Лавина напряжения - это аварийный процесс в энергосистеме, характеризующийся лавинообразным и неконтролируемым снижением напряжения в узлах нагрузки, вызванный дефицитом реактивной мощности. Данное явление представляет собой нарушение устойчивости узла нагрузки энергосистемы, при котором снижение напряжения в узле нагрузки ниже критического значения 
, приводит к дальнейшему росту потребления реактивной мощности нагрузкой, что, в свою очередь, вызывает ещё большее падение напряжения. Лавина напряжения наблюдается преимущественно в крупных узлах нагрузки, особенно в районах с высокой концентрацией асинхронных двигателей промышленного потребления, а также в приёмных центрах, удалённых от источников генерации и питающихся по протяжённым линиям электропередачи сверхвысокого напряжения.
Типовой узел промышленной нагрузки представляет собой совокупность разнородных потребителей электрической энергии. Структура установленной мощности узла промышленной нагрузки распределяется следующим образом: асинхронные двигатели (АД) составляют доминирующую долю — свыше 60 % установленной мощности, синхронные двигатели (СД) — около 10 %, световая нагрузка — порядка 10 %, прочие потребители (нагревательные установки, электроника и др.) — до 10 %. Учитывая преобладание асинхронных двигателей и их высокую чувствительность к снижению напряжения (резкий рост потребления реактивной мощности при падении напряжения), именно их поведение определяет динамику развития лавины напряжения. Поэтому при анализе устойчивости узлов и разработке защитных мероприятий основное внимание уделяется критическому напряжению АД, степени их загрузки и пусковым характеристикам.
На рисунке приведены кривые, характеризующие изменение активной Р и реактивной Q мощностей в зависимости от величины напряжения U в сетях с преимущественно промышленной нагрузкой.
Рисунок 1. Зависимость активной Р и реактивной Q мощностей нагрузки от напряжения Р/РН для сети 110 кВ; кривая 2 и кривая 3 —Q/Qн соответственно для сетей 110 и 6 кВ
На представленных кривых виден различный характер изменения активной и реактивной мощностей при отклонении напряжения от номинального значения.
Активная мощность (кривая 1) при снижении напряжения от номинального вначале изменяется незначительно, что объясняется стремлением промышленного оборудования (особенно асинхронных двигателей) поддерживать потребляемую активную мощность для выполнения механической работы на валу. Однако при дальнейшем снижении напряжения ниже определённого предела (примерно 0,7–0,8 от номинального) активная мощность начинает существенно уменьшаться, так как двигатели теряют способность развивать необходимый вращающий момент и происходит их торможение.
Реактивная мощность (кривые 2 и 3) демонстрирует принципиально иную зависимость. При снижении напряжения ниже номинального потребление реактивной мощности возрастает. Это связано с тем, что асинхронные двигатели для поддержания магнитного потока в условиях пониженного напряжения вынуждены потреблять больший намагничивающий ток. При этом кривая для сети 6 кВ (кривая 3) имеет более крутой характер роста по сравнению с сетью 110 кВ (кривая 2), что объясняется различиями в структуре нагрузки и параметрах сетевого оборудования. Именно данный характер зависимости реактивной мощности от напряжения создаёт предпосылки для развития лавины напряжения: дополнительный дефицит реактивной мощности вызывает дальнейшее падение напряжения, что приводит к ещё большему росту её потребления.
Таким образом, формирование лавины напряжения начинается с возникновения дефицита реактивной мощности в узле системы, который может быть вызван аварийным отключением линий электропередачи, выходом из строя компенсирующих устройств, резким увеличением нагрузки или снижением частоты в системе. При падении напряжения ниже критического уровня, составляющего обычно 75–85 % от номинального, статические характеристики нагрузки меняют свой характер: реактивная мощность, потребляемая асинхронными двигателями, начинает расти, что увеличивает потери напряжения в сетях и ускоряет процесс обвала напряжения в узле нагрузки. Процесс развивается лавинообразно до критического падения напряжения, что влечет за собой остановку электродвигателей и нарушение нормального электроснабжения. Этот процесс, носит название лавины напряжения.
Для количественной оценки запаса устойчивости узлов нагрузки в практике проектирования и эксплуатации энергосистем применяется коэффициент запаса статической устойчивости по напряжению. В соответствии с «Методическими указания по устойчивости энергосистем» (утверждены приказом Минэнерго России от 03.08.2018 № 630) коэффициент запаса статической устойчивости по напряжению 
определяется по формуле:
где 
— напряжение в узле нагрузки в рассчитываемом режиме, кВ; а 
— критическое напряжение в узле нагрузки, кВ.
Критическое напряжение является граничным значением, при котором электродвигатели теряют устойчивость. Оно определяется на основе фактических данных (режимы работы, типы двигателей, нагрузка), а в случае отсутствия данных рассчитывается по упрощённой формуле (для узлов напряжением 110 кВ и выше):
где 
— номинальное напряжение электрической сети, кВ.
Согласно Методическим указаниям по устойчивости энергосистем, нормативные значения коэффициента запаса статической устойчивости по напряжению установлены в зависимости от режима работы энергосистемы:
В нормальном режиме работы энергосистемы коэффициент запаса статической устойчивости по напряжению должен быть не менее 0,15 (
) для обеспечения требований устойчивости при нормативных возмущениях групп I, II, III (в нормальной схеме) и групп I, II (в ремонтной схеме).
В послеаварийном и вынужденном режимах работы энергосистемы коэффициент запаса статической устойчивости по напряжению должен быть не менее 0,10 (
).
Таким образом, для обеспечения нормативного запаса устойчивости в нормальном режиме напряжение на шинах узла нагрузки должно составлять не менее 115% от критического напряжения
Для обеспечения нормативного запаса устойчивости в послеаварийном и вынужденном режимах напряжение на шинах узла нагрузки должно составлять не менее 110% от критического напряжения.
Соблюдение этих требований является необходимым условием предотвращения лавины напряжения и обеспечения надёжности электроснабжения промышленных потребителей.
П.1. Мероприятия по предотвращению развития лавины напряжения
Предотвращение лавины напряжения требует реализации комплекса технических и организационных мер, направленных на поддержание баланса реактивной мощности и сохранение статической устойчивости узлов нагрузки.
Во-первых, ключевым элементом защиты является использование автоматики ограничения снижения напряжения (АОСН), которая обеспечивает селективное отключение нагрузки при снижении напряжения. Для этого применяются реле минимального напряжения с выдержкой времени, которое обеспечивает ступенчатое отключение нагрузки. При снижении напряжения до 85–80 % номинального значения отключаются менее ответственные потребители (вспомогательные механизмы, часть осветительных линий), при дальнейшем падении до 75–70 % — дополнительные группы нагрузки. Такая селективность позволяет сохранить в работе двигатели критически важных технологических процессов, предотвращая их опрокидывание и последующее развитие лавины.
Во-вторых, для повышения устойчивости узлов нагрузки к кратковременным снижениям напряжения применяется средства компенсации реактивной мощности (СКРМ). Конденсаторные батареи, устанавливаемые непосредственно у сборных шин промышленных узлов, снижают потребление реактивной мощности от сети и тем самым уменьшают просадку напряжения при пусках. Для динамической поддержки напряжения в переходных режимах используются статические компенсаторы (СТК), способные за 20–40 мс изменять выдаваемую реактивную мощность в ответ на изменение напряжения, тем самым поддерживая необходимый уровень напряжения.
В-третьих, не менее важна организация восстановления режима после аварийного снижения напряжения. Самозапуск остановившихся двигателей представляет серьёзную угрозу: одновременный пуск множества агрегатов при восстановлении напряжения вызывает повторную просадку и новый виток лавины. Поэтому системы автоматики предусматривают блокировку самозапуска и организуют последовательный запуск двигателей с интервалами 10–30 секунд. Перед каждым пуском контролируется уровень напряжения на шинах — запуск разрешается только при восстановлении напряжения не ниже 90 % номинального значения.
Превентивной мерой является ограничение прямого пуска мощных асинхронных двигателей, являющегося частой причиной инициирования лавины. Вместо прямого включения на полное напряжение применяются устройства плавного пуска (УПП), снижающие пусковой ток в 2–3 раза за счёт постепенного нарастания напряжения на статоре. Ещё более эффективны частотно-регулируемые приводы (ЧРП), обеспечивающие плавный разгон двигателя с контролем момента. Для двигателей средней мощности широко используется схема переключения «звезда-треугольник», уменьшающая пусковой ток в 3 раза. Кроме того, на предприятиях разрабатывается график последовательного включения двигателей с учётом текущей загруженности сети, исключающий одновременный запуск нескольких мощных агрегатов.
Таким образом, эффективная защита от лавины напряжения достигается не одним средством, а комплексом согласованных мероприятий. Только такой подход позволяет предотвратить переход локального снижения напряжения в системную аварию с массовым опрокидыванием двигателей.
П.2. Заключение
Лавина напряжения представляет собой один из наиболее опасных видов аварий в современных энергосистемах, способный привести к каскадному развитию аварии и масштабным отключениям потребителей. Предотвращение развития лавины напряжения требует комплексного подхода, включающего поддержание нормативных запасов реактивной мощности в узлах нагрузки, применение устройств компенсации реактивной мощности, а также применения устройств противоаварийной автоматики, способных своевременно отключать наименее ответственных потребителей для стабилизации напряжения и сохранения устойчивости в узле нагрузки.
