Снижение импульсных коммутационных перенапряжений в автономных электроэнергетических системах напряжением до 1 кВ

Автономные электроэнергетические системы (ЭЭС) современных объектов и, в частности, судовые ЭЭС, характеризуются высокой концентрацией в относительно малых объемах значительных электрических мощностей, широким использованием силовых полупроводниковых преобразователей и высокой степенью информатизации с помощью цифровой аппаратуры на базе средств микропроцессорной техники. Эти обстоятельства обуславливают обострение проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС), т. е. способности приборов, устройств, технических систем и биологических объектов нормально функционировать при наличии электрических, магнитных и электромагнитных воздействий, существующих в окружающей обстановке.

Электромагнитная обстановка в автономных ЭЭС является жесткой. Это связано с тем, что на небольшом расстоянии от элементов вторичных систем находятся электрические машины, аппараты и конструкции, способные нести высокие токи и потенциалы, а также создавать электромагнитные поля высокой напряженности.

Одной из важнейших характеристик электромагнитной обстановки являются импульсные коммутационные перенапряжения (ИКП) в электрических цепях, т. е напряжения, вызванные коммутациями токов основного потока электрической энергии в нормальных и аварийных режимах автономных ЭЭС. Импульсные коммутационные перенапряжения могут приводить к пробоям изоляции электротехнического оборудования, пробоям силовых электронных приборов (транзисторов и тиристоров), отказам электронных источников питания и приборов, т. е. к физическому повреждению оборудования. Кроме того, ИКП являются источниками электромагнитных помех, приводящих к нарушениям и сбоям в работе электронных устройств, использующих программное и микропроцессорное управление.

ИКП являются одной из самых вероятных причин повреждения оборудования как в силовых цепях электропитания, так и во вторичных цепях управление, защита, автоматика и др.) автономных ЭЭС. Проблемы защиты оборудования от ИКП особенно обострились в последнее время в связи с повсеместным внедрением приборов и устройств, оснащенных микропроцессорной и компьютерной техникой.

Наиболее опасными являются ИКП, возникающие в силовых цепях электропитания автономных ЭЭС. Основными аппаратами распределения электроэнергии в силовых цепях электропитания современных автономных ЭЭС являются автоматические выключатели с дугогасительной решеткой и предохранители с наполнителем, устанавливаемые в распределительных щитах, отключение которых может приводить к значительным амплитудам ИКП. При этом, на сегодняшний день, не решены задачи определения параметров ИКП (амплитуды, длительности и энергии), создаваемых автоматическими выключателями и предохранителями.

В настоящее время, в качестве основного средства защиты от ИКП в автономных ЭЭС, используются специальные фильтры на входах ответственных электроприемников, отключающие последние от питающих электрических сетей на время существования опасных перенапряжениий, не поглощая их энергии. Такая концепция защиты от перенапряжений приводит к тому, что существует опасность повреждения электроприемников, не оснащенных фильтрами. Это приводит к необходимости применения дорогостоящих фильтров в каждом приборе. Кроме того, необходимо оснащать ответственные электроприемники специальными резервными источниками, обеспечивающими питанием во время импульсного перенапряжения (конденсаторы, аккумуляторы).

В связи с отмеченным необходимо оснащать автономные ЭЭС комплексом нелинейных ограничителей перенапряжений поглощающего типа, которые являются основными средствами защиты от импульсных перенапряжений в электрических сетях общего назначения. Это позволит существенно снизить требования к индивидуальным фильтрам, уменьшить их габариты, вес и стоимость. Для решения этой задачи требуется разработка методики по выбору целесообразных мест установки нелинейных ограничителей перенапряжений поглощающего типа. Кроме того, необходима разработка индивидуальных фильтров импульсных коммутационных перенапряжений (ФИКП), которые защищали бы наиболее ответственные и чувствительные к ИКП электроприемники, не отключая их на время действия импульсов.

Приведенные соображения объясняют актуальность вопроса снижения импульсных коммутационных перенапряжений в автономных ЭЭС.

Исследованию коммутационных перенапряжений и вопросов защиты от них в сетях высокого и низкого напряжения ЭЭС различного назначения посвящено большое количество публикаций, как в нашей стране, так и за рубежом. Среди них можно отметить работы: Я. Л. Арцишевского, Р. Бакстера, Н. Н. Белякова, Д. Бикфорда, Р. К. Борисова, О. Б. Брона, О. А. Глухова, В. Г. Гольдштейна, А. Ф. Гончарова, Г. В. Буткевича, Л. Ф. Дмоховской, В. В. Долгих, А. Ф. Дьякова, Г. А. Евдокунина, А. Б. Ершова, 3.JI. Жиронкина, А. В. Жукова, A.M. Залесского, A.JI. Зоричева, З. Г. Каганова, К. П. Кадомской, Е. Коломбо, О. И. Кондратова, М. В. Костенко, Р. С. Кузнецов, К. И. Кудякова, И. П. Кужекина, C.JI. Кужекова, Б. К. Максимова, В. П. Мещерякова, О. Майра, A.M. Мелькумова, В. И. Нагая, В. А. Пантелеева, Д. В. Разевига, Р. Рюденбер-га, В. Г. Сливкина, B.C. Соколова, А. И. Таджибаева, Г. Тиллера, С.В. Трегу-бова, И. Н. Улиссовой, Э. Хабигера, Ф. Х. Халилова, В. Я. Хорольского, А. Шваба и многих других.

Однако многие вопросы и проблемы применительно к автономных ЭЭС еще не решены. Это, как уже отмечалось выше, вопросы определения параметров ИКП, создаваемых автоматическими выключателями и предохранителями целесообразных мест установки устройств защиты на базе нелинейных ограничителей перенапряжений поглощающего типа и разработки фильтров для защиты от ИКП особо ответственных и чувствительных электроприемников.

Объектом исследования диссертационной работы является автономные ЭЭС, имеющие радиальную многоступенчатую структуру, напряжением до 1 кВ.

Целью диссертационной работы является повышение надежности функционирования электрооборудования автономных ЭЭС напряжением до 1 кВ за счет снижения импульсных коммутационных перенапряжений, создаваемых коммутационными аппаратами в силовых цепях электропитания автономных ЭЭС.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование параметров ИКП, создаваемых предохранителями с наполнителем.

2. Исследование параметров ИКП, создаваемых автоматическими выключателями с дугогасительной решеткой.

3. Разработка рекомендаций по расстановке и выбору устройств защиты от ИКП в автономных ЭЭС.

4. Разработка устройств защиты, обеспечивающих снижение ИКП в автономных ЭЭС до допустимого для нормального функционирования электрооборудования уровня.

При решении поставленных задач использовались теории подобия физических процессов, аппарат теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях низковольтных аппаратов ВНИИР (г. Чебоксары) и электромагнитной совместимости кафедры ЭППиГ ЮРГТУ (НПИ) в рамках договора № 1328 на НИР «Поисковые исследования по разработке новых методов защиты электроэнергетических систем стационарных и подвижных комплексов ВВСТ КВ, ВМФ и РВСН от импульсных коммутационных перенапряжений на основе поглощающих полупроводниковых ограничителей», ответственным исполнителем которой являлся автор.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Установлен закон распределения значений скачка сопротивления дугового промежутка, определяющего амплитуду ИКП, возникающих при образовании электрической дуги после перегорания плавкой вставки предохранителя с наполнителем.

2. Определена зависимость между амплитудой ИКП, возникающих при погасании электрической дуги, и характеристическим сопротивлением отключаемой цепи в диапазоне от 100 до 650 Ом для плавкой вставки постоянного сечения предохранителей с наполнителем.

3. Установлена удельная электрическая прочность перегоревшего участка плавкой вставки предохранителей с наполнителем, составляющая 49.54 В/мм, определяющая максимально-возможную амплитуду ИКП, возникающих при погасании электрической дуги.

4. На основе статистической обработки результатов экспериментальных исследований, установлены предельные параметры ИКП большой энергии, создаваемых предохранителями с наполнителем типа НПН2−63 и автоматических выключателей с дугогасительной решеткой серии A3700.

5. Предложен способ защиты от ИКП, обеспечивающий одновременное ограничение амплитуды перенапряжений на уровне, близком к напряжению сети, и скорости нарастания напряжения на защищаемом электроприемнике, базирующийся на использовании импульсных стабилизаторов напряжения понижающего типа с последовательным ключевым элементом.

Практическая ценность:

1. Определено значение максимально-возможной амплитуды ИКП, создаваемых предохранителями с наполнителем типа НПН2−63, которое не превышает 3,5 кВ.

2. Разработана программа в среде программирования Delphi, позволяющая рассчитывать амплитуду и энергию ИКП, создаваемых предохранителями с наполнителем, используемая для выбора устройств защиты от ИКП в проектных организациях.

3. Выявлено, что увеличение емкости отключаемой цепи может приводить к росту амплитуды ИКП, создаваемых автоматическими выключателями с дугогасительной решеткой.

4. Установлена возможность создания автоматическими выключателями серии A3700 импульсных коммутационных перенапряжений с амплитудой до 4 кВ.

5. Обоснована опасность применения активно-емкостных фильтров для защиты от ИКП, создаваемых автоматическими выключателями с дугогаси-тельными решетками.

6. Показано, что при распространении ИКП, создаваемых предохранителями с наполнителем и автоматическими выключателями с дугогасительной решеткой, кабельные линии рассматриваемых автономных ЭЭС могут быть представлены в виде цепи с сосредоточенными параметрами.

7. Разработаны рекомендации по определению целесообразных мест установки устройств защиты от ИКП в автономных ЭЭС.

8. Предложены схемы устройств защиты от ИКП на базе полупроводниковых ограничителей перенапряжений поглощающего типа, которые могут обеспечивать более низкий уровень ограничения перенапряжений по сравнению с известными устройствами.

9. Разработаны фильтры импульсных коммутационных перенапряжений (ФИКП), обеспечивающие одновременное ограничение амплитуды перенапряжений на уровне близком к напряжению сети и скорости нарастания напряжения на защищаемом электроприемнике.

Программа, позволяющая рассчитывать амплитуду и энергию ИКП, создаваемых предохранителями с наполнителем, внедрена в практику проектирования ООО «Специнжэлектро» (г. Москва) для выбора устройств защиты от ИКП.

Фильтры импульсных коммутационных перенапряжений, разработанные по предложенному способу ограничения ИКП, эксплуатируются в автономной электроэнергетической системе постоянного тока.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и городов ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) в дисциплине «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике».

Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на VIII симпозиуме «Электротехника 2010» (Московская область, 2005 год), на XII международной научно-практической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006 г.), на научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и технической диагностики энергетического оборудования» (Ростов-на-Дону, 2006 г.), на XXIV-XXVII сессии Всероссийского семинара «Кибернетика электрических систем» (Новочеркасск, 2002;2005 гг.), на IV международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2004 г.), на II, III и VI международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (Новочеркасск, 2002,2003 и 2006 гг.).

По результатам выполненных исследований опубликовано 23 печатные работы, среди которых три патента на полезную модель на устройство защиты от импульсных перенапряжений и патент на изобретение на способ защиты от импульсных перенапряжений.

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность кандидату технических наук, доценту Долгих В. В. за совместную работу и консультации по разработке фильтров импульсных коммутационных перенапряжений.

4.5 ВЫВОДЫ.

Периодическая коммутация силового ключа в цепи питания защищаемого электроприемника и сглаживание напряжения индуктивно-емкостным фильтром является эффективным способом защиты от ИКП. Фильтры, разработанные по указанному способу, обеспечивают защиту от коммутационных перенапряжений на уровне, близком к напряжению сети и заданную скорость нарастания напряжения во время действия ИКП, что является необходимым требованием для электроприемников автономных ЭЭС, представляющих собой по отношению к питающей сети емкостную нагрузку (статические преобразователи, автономные инверторы и т. п). Указанные фильтры также обеспечивают защиту от наносекундных импульсов с длительностью фронта до 25 не.

Разработанные ФИКП обеспечивают защиту особо чувствительного электрооборудования постоянного тока автономных ЭЭС, требующего снижения коммутационных перенапряжений до более низкого уровня, чем могут обеспечить устройства защиты от импульсных перенапряжений на базе полупроводниковых ограничителей перенапряжений поглощающего типа (например, варисторов). Указанные фильтры также обеспечивают защиту от наносекундных импульсов с длительностью фронта до 25 не, которую невозможно обеспечит устройствами защиты на базе варисторов. Разработанные варианты ФИКП отличаются схемами и алгоритмами управления силовым ключом.

ФИКП с контролем тока в цепи дросселя индуктивно-емкостного фильтра имеет наиболее простую схемотехническую реализацию. При выборе элементов ФИКП емкость конденсатора необходимо определять из формулы С =, где 1Сср — среднее значение тока в конденсаторе во время.

Унн действия импульса перенапряжения. Это приводит к тому, что данный вариант ФИКП может иметь недопустимые массогабаритные показатели при высоких предъявляемых требованиях к скорости изменения напряжения на нагрузке VHH и напряжению ограничения Uогр из-за большого значения емкости конденсатора.

ФИКП с контролем скорости нарастания напряжения работает в режиме прерывистых токов в цепи дросселя индуктивно-емкостного тока. Это приводит к значительному уменьшению тока 1Сср, а следовательно и к снижению массы и габариты фильтров, по сравнению с ФИКП с контролем тока в цепи дросселя.

Разработанные ФИКП могут быть выполнены как в виде отдельного устройства на входе электрооборудования, так и встроенными в защищаемое электрооборудование, и вписываются в концепцию защиты автономных ЭЭС от ИКП, предложенную в главе 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные в диссертации исследования позволили сформулировать следующие основные результаты.

1. Импульс коммутационного перенапряжения, создаваемый предохранителем с наполнителем, имеет два пика, которые возникают, соответственно, после образования дуги и после ее погасания.

2. Распределение случайных значений скачка сопротивления дугового промежутка Rd, определяющего амплитуду перенапряжений, создаваемых предохранителями с наполнителем после образования дуги, подчиняется нормальному закону распределения. Определены параметры закона распределения случайной величины скачка сопротивления дугового промежутка Rd для предохранителей с номинальным током перегорания плавкой вставки до 100 А включительно.

3. Амплитуда ИКП, возникающих при погасании электрической дуги в предохранителях с наполнителем с плавкой вставкой постоянного сечения, в диапазоне от 100 до 650 Ом зависит от характеристического сопротивления отключаемой цепи.

4. Установлено значение удельной электрической прочности перегоревшего участка плавкой вставки предохранителей с наполнителем, определяющее условие возникновения повторных зажиганий дуги в патроне предохранителя.

5. Установлены предельные значения амплитуд ИКП, создаваемых предохранителями с наполнителем типа НПН2 и ПН2 после образования и погасания дуги. Так после образования дуги максимально-возможное значение ИКП не превышает 1800 В, а после ее погасания — 3500 В.

6. Определены зависимости тока среза в автоматических выключателях с дугогасительной решеткой от различных параметров отключаемой цепи.

7. Амплитуда коммутационных перенапряжений, создаваемых автоматическими выключателями с дугогасительной решеткой типа A3 700, может достигать 4000 В.

8. Выявлена опасность установки RC-цепей для защиты от импульсных коммутационных перенапряжений, создаваемых автоматическими выключателями с дугогасительной решеткой.

9. Определены целесообразные места установки устройств защиты от ИКП на базе полупроводниковых ограничителей перенапряжений, обеспечивающая ограничение ИКП в месте его возникновения.

10. Разработана программа, позволяющая рассчитывать амплитуду и энергию ИКП, создаваемых предохранителями с наполнителем, которая может быть использована для выбора устройств защиты от ИКП. Данная программа внедрена в проектную практику ООО «Специнжэлектро» (г.Москва).

11. При распространении импульсов перенапряжения, создаваемых предохранителями с наполнителем, после образования дуги, кабельные линии рассматриваемых автономных ЭЭС могут быть представлены в виде цепи с сосредоточенными параметрами.

12. Разработаны схемы устройств защиты от ИКП на базе полупроводниковых ограничителей перенапряжений поглощаемого типа, которые могут обеспечивать более низкий уровень ограничения перенапряжений по сравнению с известными устройствами.

13. Предложен способ защиты о ИКП, основанный на ограничении импульсов перенапряжений за счет периодической коммутации цепи питания потребителей электроэнергии. Указанный способ обеспечивает защиту от коммутационных перенапряжений на уровне, близком к напряжению сети, и заданную скорость нарастания напряжения во время действия ИКП, что является необходимым требованием для электроприемников автономных ЭЭС, представляющих собой по отношению к питающей сети емкостную нагрузку (статические преобразователи, автономные инверторы и т. п).

14. Разработаны три варианта фильтров импульсных коммутационных предложений, реализующих предложенный способ защиты от ИКП. Один из вариантов внедрен и эксплуатируется в автономной ЭЭС постоянного тока.