Содержание к диссертации
Введение
Перенапрягния при отключении цепей постоянного тока без искрения на ком мутирующих контактах
Обоснование расчетной схемы для анализа переходных процессов при коммутации индуктивных цепей постоянного тока
Определение величины коммутационных перенапряжений 16
Определение параметров обмоток реле и экспериментальная проверка методики расчета коммууационных пере напр яжений 26
Перенапяяшия при отключении цепей постоянного тока с искрением на коммутирующих контактах
Механизм возникновения перенапряжений высокой частоты 40
Коммутационные перенапряжения в сети оперативного постоянного тока 49
Резонансные перенапряжения 53
Коммутационные перенапряжения при отключении с дугой 60
Исследование воздействия коммутационных перенапряжений на пшупровод никовье диоды
Установление критерия, определяющего необходимость применения защиты полупроводниковых диодов . 67
3-2. Характер изменения вентильных свойств диодов в результате прохождения через них импульсов обратного тока 73
3-3. Методика определения критического значения импульсов обратного тока S2
Глава 17. Анализ эффективности средств защиты полупроводниковык приборов от коммутационных перенапрягши
4-1. Схемы защит от коммутационных перенапряжений
4-2. Изменение токов в обмотке реле и в защитной цепочке при отключении 9*1
4-3. Определение параметров защитных цепочек і01
4-4. Оценка влияния защитных цепочек на работу схемы релейного устройства
4-5. Величина максимального тока, через защитную цепочку
4-6. Работоспособность релейного устройства при повреждении защитной цепочки И6
4-7. Рекомендация по ограничению коммутационных перенапряжении ИЗ
Заключение 422
Список литературы
- Обоснование расчетной схемы для анализа переходных процессов при коммутации индуктивных цепей постоянного тока
- Коммутационные перенапряжения в сети оперативного постоянного тока
- Установление критерия, определяющего необходимость применения защиты полупроводниковых диодов
- Схемы защит от коммутационных перенапряжений
Введение к работе
С развитием энергосистем возрастает необходимость оснащения их сложными системами и устройствами управления, обеспечивающими функционирование энергосистем в нормальных и аварийных режимах. К ним относятся:
- системы противоаварийной автоматики (СПА),
- устройства релейной защиты и системной автоматики (РЗА),
- системы технологической автоматики на электростанциях (СТА!
- сети и системы сбора и передачи оперативной информации (СПИ),
- информационные системы оперативно-диспетчерского управления в сетях и на подстанциях (ИС),
- автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ и т.д.
Реализация этих систем на традиционной электромагнитной и электромеханической основе становится все более затруднительной. Поэтому в энергетику началось внедрение электронной и вычислительной техники, что связано с переводом указанных систем на новую аппаратурную основу с малой мощностью информационных сигналов. Усложнение управления, защиты и автоматики энергосистем, а такие удаление источников информационных сигналов от объектов, принимающих и перерабатывающих эти сигналы обусловливает значительное разветвление и удлинение цепей вторичной коммутации. Указанное обстоятельство, а также значительный рост мощности цепей первичной коммутации и уменьшение мощности информационных сигналов привели к существенному росту помех в цепях управления, защиты и автоматики элзктрических станций и подстанций. Многочисленные исследования, проводимые как у нас в стране, так и за рубежом [X,2,3, ,5j показывают, что возниаающие помехи могут приводить к пробою изоляции цепей вторичной коммутации и к повреждению полупроводниковых схем и отдельных полупроводниковых приборов [хJ. Это, в свою очередь, может привести к неправильному действию или отказу автоматического устройства и в итоге послужить причиной аварии в энергосистеме Поэтому в настоящее время весьма остро встал вопрос о помехозащищенности полупроводниковой и вычислительной техники при размещении ее на территории энергообъектов.
Основными источниками помех на электрических станциях и под-станциях могут быть [х]:
- коммутации разъединителями участка шин,
- короткие замыкания на землю, вызывающие токи, протекающие через контур заземления подстанций,
- протекание по шинам подстанций волн коммутационных перенапряжений, набегающих с даний,
- коронирование проводов,
- повторные зажигания в выключателях,
- неплотные контактные соединения,
- частичные разряды в изоляции,
- атмосферные перенапряжения, проявляющиеся в виде волн, набеаающих с линий, а также прямых ударов в территорию подстанции,
- коммутации тиристоров, используемых в высоковольтных передачах постоянного тока,
- резонансные явления при переключениях высоковольтных конденсаторов,
- взаимоиндукция на промышленной частоте,
- переключение контактами различных индуктивных цепей постоянного тока (реле, контакторы, соленоиды, электродвигатели и т.п.
Практика эксплуатации и специально проведенные эксперименты показывают, что полупроводниковые приборы в основном выходят из строя в цепях оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций, вследствие воздействия на них таких помех, как пере напряжения, возникающие при коммутации обмоток реле и других ка - 6 тушек индуктивности. Однако до настоящего времени коммутационные перенапряжения в указанных цепях были недостаточно изучены и их исследованиям не уделялось должного внимания.
Для защиты от коммутационных перенапряжений транзисторов, работающих в режиме переключения, стали применяться защитные цепочки которые присоединяются параллзльно обмотке коммутируемого реле Срис.В-2) и снижают перенапряжения, возникающие между зажимами обмотки (1-2). Однако отсутствие достаточно надежного критерия, определяющего опасность воздействия коммутационных перенапряжений на полупроводниковые приборы, приводит во многих случаях к необоснованным техническим решениям по их применению. При этом возможны случаи, когда схемы вторичной коммутации существенно усложняются без достаточных на то оснований или оказываются недостаточно защищенными от воздействия коммутационных перенапряжений.
В отличив от схем с транзисторами, работающими в режиме переключения в индуктивных цепях, при разработке и проектировании схем оперативного постоянного тока с полупроводниковыми диодами, также подверженными воздействию коммутационных перенапряжений, защита диодов, как правило, не предусматривается. Это приводит к тому, что среди полупроводниковых приборов, выходящих из строя, подавляющее количество составляют диоды.
Обоснование расчетной схемы для анализа переходных процессов при коммутации индуктивных цепей постоянного тока
Исследование переходных процессов при отключении ивдуктивных цепей постоянного тока с помощью контактав показывает, что возникающие при этом коммутационные перенапряжения по форме кривой могут бытъ в виде: I. колебаний зубчатой формы (рис. I-Ia); її гармонических затухающих колебаний (рис. I-I6); 3, затухающих колзбаний, которым предшествует монотонно ниспадающая кривая (рис. Мв).
Первой" кривой соответствует переходный процесс с многократными искровыми пробоями межконтактного промежутка, второй кривой . отключение без искрения на коммутирующих контактах, третьей - отключение с дугой, лак правило, коммутация обмоток реле, наиболзе распространенных в настоящее время в цепях оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций, происходит с многократными искровыми пробоями межконтактного промежутка, Отключение же таких катушек индуктивности, как контакторы включения масляных выключателей, происходит с дугой, и лишь при коммутации малых токов, которые обычно протекают по обмоткам магнитоэлектрических, поляризованных реле иди герконов и низких уровнях питающих напряжений, происходит безыскровой процесс. исследование коммутационных перенапряжений при отключении цепей постоянного тока целесообразно начать с анализа перенапряжений, возникающих при безыскровой коммутации, когда отключаемые токи имеют значения до сотен микроампер при напряжении на обмот-ке до нескольких десятков вольт. Снижение тока в цепи контактов в этом случае происходит в виде среза - . Ори безыскровой коммутации можно не учитывать процессы, происходящие на коммутирующих контактах, что существенно упрощает рассмотрение перенапряжений, давая возможность выявить основные закономерности их возникновения. В связи с этим переходный процесс, возникающий при безыскровой коммутации, является самым простым из рассмотренных выше и знание механизма его протекания может оыть полезным при исследовании боже сложных процессов, возникающих при отключении с многократными искровыми пробоями межконтактного промежутка и с дугой,
Процессы, происходящие при коммутации цепей постоянного тока, рассматривались в литературе и ранее [бЛбj . но при этом не учитывался ряд факторов, что приводило к недостаточно полному их представлению.
Для изучения переходных процессов, возникающих при коммута ции в цепях постоянного тока, необходимо разработать достаточно надежную расчетную схему. Как показывают эксперименты (рис. I-I) переходный процесс при отключении индуктивных цепей носит колеба тельный характер. Это свидетельствует о том, что обмотка реле (ка тушка индуктивности) в общем случае должна быть представлена в ви де цепи с распределенными параметрами, состоящей из соединенных между собою колебательных контуров Между тем, из ана лиза осциллограмм Срис« I-I) следует, что с достаточной для практики точностью схема замещения обмотки реле может быть принята одночастотная, т.е. в виде RLC колебательного контура, где R,L иС-соответственно активное сопротивлзние, индуктивность и результирующая межвитковая емкость обмотки реле (рис. I-H).
Обмотки реле, применяемые в цепях оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций, как правило, имеют ферромагнитный сердечник. Поэтому важным является вопрос о линейности таких параметров обмотки реле, как активное сопротивление R и индуктивность L . Нике (см. 1-3) показано, что применяемые Б цепях постоянного тока электрических станций и подстанций обмотки реле с ферромагнитными сердечниками при тех уровнях коммутационных перенапряжений, которые имеют место в реальных условиях работы реле, можно рассматривать как линейные элементы.
Для выяснения вопроса о характере влияния на переходный процесс при отключении индуктивной цепи увеличивающегося во времени сопротивления коммутирующего элемента (когда, например, в качестве последнего используется транзистор, работающий в ключевом режиме) этот элемент введен в расчетную схему (рис.Х-2) сопротивлением
При срезе тока в цепи коммутирующего элемента напряжение на зажимах обмотки реле(катушки индуктивности) определяется по известной формуле:
Коммутационные перенапряжения в сети оперативного постоянного тока
В реальных условиях работы реле в сети оперативного постоянного тока коммутационные перенапряжения возникают не только на обмотке коммутируемого реле и коммутирующих контактах, но также между отключаемым полюсом обмотки и землей [5з] , Это объясняется некоторыми особенностями рассматриваемых сетей, Применяемые на современных электростанциях и крупных подстанциях сети оперативного постоянного тока представляют ряд отходящих от сборных шин линий с большим количеством параллельных ветвей между разноименными полюсами, что обусловливает значительную емкость сети относительно земли. Источником питания такой сети, как правило, служит аккумуляторная батарея, присоединенная к сборным шинам,
На рис, 2-7 представлена приведенная схема сети оперативного постоянного тока, на которой показана коммутируемая катушка индуктивности, присоединенная к остальной части сети с помощью контактов кА а кБ \ На схеме показаны емкости соответ ственно положительного и отрицательного полюсов сети относительно земли СИ и Ь б . Сложение емкостей Ь/} и С б , значения которых, как правило, неодинаковы, но одного порядка, дает значение емкости сети относительно земли С с . Измерения показывают, что емкости сетей оперативного постоянного тока современных электростанций и крупных подстанций находятся в пределах от единиц до нескольких десятков микрофарад. Сопротивление изоляции сетей, имея значения от сотен килоом до нескольких мегаом, не оказывает заметного влияния на коммутационные перенапряжения, вследствие чего оно не учитывается. К полюсам присоединена нагрузка сети ( Не ) которая, наряду с цепями, обладающими омическим сопротивлением, включает в себя ряд параллельно соединенных обмоток реле, благодаря чему она имеет индуктивный характер. На схеме показаны также емкости относительно земли проводов, присоединенных к положительному и отрицательному полюсам коммутируемой катушки Значения этих емкостей находятся в пределах от единиц до нескольких тысяч пикофарад, т.е. на несколько порядков ниже значений емкостей полюсов сети ( Сй ,Ьб )хх\
Рассмотрим поочередно оба вида коммутации: однополюсную (обмотки реле) и двухполюсную (обмотки включения масляных (сноска со стр. 49); В качестве индуктивности могут быть обмотки реле, контакторов, соленоидов включения масляных выключателей, катушки отключения выключателей.
Если коммутирующий элемент соединен с обмоткой реле (катушкой индуктивности) с помощью контрольного кабеля, то при расчете коммутационных перенапряжений (см. I-I, рис. 1-2) вместо емкости С , входящей в расчетную схему, должна использоваться эквивалентная емкость, учитывающая емкость С и емкость контрольного кабеля относительно земли. выклочателей),
Учитывая, что , перенапряжение, возникающее между зажимами I и 2 обмотки реле (рис, 2-7) при отключении тока в обмотке контактом кА , практически полностью прикладывается к емкости Сад , т.е. между отключаемым полюсом (I) обмотки реле и землзй возникает перенапряжение приблизительно такой же величины, как между зажимами обмотки.
При двухполюсном отключении обмотки соленоида (рис. тот же) перенапряжение Ус распределяется между емкостями СЯ и С е обратно пропорционально их значениям. Следует заметить, что цепи обмоток соленоидов, как правило, симметричны и емкости Ьхй и Саб приблизительно одинаковы. Поэтому перенапряжения на них примерно равны
Установление критерия, определяющего необходимость применения защиты полупроводниковых диодов
Практика эксплуатации полупроводников в цепях оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций, а также многочисленные эксперименты показывают, что в ряде случаев воздействие коммутационных перенапряжений на полупроводниковые приборы не только не приводит к выходу последних из строя, но даже не ухудшает их вентильные свойства. В связи с этим применять защитные средства не всегда целесообразно, т.к. это приводит лишь к усложнению схемы и к снижению надежности работы релейных устройст Для правильного решения вопроса требуется разработка достаточно надежного критерия, устанавливающего опасность возникающих перенапряжений.
С этой целью было предпринято исследование изменения вентильных свойств полупроводниковых приборов в результате воздействия на них коммутационных перенапряжений. Для исследования были выбраны полупроводниковые диоды германиевые (Д71) и кремниевые СД226Б), т.к. они широко применяются в цепях оперативного постоянного тока электрических станций и подстанций, но используются, как правило, без защиты от коммутационных перенапряжений, причем в эксплуатации наблюдаются случаи, проверенные экспериментально, как их повреждения, так и сохранения ими вентильных свойств после воздействия на них коммутационных перенапряжений. Кроме того, в отличие от других полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров) полупроводниковые диоды имеют наименее сложную структуру, что дает возможность получить выводы, позволяющие правильно подойти к изучению рассматриваемых явлений в более сложных полупроводниковых приборах. поведении диода в сильном электрическом поле удобно судить по его вольт-амперной характеристике, которую можно снять с помощью испытательной схемы, изображенной на рис. 3-1. Схема представляла собой электрическую цепь из поеледовательныв соединенных лампы-модулятора, добавочного сопротивления и источника напряжения постоянного тока.
Кривые изменения напряжения на испытуемом диоде и проходящего через него тока фотографировались с экрана осциллографа. С помощью осциллограмм (рис. 3-2) были построены обратные ветви вольт-амперных характеристик диодов (рис. 3-3, сплошные линии) XX) в слабых полях ток через р-п переход очень мал и почти не растет с увеличением обратного напряжения. Однако по достижении обратным напряжением диода некоторого значения Uл электропроводность р-n перехода увеличивается в соответствии с законом Пуля ,29j : где (Qc - электропроводность р-п перехода в слабых по лях, Е - напряженность электрического поля, (Л коэффициент, зависящий от температуры и уменьшающийся с ее рос том. Обратный ток диода при этом заметно увеличивается (рис. 3 3). (см. рис. 3-3, сплошные участки кривых он и 0 1 ), который характеризуется лавинообразным увеличением носителей заряда, вследствие ударной ионизации электронами. При этом незначительное приращение напряжения вызывает существенное возрастание обратного тока диода.
Лавинный пробой является обратимым, так как он не приводит к остаточным изменениям вентильных свойств р-п перехода.
Если лавинный ток не будет ограничен во времени, то происходит быстрый нагрев р-и перехода до критической температуры Iк. При этом появляются добавочные носители заряда за счет теплового возбуждения, и лавинный пробой перерастает в лавинно-тепловой (рис. 3-3, пунктирные участки кривых СМ и 01 ). При этом происходит резкое снижение обратного напряжения и возрастание тока. Если р-п переход уже был нагрет до температуры, равной или превосходящей критическую, то тепловой пробой наступает при обратном напряжении, меньшем напряжения лавинного пробоя (рис. 3-3, кривые а% и 5г). Если при тепловом пробое обратный ток не ограничен, то температура р-кі перехода продолжает повышаться, связи мелду атомами нарушаются, и диод выходит из строя.
Так как при лавинном пробое обратное напряжение и-П перехода с изменением обратного тока изменяется незначительно, то выделяющаяся энергия может характеризоваться непосредственно током и его длительностью. Именно эти параметры следует рассматривать как действительный критерий допустимых воздействий на диод при коммутационных перенапряженпях. для установления опасных значений обратного тока следует исследовать изменения вентильных свойств диодов в результате прохождения через р-п переход импульсов обратного тока (соответствующих по форме кривой и длительности тем, которые возникают при воздействии на диоды коммутационных перенапряжений) в зависимости от их величины, частоты следования и продолжительности воздействия на р - К1 переход.
Схемы защит от коммутационных перенапряжений
Защита полупроводниковых приборов (в основном транзисторов) от коммутационных перенапряжений осуществляется, как уже отмечалось, с помощью защитных цепочек. На практике получили распространение следующие из них: диод-стабилитрон, диод-резис-тор, диод, RC-цепочка. Они присоединяются параллельно обмотке коммутируемого реле и снижают коммутационные перенапряжения, возникающие между зажимами обмотки. Однако, вопрос использования защитных цепочек осложняется тем, что отсутствует методика по определению их параметров и оценка их влияния на работу устройств релейной защиты и автоматики. На практике обычно ограничи ваются подбором защитных цепочек без расчетной проверки их эффек тивности.
Механизм возникновения коммутационных перенапряжений и их воздействие на полупроводниковые приборы - транзистор и диод - удобно рассмотреть на примерах коммутации двух наиболее типичных цепей (рис. 4-1). Ток b , проходящий в обмотке реле, которая представлена схемой замещения (сопротивлением К , индуктивностью L и результруующей межвитковой емкостью С ), после запирания транзистора Т исчезает не сразу, а поддерживаемый э.д.с. самоиндукции сохраняет некоторое время свое прежнее направление. Этот ток практически весь замыкается через емкость L , вследствие чего полярность напряжения на ней изменяется,т.к. она начинает перезаряжаться. Имея малую величину (до нескольких сот пикофарад), емкость L может зарядиться до очень высокого напряжения, благодаря чему зажим i обмотки реле окажется под большим отрицательным потенциалом относительно зажима 2 и положительного полюса источника питания. -При этом на коллекторный переход транзистора будет действовать повышенное напряжение и может произойти его пробой. Если за время пробоя коллекторный переход разогреется до значительной температуры и после прекращения воздействия перенапряжения не восстановит свои вентильные свойства, то через транзистор начнет протекать ток, обусловленный напряжением источника питания. В результате транзистор выйдет из строя.
Аналогично протекает переходный процесс в схеме с разделяющим диодон JX (рис. 4-1). При замкнутом положении контактов и размыкании контактов диод Д оказывается под воздействием коммутационного перенапряжения и может быть поврежден. G целью защиты транзистора от коммутационных перенапряжений между зажимами I и 2 обмоток коммутируемых реле присоединяется защитная цепочка. Защита диода может быть выполшена аналогичным образом.
Для определения параметров защитных цепочек, а также для нахождения замедления при возврате коммутируемого реле, которое вносит защитная цепочка, и оценки максимального тока, проходящего через защитную цепочку при коммутации, необходимо знать закон изменения тока в обмотке реле и в защитной цепочке. Ниже приведен вывод формул, характериуующих изменения этих токов в схемах, в которых поочередно применяется каждая из рассматриваемых защитных цепочек.
Расчетной схемой для определения зависимостей, соответствующих изменении - тока в обмотке коммутируемого реле и в защитной цепочке, служит схема, изображенная на рис. 4-2а. Полупроводниковым прибором, который в этой схеме подвергается воздействию коммутационного перенапряжения, является транзистор.
Анализ целесообразно начать, используя расчетную схему с защитной цепочкой диод-стабилитрон, так как полученные результаты можно будет применить при выводе формул на основании расчетной схемы с защитным диодом. I. Диод-стабилитрон. При запирании транзистора I начинается перезаряд емко сти I/ током, проходящим в обмотке реле, вследствие чего напряжение уменьшается от значения Т/с=Е до нуля ( Vc= 0 при t0 ) и затем, изменив знак возрастает до значения напряжения стабилизации Vj (которое напряжение достигает в момент времени Хх )
