Электромагнитная совместимость сетей 0, 4 кВ и технических средств до 10 кВ

Актуальность темы

В связи с широким применением технических средств (ТС) с микропроцессорами возникает проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) таких ТС с жёсткой электромагнитной обстановкой (ЭМО) в электроэнергетике. Отмечается, что значительная доля случаев (по разным источникам до 90%), связанных со сбоем в работе или повреждением ТС, была вызвана перенапряжениями в сети питания. Это вызвано тем, что в условиях ЭМО в электроэнергетике ТС подвергаются воздействию перенапряжений не менее 1−2 раз в неделю, при этом сбои в работе функциональной логики могут происходить уже при трёхкратном перенапряжении [3,4].

Перенапряжения (мгновенные превышения амплитуды рабочего напряжения) возникают при быстрых изменениях режима элементов сети. К ним относятся отключение и включение коммутационных аппаратов, пробой изоляции, в том числе повторное зажигание дуги, резкие изменения параметров нелинейных элементов. Всякое перенапряжение является электромагнитной помехой (ЭМП), которая, распространяясь по элементам электрической сети, способна вызвать некорректную работу ТС.

Последние 10 — 15 лет характеризуются широким внедрением в эксплуатацию микропроцессорных блоков управления и автоматики на стороне 6 (10) кВ, которые выполняют функции дистанционного управления, снятия оперативной информации о работе системы электроснабжения, обеспечения надежной работы коммутационной аппаратуры при любых условиях работы.

Примерно 80% изготавливаемых распределительных устройств напряжением 6 (10) кВ комплектуются микропроцессорными устройствами управления. Установка микропроцессорного управляющего устройства повышает быстродействие системы на внештатные ситуации, упрощает управление. Однако следует отметить, что чувствительность микропроцессора к воздействию перенапряжений значительно выше, чем у применяемых ранее электромеханических реле. Микропроцессоры постоянно находятся под воздействием рабочего напряжения и импульсов перенапряжений, периодически возникающих во входных цепях и цепях питания. Сбои в работе микропроцессора могут происходить при импульсе напряжения на его вводных клеммах, равном 0,2-UH. Дело усугубляется тем, что микропроцессор выполняет функции сразу же нескольких электромеханических реле. Поэтому его выход из строя связан с отключением нескольких видов защит [7,110].

В таблице 0.1 приведены статистические данные Западной энергокомпании по отказам защиты, собранной на различных компонентах за 2007—2008 года [108].

Таблица 0.1

Интенсивность отказов защиты различных видов

Параметр / Вид реле Электромеханические Статические Микропроцессорные

2007 2008 2007 2008 2007 2008

Общее количество реле в эксплуатации 2312 2745 3787

Количество повреждений 1 4 8 8 43 51

Относительное количество повреждений', % 0,043 0,173 0,291 0,291 1,135 1,347

Среднегодовое относительное количество повреждений2, % 0,11 0,29 1,24

Годовая интенсивность отказов3 1 2,6 11,3

Относительное количество повреждений — отношение количества повреждений реле данного типа к общему количеству реле этого типа, находящихся в эксплуатации.

Среднегодовое относительное количество повреждений — среднее за два года (2007;2008) количество относительных повреждений.

3Годовая интенсивность отказов — отношение среднегодового относительного количества повреждений реле различных видов к такому же показателю для электромеханических реле, принятому за единицу.

В связи с ежегодным введением в эксплуатацию технических средств, имеющих в своем составе все более чувствительные компоненты, наблюдается увеличение интенсивности отказов релейной защиты и автоматики, что можно увидеть из рисунка 0.1 [108].

Рисунок 0.1 Рост интенсивности повреждений с введением новых типов элементов управления В подавляющем большинстве случаев в системе электроснабжения 6(10)/0,4 кВ питание блока с микропроцессорным управлением силовых выключателей, установленных на высокой стороне, выполняется от щита собственных нужд (ЩСН), который подключается к распределительному устройству 0,4 кВ (рисунок 0.2).

Рисунок 0.2 Фрагмент схемы управления коммутационной аппаратурой на стороне 6 (10) кВ трансформаторной подстанции где: Т1 — силовой трансформаторИИП — импульсный источник питанияИС — измеряемые сигналыУВВ — устройство ввода — выводаПВпривод выключателя 6(10) кВЩСН — щит собственных нуждМУмикропроцессорное устройствоДУ — дистанционное управление

Таким образом, микропроцессорное устройство управления аппаратурой на стороне 6 (10) кВ подвержено перенапряжениям, возникающим на стороне 0,4 кВ. Всё это способно привести к серьёзным экономическим последствиям и угрожать жизни и здоровью людей [1−15,44−50].

В зону риска при воздействии перенапряжений попадает также изоляция линий электроснабжения и электрических машин, так как даже самые кратковременные перенапряжения высокой кратности могут привести к пробою или перекрытию изоляции с последующим отключением поврежденного элемента сети и перерывом в электроснабжении [3,17,18,36,39,92]. При этом создаётся возможность перехода перенапряжений, появляющихся в сети одного напряжения, на сеть другого напряжения. Распространяясь по силовым обмоткам трансформаторов, перенапряжения могут воздействовать на их главную и витковую изоляцию, а проходя через трансформатор (из одной обмотки в другую) — на изоляцию других обмоток, а также технические средства, подключённые к ним. Исследования [4] показали, что при оперативных и аварийных коммутациях на стороне 110 и 10 кВ перенапряжения на стороне 0,4 кВ могут иметь опасное для изоляции значение.

На рисунке 0.3 показана картина воздействия кондуктивных ЭМП на чувствительные микроэлементы ТС через импульсные источники питания, что в целом приводит к нарушению его качественного функционирования.

Рисунок 0.3 Проникновение ЭМП из сети питания к чувствительным микроэлементам

Среди основных видов ЭМП, способных беспрепятственно распространяться по кабельным линиям электрической установки и вызывать сбои в работе технических средств, можно выделить следующие виды кондуктивных помех:

1. Низкочастотные ЭМП — спектр таких ЭМП лежит ниже 9 кГц:

— гармоники, интергармоники напряжения электропитания;

— напряжения сигналов, передаваемых по системам электропитания;

— колебания напряжения электропитания;

— провалы, кратковременные перерывы и выбросы напряжения электропитания;

— отклонения напряжения электропитания;

— несимметрия напряжений в трехфазных системах электроснабжения;

— изменение частоты питающего напряжения;

— постоянные составляющие в сетях электропитания переменного тока.

2. Высокочастотные электромагнитные помехи (преобладающая часть спектра ЭМП расположена на частотах выше 9 кГц):

— апериодические переходные процессы;

— колебательные переходные процессы.

Кондуктивные высокочастотные электромагнитные помехи могут быть вызваны колебательным переходным процессом, происходящим при функционировании плавких предохранителей за счет запасенной энергии в индуктивности отключаемого оборудования и системы электропитания [22,25,29−30].

Таким образом, ЭМП имеют весьма разнообразные параметры, что обусловлено наличием огромного количества потенциальных источников, различными начальными данными и условиями их возникновения. Однако это не должно приводить к понижению качества функционирования современного технического средства в реальных условиях. Для повышения помехоустойчивости ТС целесообразным становится исследование влияния ЭМП конкретного вида в условиях реальной ЭМО [20- 21, 26−28].

При оценке ЭМО вновь создаваемых объектов приходится полагаться на нормативную документацию, чего в основном бывает недостаточно, так как действующие нормы неизбежно ориентируются на «идеализированную» ЭМО. Так, при выполнении оценки ЭМО объекта путём преднамеренного проведения коммутационных операций, далеко не всегда удаётся воспроизвести режимы, наихудшие по условиям влияния на вторичные цепи. Кроме того измерить перенапряжения при КЗ удаётся достаточно редко из-за необходимости проведения преднамеренных аварийных режимов в действующей сети, что крайне нежелательно. В этом случае прибегают к использованию расчётных методов и методик имитационного моделирования [31−33,114], которые не могут учитывать реальных помех, возникающих при КЗ [90].

Для испытаний на помехоустойчивость микропроцессорных устройств защиты и автоматики в части коммутационных импульсных перенапряжений рекомендуется руководствоваться ГОСТ [23, 33]. Для этого необходимо выполнять испытания на устойчивость к одиночным затухающим колебаниям частотой 0,1МГц (таблица 0.2), к повторяющимся затухающим колебаниям частотой 1 МГц (таблица 0.3), и испытания функционирования ТС под воздействием микросекундных импульсных помех большой энергии с формой импульса 1/50 мкс (таблица 0.4). Ранее выполненные экспериментальные исследования импульсных источников питания показали, что при подаче на их вводные клеммы стандартного импульса 1/50 мкс во вторичном напряжении регистрировалось появление электромагнитных помех [10].

Таблица 0.2

Степени жёсткости при воздействии напряжением затухающих колебаний частотой 0,1 МГц

Испытательное напряжение по схеме «провод — земля» (синфазное), кВ Испытательное напряжение по схеме «провод — провод» (противофазное), кВ

1 0,5 0,25

2 1,0 0,5

3 2,0 1,0

4 4,0 2,0

Специальная По согласованию между потребителем и производителем

Таблица 0.3

Степени жёсткости при воздействии напряжением затухающих колебаний частотой 1,0 МГц

Степень жёсткости Испытательное напряжение по схеме «провод — земля» (синфазное), кВ Испытательное напряжение по схеме «провод — провод» (противофазное), кВ

1 0,5 0,25

2 1,0 0,5

3 2,5 1,0

Специальная По согласованию между потребителем и производителем

Таблица 0.4

Степени жёсткости при воздействии импульсом напряжения 1/50 мкс

Степень жёсткости Амплитуда импульса напряжения, кВ

1 0,5

2 1,0

3 2,0

4 4,0

Специальная По согласованию между потребителем и производителем

При возникновении тока короткого замыкания современные коммутационные аппараты мгновенно отключают аварийный участок сети, и тем самым создают коммутационные перенапряжения [40−42]. Параметры перенапряжений при отключении КЗ по частоте, амплитуде и форме импульсов зависят от конкретной электрической сети и могут быть установлены при многократных опытах КЗ с учётом величин «среза» тока и процессов, происходящих на контактах коммутационного аппарата. Поэтому обеспечить безотказную работу современных ТС можно, если проводить испытания в условиях воздействия реальных перенапряжений. В настоящее время метод оценки помехоустойчивости ТС на воздействие к реальным коммутационным перенапряжениям, вызванных отключением КЗ отсутствует.

Теоретически можно изготовить технические средства, выдерживающие практически любые возможные помехи и перенапряжения, но его себестоимость будет непомерно высока. Поэтому наиболее экономичным является повышение устойчивости ТС к помехам и перенапряжениям с учётом анализа данных, получаемых при оценке ЭМО существующих объектов.

Для проведения исследований на помехоустойчивость ТС, не вызывающих аварийного режима для системы электроснабжения, необходима разработка имитационного оборудования, способного многократно создавать переходные процессы, параметры которых будут соответствовать реальным коммутационным перенапряжениям, возникающим в электрической сети 0,4 кВ при отключении КЗ.

Исследование перенапряжений при отключении КЗ позволит получить их характерные параметры. На основании параметров можно разрабатывать методы защиты, выбирать элементную базу помехоподавляющих фильтров, разрабатывать оптимальные схемные и проектные решения и, тем самым, существенно продлить срок их службы, оценивать уровень восприимчивости ТС в условиях воздействия перенапряжений, вызванных отключением аварийного режима.

В качестве источников питания ТС микропроцессорного управления коммутационной аппаратурой, установленной на стороне 6 (10) кВ, применяются импульсные источники питания. Помимо преобразования одного вида напряжения в другой, эти источники становятся проводником перенапряжений из сети питания к чувствительным электронным компонентам, что является причиной отказов микропроцессорных устройств [109].

Объектом исследования в данной работе являются технические средства с импульсными источниками питания. Предметом исследования является электромагнитная совместимость сетей 0,4 кВ и технических средств до 10 кВ.

Большинство выполняемых расчётов коммутационных процессов ведётся как расчёт переходного процесса с некоторыми допущениями. Предполагается, что дуга гаснет в момент прохождения тока через нулевое значение, не учитываются переходные процессы при образовании электрической дуги. В действительности, коммутационный процесс отключения КЗ создаёт комбинацию помех, возникающих как в момент образования дуги, так и в момент её окончательного погасания. Так, при малой электрической ёмкости присоединения преждевременное погасание дуги (иногда при значениях в 20 А), приводит к образованию перенапряжений амплитудой до нескольких киловольт [52]. Поэтому требования и методы испытаний, установленные в стандартах для проверки функционирования ТС, не могут охватывать возникновение всех возможных случаев воздействия перенапряжений на ТС при эксплуатации в жёсткой электромагнитной обстановке. Таким образом, безотказное функционирование современных ТС не может быть реализовано лишь при использовании имитационных генераторов, определённых действующими нормативными документами.

Огромный вклад в теоретические и экспериментальные исследования перенапряжений в сетях низкого напряжения внесли такие учёные как Н. В. Коровкин, Ф. Х. Халилов, Э. Н. Фоминич, В. М. Куприенко, А. В. Салтыков, В. М. Салтыков Р.М.Остафийчук, Ю. Н. Бочаров, Н. В. Сайдова. Однако проблема перенапряжений при отключении токов короткого замыкания раскрыта не в полной мере.

Известные работы авторов по аварийным режимам, вызванных короткими замыканиями, были направлены в основном на изучение разрушающего действия КЗ на электрическую систему и на отключающую способность и износостойкость мощных коммутационных аппаратов. Некоторые авторы рассмотрели вопрос о колебании напряжения на емкостях схемы при отключении КЗ, связав их с восстанавливающимся напряжением. При этом восстановление напряжения не рассматривалось как возникающее перенапряжение, способное негативно влиять на работу ТС [15−17].

В связи с широким внедрением в электрических сетях 6 (10) кВ микропроцессорных устройств управления и автоматики, чувствительных к различным видам воздействий, такой подход для настоящего времени оказывается недостаточным.

На основании вышеизложенного формируется цель работы: разработка методов и средств оценки помехоустойчивости технических средств при условии воздействия реальных перенапряжений, вызванных отключением аварийных режимов в системе электроснабжения 0,4 кВ.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

— обзор и оценка эффективности известных методов определения напряжения на коммутационном аппарате при отключении КЗ;

— анализ физических процессов на контактах коммутационных аппаратов при размыкании электрического тока;

— разработка методики для расчёта классическим методом перенапряжений при отключении КЗ;

— анализ возникновения перенапряжений на стороне 6 (10) кВ силового трансформатора при отключении КЗ на стороне 0,4 кВ;

— разработка методики для расчётов перенапряжений в среде 81МЦЬШК;

— исследование перенапряжений при отключении КЗ в действующих сетях;

— разработка и создание установки для имитации переходных процессов, характерных для режима отключения КЗ в электрических сетях;

— исследование влияния перенапряжений при отключении КЗ на импульсные источники питания;

— разработка рекомендаций по снижению перенапряжений при отключении КЗ в электрических сетях.

При решении поставленных задач использовались следующие методы научного исследования: компьютерное моделирование переходных процессов в среде 81МиЬШК математического пакета МаЛаЬ, расчёт в программе Ма&САГ), создание имитационной установки для проведения исследований, обработка экспериментальных данных.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, и основные положения, выносимые на защиту.

1. Выполнен анализ существующих методов исследования и регистрации перенапряжений на коммутационном аппарате при отключении КЗ.

2. Разработана упрощенная модель электрической сети для исследований перенапряжений при отключении КЗ с различными начальными данными.

3. Выполнен анализ различных путей перехода перенапряжений при отключении аварийного режима на стороне 0,4 кВ на сторону 6 (10) кВ.

4. Разработана установка для имитации переходных процессов подобных перенапряжениям в электрической сети при отключении КЗ.

5. Предложен новый метод испытаний современных импульсных источников питания в условиях воздействия перенапряжений, вызванных отключением аварийных режимов в системе электроснабжения.

6. Получены новые экспериментальные данные, благодаря которым выявлено отличие энергии импульсных напряжений во вторичном напряжении импульсных источников питания при воздействии на них как регламентированного импульса, так и импульсов из сети при КЗ.

7. Экспериментально установлено значение тока «среза» при отключении КЗ, и предложен способ обоснования появления перенапряжений на основе параметров размыкаемых контуров.

8. Получена причинная связь известного «взрыва» мостика из жидкого металла между контактами коммутационного аппарата при их начальном разведении с перенапряжением, возникающим на коммутационном аппарате при образовании электрической дуги.

9. Выявлено перенапряжение с параметрами, отличными от импульсов напряжения, создаваемых регламентированными генераторами для проверки помехоустойчивости технических средств.

10. Получена эмпирическая формула для описания перенапряжения при возникновении дуги.

11. Показано, что перенапряжения, вызванные отключением КЗ, отличаются различным спектральным составом при возникновении и в конце переходного процесса.

12. Разработаны рекомендации по уменьшению амплитуд перенапряжений.

Прикладная ценность полученных результатов. На основании проведенных исследований разработана установка для имитации переходных процессов, которые возникают в электрической сети при отключении КЗ. Разработанная имитационная установка в настоящее время применяется в Филиале ОАО «26 ЦНИИ» при оценке помехоустойчивости технических средств, в частности при выполнении НИР «Привод — 11». Выполненные исследования выявили основные параметры перенапряжений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. XXXIX Неделя науки СПбГПУ. Материалы международной научно — практической конференции 6−11 декабря 2010 года, г. Санкт — Петербург.

2. Международная молодёжная научно-техническая конференция «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА ГЛАЗАМИ МОЛОДЕЖИ» 21−25 ноября 2011 года, г. Самара.

4.7 Выводы

Разработана установка, которая может имитировать переходные процессы, характерные перенапряжениям, возникающим в реальных электрических сетях при отключении КЗ. Установка учитывает физические процессы на контактах коммутационного аппарата. На разработанной имитационной установке предусмотрена возможность изменения частоты перенапряжения, возникающего после погасания дуги в пределах от 6,2 кГц до 1,4 МГц, что позволяет широко исследовать работу ТС в условиях воздействия перенапряжений, характерных для различных систем электроснабжения. Имитационная установка не создает аварийный режим для системы электроснабжения.

Выполненные экспериментальные исследования позволили сделать вывод о том, что основная часть перенапряжений возникает в начальный момент разведения контактов при образовании дуги в момент ее погасания. В ходе анализа выполненных экспериментов на имитационной установке было установлено, что перенапряжение, возникающее после погасания дуги, зависит от параметров Ь и С электрической сети, а перенапряжение, возникающее при образовании электрической дуги, от параметров подключенной емкости не зависит. Проведение многократных экспериментов и анализа полученных данных позволили:

— определить перенапряжение при образовании электрической дуги, которое обусловлено «взрывом» мостика из жидкого металла. Установлено, что частота этих перенапряжений 1,06 — 1,09 МГц, длительность процесса

10 мкс, среднее значением амплитуды 4.6 — 5.56кВ с доверительной вероятностью Р=0,95. При этом отмечается, что скорость нарастания напряжения в этом случае при фронте в 0,5мкс составляет более 10,0 кВ/мкс. Это перенапряжение обобщено эмпирической формулой, которая принимает следующий вид: итр = 5,08 • е-3'1510'1 зт (б, 75 • 106/)кЯ. 5

— определить, что с доверительной вероятностью 0,95 значение тока при котором происходит погасание электрической дуги будет иметь значение 2.1 -2.7 А. Таким образом, зная лишь параметры размыкаемых контуров можно определять амплитуды перенапряжений после погасания дуги.

Показано, что результаты расчёта для экспериментальных осциллограмм имеют расхождение по амплитуде и частоте, не превышающее ± 15%.

Показано, что применение стандартного сетевого фильтра, имеющего в качестве помехоподавляющей цепочки последовательное соединение варистора и разрядника, дает недостаточную эффективность подавления перенапряжений на частотах около 1 МГц. Это вызвано тем, что разрядник срабатывает при скорости роста напряжения 1 кВ/мкс, а для рассматриваемых случаев перенапряжений, это значение составляет более 10,0кВ/мкс. Варистор начинает работать только, когда возможен пробой разрядника, в тоже время разрядник просто не успевает сработать.

Сравнительный анализ показал, что амплитуды перенапряжений при отключении аварийных режимов более чем в три раза превышают амплитуды перенапряжений при нормальной эксплуатации технических средств.

Показано, что при установке ОПН со временем срабатывания менее 25 нС амплитуда коммутационных перенапряжений снижается до пределов 445 -465 В (1,43 — 1,5 Ин), что хорошо согласуется с результатами моделирования, рассмотренными в главе 3, где это значение составляло значение около 0,4 кВ.

Выполненный сравнительный анализ существующих стандартизированных импульсов напряжения, направленных на исследование помехоустойчивости технических средств, и зарегистрированного перенапряжения при образовании электрической дуги позволил сделать вывод о том, что похожих импульсов у регламентированных генераторов нет. На рисунке 4.31 приведено сравнение наиболее похожего варианта регламентированного импульса и импульсного перенапряжения при отключении КЗ импульсного перенапряжения при отключении КЗ В соответствии с РД 34.35.310−97 испытания на помехоустойчивость блоков управления с микропроцессорным устройством проводят с помощью колебательного затухающего импульса напряжения с амплитудой 2,5кВ и частотой 1,0 МГц, приведенного на рисунке 4.31.

Таким образом, показано, что в условиях эксплуатации технические средства подвергаются перенапряжениям отличным от регламентированных импульсов напряжения, что позволяет сделать вывод о не достаточности испытаний для гарантии работы технических средств в условиях реальной электромагнитной обстановки.