого нагрузкой тока нормируется коэффициентом мощности (КМ), величина которого может находиться в пределах от 0 до 1. Чем ближе величина КМ к единице, тем ближе форма тока к синусоидальной и тем меньше искажения, вносимые нагрузкой в сетевое напряжение.


КМ, о котором мы говорим, это не тот Cos Ф, который определяется для линейных цепей с реактивной или комплексной нагрузкой как косинус сдвига фаз между напряжением и током. Для нелинейной нагрузки КМ определяется как отношение активной мощности к полной мощности.








Стандарты, устанавливающие допустимую эмиссию гармонических составляющих, то есть искажение формы тока, – это ГОСТ Р 51317.3.2-2006 для устройств, потребляющих менее 16 А и ГОСТ Р 51317.3.4-2006 для устройств, потребляющих более 16 А.


Жесткость требования стандартов к КМ потребителей возрастает с их  мощностью. Требования к приборам с однофазным питанием и потребляемым током до 16 А (то есть к тем, которые включаются с помощью обычной вилки) невысоки.
Такие приборы на законных основаниях получают сертификаты соответствия. На сценической площадке мы сталкиваемся с «переходом количества в качество», когда группа звуковых усилителей или световых приборов оказывается включенной параллельно в одну фазу в одной точке. Образовавшийся групповой потребитель с низким КМ уже может существенно исказить форму напряжения в питающей сети.
Такие искажения создают значительно меньше помех, чем тиристорные регуляторы, и с этой точки зрения они не представляют большой опасности.


Вредное влияние оказывается на устройства, которые питаются непосредственно выпрямленным напряжением без стабилизаторов, для которых напряжение питания привязано к амплитудному напряжению сети. К таким устройствам относятся традиционные усилители мощности звуковой частоты с трансформаторными блоками питания и усилители с импульсными блоками питания, не имеющими стабилизаторов и корректоров коэффициента мощности.


Складывается почти парадоксальная ситуация, когда приборы, являющиеся наиболее чувствительными к искажениям такого типа, в основном сами их и производят. Такие усилители (особенно когда их много) требуют по возможности отдельного от других потребителей питания и повышенного сечения подводящих кабелей.  
Теперь вспомним, что усилители являются еще и переменной нагрузкой, и оценим влияние сопротивления кабеля питания. Представим себе конкретную ситуацию. У вас есть рэк с четырьмя усилителями для сабвуферов мощностью 2 х 2 кВт на нагрузке 4 Ом, запитанных параллельно от одной фазы. Пусть кпд усилителей составляет 70%, а пик-фактор музыкального сигнала – 6 дБ.


Средняя мощность потребления каждого канала составит около 700 Вт, а суммарная мощность всех усилителей – 5,6 кВт. Средний суммарный ток, потребляемый от сети 220 В, составит 25 А. Используем подводящий кабель длиной 25 м сечением 4 кв.мм (что вполне достаточно по требованиям ПУЭ). Среднеквадратическое за период значение сетевого напряжения на пиках музыкального сигнала составит 100 А. Падение напряжения на кабеле составит 21 В, или 9,5%. Снижение мощности усилителя составит 18%.



Теперь оценим влияние нелинейности нагрузки. Пусть заряд накопительного конденсатора блока питания усилителя происходит в течение 1/4 части периода питающего напряжения (см. рис.4). Тогда пиковый ток потребления может достигать 400 А в течение 5 мс при условии нулевого сопротивления подводящего кабеля. С учетом реального сопротивления подводящего кабеля ток будет ниже, но тем не менее он может значительно превышать максимальное среднеквадратическое за период значение. В итоге мы можем получить снижение амплитудного значения напряжения до 20% и более, и, соответственно, получим только 60% от возможной выходной мощности усилителей.


Современные усилители с импульсными блоками питания, имеющими функцию стабилизации напряжения, снабженные корректорами коэффициента мощности, не вносят искажений в питающую сеть и малочувствительны к величине питающего напряжения, поэтому для них сечение питающего кабеля можно выбрать в соответствии с требованиями ПУЭ. Ваше право решать, куда вкладывать финансовые средства — в количество усилителей, в их качество или в количество меди в подводящих кабелях.
Этот частный пример свидетельствует о том, что требования нормативных документов являются необходимыми, но не всегда достаточными. А у вас всегда есть поле для применения своих творческих способностей.



Теперь скажем несколько слов о питании от передвижных электростанций.
Качество электроэнергии, вырабатываемой передвижными электростанциями, регламентируется государственным стандартом ГОСТ Р 50783-95 «Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Общие технические требования». Стандарт устанавливает только рамки требований к качеству. Конкретные показатели устанавливает изготовитель в рамках требований стандарта. Поэтому существует возможность выбора наиболее подходящего варианта. Приведем основные нормы качества передвижных электростанций.
Установившееся отклонение напряжения при постоянной нагрузке может быть от 0,5% до 3%.


Переходное отклонение напряжения при сбросе-набросе нагрузки может составлять ± 20-30% в течение 2-5 с при 100% нагрузки и ±10-30% в течение 
1-3 с при 50% нагрузки.
Установившееся отклонение частоты: ±1% или ±2,5%.
Переходное отклонение частоты: ±6% или ±10% на время до 3-5 с соответственно.
Коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения: 5-16% для трехфазного и 20% для однофазного тока при холостом ходе.

Мы видим, что по установившемуся отклонению напряжения передвижные электростанции должны превосходить стационарные сети. По остальным показателям передвижные генераторы могут существенно уступать стационарным сетям. Наиболее критичным показателем для сценического оборудования является переходное отклонение напряжения. Этот параметр характеризует такое свойство генератора, как стабилизация напряжения при быстроизменяющейся динамической нагрузке.


К потребителям с такой нагрузкой в полной мере относится звуковая система, потребляемая мощность которой может почти мгновенно изменяться в десятки раз. Система сценического света – в значительно меньшей степени. Минимальные требования к мощности генератора для звуковой системы – это пиковая мощность потребления звуковой системы. Ориентировочно это четырехкратная средняя мощность. В этом случае «просадка» напряжения может составить до 20% даже у высококачественных генераторов. Для получения лучших результатов следует выбирать генератор с еще большим запасом мощности.

Подведем итоги
Мы проанализировали ряд проблем, которые встречаются в электроснабжении сценического оборудования и попытались понять их причины, рассмотрели некоторые требования стандартов к качеству энергоснабжения и отдельные вопросы взаимосвязи качества энергоснабжения и работы сценических систем.
К сожалению, в рамках журнала невозможно подробно рассмотреть поднятые вопросы. Надеемся, что статья пробудит интерес читателя к более серьезному самостоятельному осмыслению и изучению  этой темы и в первую очередь документов государственного регулирования.