Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Устройства защиты от перенапряжений в системах оперативного постоянного тока 13
1.1. Типовые схемы и состав систем оперативного постоянного тока 13
1.2. Проблемы электромагнитной совместимости 22
1.3. Импульсные коммутационные перенапряжения 30
1.4. Сравнение устройств защиты от перенапряжений 32
1.5. Выводы 40
ГЛАВА 2. Математическое моделирование системы оперативного постоянного тока для исследования межполюсных коммутационных перенапряжений, вызываемых срабатыванием плавких предохранителей при отключении коротких замыканий 41
2.1. Введение 42
2.2. Физические процессы при отключении коротких замыканий предохранителем 47
2.2.1. Стадии развития и гашения дуги 47
2.2.2. Плавление вставки предохранителя 49
2.2.3. Влияние продольной теплопередачи 51
2.2.4. Практические выводы 52
2.3. Сведения о программе EMTP-RV 53
2.4. Расчетная схема и основные уравнения модели 54
2.5. Реализация модели в EMTP-RV 60
2.6. Реализация модели в Mathcad 67
2.7. Верификация модели 71
2.7.1. Сопоставление результатов моделирования в EMTP-RV и Mathcad 71
2.7.2. Сопоставление результатов моделирования и данных фирмы-производителя 75
2.7.3. Допустимость представления схем замещения элементов сосредоточенными параметрами 80
2.8. Выводы 80
ГЛАВА 3. Исследование процесса ограничения перенапряжений различными устройствами защиты 82
3.1. Введение 82
3.2. Межполюсное коммутационное перенапряжение 82
3.2.1. Описание условий исследования 82
3.2.2. Вариант без использования защиты от перенапряжений 82
3.2.3. Вариант с использованием устройства защиты от импульсных перенапряжений 85
3.2.4. Анализ результатов 88
3.3. Перенапряжение между полюсом и землей 89
3.3.1. Общие сведения 89
3.3.2. Вариант с использованием устройства защиты от импульсных перенапряжений 90
3.3.3. Вариант с использованием диодной защиты 92
3.3.4. Анализ результатов 95
3.4. Перенапряжение при отключении соленоида включения высоковольтного выключателя 95
3.4.1. Описание условий исследования 95
3.4.2. Сравнение эффективности диодной защиты и устройства защиты от импульсных перенапряжений 96
3.4.3. Анализ результатов 99
3.5. Натурные испытания по отключению коротких замыканий в системе оперативного постоянного тока автоматическими выключателями 101
3.5.1. Цель, объект и задачи испытаний 101
3.5.2. Технические средства 102
3.5.3. Анализ результатов 107
3.6. Выводы 112
ГЛАВА 4. Рекомендации по защите систем оперативного постоянного тока от перенапряжений с учетом современных требований к качеству электропитания микропроцессорных устройств 113
4.1. Введение 113
4.2. Рекомендации по выбору защиты от перенапряжений 113
4.3. Выводы 117
Заключение 119
Список литературы
- Импульсные коммутационные перенапряжения
- Влияние продольной теплопередачи
- Вариант с использованием устройства защиты от импульсных перенапряжений
- Рекомендации по выбору защиты от перенапряжений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Опыт эксплуатации низковольтных электроустановок постоянного тока на электростанциях (ЭС) и подстанциях (ПС) свидетельствует о периодически возникающих случаях появления перенапряжений в этих электроустановках. Ранее, когда релейная защита (РЗ) выполнялась на базе электромеханических реле, перенапряжения не вызывали существенных проблем. С внедрением микропроцессорной техники, более чувствительной к перенапряжениям, опасность повреждений, ложных срабатываний релейной защиты и сбоев автоматизированных систем управления ЭС и ПС существенно возросла. Это, в свою очередь, может вызывать серьёзные аварии на энергообъектах. Официальная статистическая информация по таким случаям отсутствует.
Данная работа посвящена разработке рекомендаций по защите установок постоянного оперативного тока от перенапряжений. Система оперативного постоянного тока (СОПТ) предназначена для электропитания устройств релейной защиты, автоматики и сигнализации, а также аварийного освещения и ответственных механизмов собственных нужд, в том числе электроприводов силовых выключателей. СОПТ должна обеспечивать надежное снабжение электроприемников как в нормальном, так и в аварийных режимах работы энергообъекта.
С внедрением микропроцессорных устройств релейной защиты значительно усиливаются требования к качеству электропитания и электромагнитной совместимости электроприемников и систем питания. В последние годы состав электроприемников постоянного тока значительно изменился, что обуславливает необходимость пересмотра требований к устройствам защиты от перенапряжений. В настоящее время наметилась не всегда оправданная тенденция к использованию зарубежных средств защиты и необоснованному отказу от проверенных практикой отечественных защитных устройств. Научно обоснованных оценок эффективности мероприятий по защите СОПТ от перенапряжений, с учетом современных требований к качеству электропитания микропроцессорных устройств, до настоящего времени не проводилось.
Объектом исследования является система оперативного постоянного тока подстанций 110-750 кВ с устройствами защиты от перенапряжений на базе силовых диодов и варисторов.
Предметом исследования являются переходные процессы в СОПТ, сопровождающиеся перенапряжениями, с учетом влияния на них устройств защиты: диодов и варисторов.
Целью работы является разработка рекомендаций по защите СОПТ от перенапряжений с учетом современных требований к электромагнитной совместимости и качеству электропитания микропроцессорных устройств для предотвращения повреждений и ложных срабатываний релейной защиты и автоматики подстанций 110-750 кВ.
Задачи работы, поставленные для достижения указанной цели:
анализ схем и состава СОПТ, оценка электромагнитной обстановки, анализ факторов, влияющих на параметры перенапряжений, современных тенденций изменения состава потребителей и применяемых устройств защиты от перенапряжений в СОПТ;
разработка математической модели СОПТ для исследования электромагнитных переходных процессов, сопровождающихся перенапряжениями, расчетно-экспериментальное исследование процесса возникновения перенапряжения в СОПТ при срабатывании плавких предохранителей;
расчетно-экспериментальное исследование процесса ограничения перенапряжений в СОПТ с помощью диодной защиты и устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) на основе варисторов, сравнение эффективности указанных способов защиты; проведение натурных экспериментов по отключению коротких замыканий (КЗ) в СОПТ, оценка параметров перенапряжений;
разработка рекомендаций по защите СОПТ от перенапряжений с учетом современных требований к качеству электропитания микропроцессорных устройств.
Методы исследования. Решение поставленных задач производилось с помощью математического моделирования на основе системы линейных алгебраических уравнений, составленных по законам Кирхгофа, математического моделирования на основе теории обыкновенных дифференциальных уравнений, расчетно-экспериментального исследования в специализированной компьютерной программе EMTP-RV, натурных экспериментов на учебной исследовательской установке постоянного тока фирмы Gutor кафедры «Электрические станции».
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:
проведен анализ эффективности защиты СОПТ от перенапряжений, вызванных отключающими защитными аппаратами, электрической дугой, воздействием электромагнитных полей, выявлены преимущества диодной защиты по сравнению с УЗИП комбинированного и ограничивающего типов. Показано, что напряжения среза УЗИП в 2-3 раза выше напряжения среза диодной защиты, а способность к поглощению энергии в несколько раз ниже, чем у диодов.
разработана математическая модель для исследования электромагнитных переходных процессов, сопровождающихся перенапряжениями, содержащая отключающие защитные аппараты, силовые диоды и варисторы. Модель учитывает влияние активных и индуктивных сопротивлений кабельной сети и аккумуляторной батареи, емкостей полюсов относительно земли и постоянной времени цепи КЗ, позволяет оценивать основные параметры возникающих импульсов перенапряжений: амплитуду,
длительность фронта, длительность полу спада и энергию.
проведено исследование эффективности защиты СОПТ от перенапряжений с помощью силовых диодов и УЗИП, преимуществ и недостатков применения данных устройств. Были рассмотрены случаи возникновения и ограничения внутренних межполюсных коммутационных перенапряжений при отключении КЗ предохранителем, внешних перенапряжений между полюсом и землей, а также перенапряжений, возникающих при отключении соленоида включения высоковольтного выключателя.
разработаны рекомендации по защите СОПТ от перенапряжений с учетом современных требований к качеству электропитания микропроцессорных устройств. Даны научно-обоснованные рекомендации по выбору мест присоединения, подбору параметров защитных устройства, конструктивного исполнения, способу подключения, защите выбранных устройств от сверхтоков.
Достоверность научных положений диссертационной работы обусловлена корректным использованием теории электромагнитных переходных процессов, теоретических основ электротехники, обоснованностью принятых допущений и удовлетворительным совпадением результатов расчетов, полученных при использовании разработанной математической модели, реализованной в программном комплексе EMTP-RV с данными, предоставляемыми производителями защитных аппаратов. Расхождение между сопоставляемыми параметрами не превысило 10%.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
результаты исследования эффективности устройств защиты от перенапряжений при отключении КЗ плавкими предохранителями могут быть использованы для оценки параметров возникающих импульсов перенапряжений при проектировании на этапе разработки схемы СОПТ, выбора защитных аппаратов и устройств защиты от перенапряжений.
разработанные рекомендации по защите СОПТ от перенапряжений были использованы на кафедре «Электрические станции» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» при разработке с участием автора внедренного и действующего стандарта организации ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.120.40.041-2010 «Системы оперативного постоянного тока подстанций. Технические требования» и его изменений от 14.12.2012 г.
Положения, выносимые на защиту:
-
математическая модель СОПТ для исследования электромагнитных переходных процессов, сопровождающихся перенапряжениями. с отключающими защитными аппаратами, силовыми диодами и варисторами;
-
результаты исследования эффективности средств защиты СОПТ от различных видов перенапряжений с помощью силовых диодов и УЗИП;
3. рекомендации по защите от перенапряжений в СОПТ с учетом современных требований к качеству электропитания микропроцессорных устройств.
Апробация результатов работы. Работа была апробирована на следующих конференциях:
на Пятнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника электротехника и энергетика» (МЭИ, 26-27 февраля, г. Москва, 2009 г.);
на Шестнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника электротехника и энергетика» (МЭИ, 26-27 февраля, г. Москва, 2010 г.);
на Семнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника электротехника и энергетика» (МЭИ, 24-25 февраля, г. Москва, 2011 г.),
на XXXIV сессии семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «диагностика энергооборудования» (ЮРГТУ (НПИ), 25-27 сентября, г. Новочеркасск, 2012 г.).
Публикации. По результатам исследований было опубликовано шесть печатных работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.
Личный вклад соискателя. Проведен анализ схем и состава действующих СОПТ, выявлены недостатки существующих схемных решений, современные тенденции изменения состава потребителей СОПТ и применяемых устройств защиты от перенапряжений [1-3]. Разработана математическая модель СОПТ для исследования переходных процессов, сопровождающихся перенапряжениями при отключении коротких замыканий плавкими предохранителями [5]. Проведено исследование процесса ограничения перенапряжений в СОПТ с помощью диодной защиты и УЗИП на основе варисторов, сравнение эффективности указанных способов защиты [6]. Проведено исследование эффективности ограничения перенапряжений, возникающих при работе электромагнитных приводов высоковольтных выключателей различными средствами защиты [3]. Проведены натурные эксперименты по отключению коротких замыканий в СОПТ с помощью автоматических выключателей, произведена оценка возникающих перенапряжений и необходимости их ограничения [4]. Разработаны рекомендации по защите СОПТ от перенапряжений с учетом современных требований к качеству электропитания микропроцессорных устройств.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 69 наименований, одного приложения. Основной текст изложен на 120 страницах, включает 68 рисунков и 16 таблиц. Общий объем диссертации составил 128 страниц.
Импульсные коммутационные перенапряжения
На действующих подстанциях наибольшее распространение получили аккумуляторные батареи открытого типа с пластинами из свинца [4]: отечественные аккумуляторы типа СК Курского завода «Аккумулятор» и батареи типа СН Югославского производства, большая часть из которых, выработала свой ресурс. В последнее время наблюдается массовая замена отечественных аккумуляторных батарей на зарубежные батареи открытого исполнения серии GroE с удельным внутренним сопротивлением менее 180-200 мОм А ч. [5], основным отличием которых от батарей типа СК является малообслуживаемость (доливка дистиллированной воды осуществляется один раз в 3-5 лет) и устойчивость к коррозии. Также преимуществом батарей данного типа является существенное снижение выделения взрывоопасной водородной газовой смеси в процессе эксплуатации, что снижает требования к вентиляции помещений аккумуляторных батарей [6-10]. На вновь сооружаемых подстанциях емкость аккумуляторных батарей выбирается исходя из условия работы СОПТ от аккумуляторов в аварийном режиме не менее 2 часов [11].
В комплект СОПТ входит аккумуляторная батарея, два зарядных устройства и щит постоянного тока, в котором кроме коммутационно -распределительной аппаратуры размещена аппаратура управления, мониторинга, регистрации аварийных событий, измерения и сигнализации. Для всех аккумуляторных батарей выполняется сеть взаимного резервирования так, что в каждый щит постоянного тока может быть подано питание от батареи второго щита.
В качестве зарядных устройств на подстанциях используются выпрямительные агрегаты. Типичным для большинства ЭС и ПС является зарядно-подзарядный выпрямительный агрегат типа ВАЗП-380/260-40/80. В системе постоянного тока выделяют генерирующую и распределительную части [12]. В генерирующую часть системы входит ЩПТ с присоединенными к нему аккумуляторной батареей и зарядными устройствами. Распределительная часть СОПТ включает сборные шины, коммутационные и защитные аппараты, кабельную сеть. Щит постоянного тока выполняется с двумя системами шин. К силовым шинам подключается аккумуляторная батарея и зарядное устройство, питающие цепи электромагнитов выключателей, двигательная нагрузка, устройства связи, аварийное освещение и др. От оперативных шин питаются цепи управления, автоматики, сигнализации и защиты.
Распределительная сеть СОПТ включает сборные шины, коммутационные и защитные аппараты, кабельную сеть. Распределительная сеть в существующих установках имеет вид колец, при этом каждое кольцо подключается к двум разным секциям ЩПТ, что обеспечивает возможность выполнения ремонтно-профилактических работ в сети и повышает надежность питания электроприемников. В нормальном режиме кольца питания при наличии одного вводного выключателя на ЩПТ работают в разомкнутом режиме. Работа колец питания в замкнутом режиме может привести к затяжному КЗ и неселективному отключению защитного аппарата в цепи ввода аккумуляторной батареи. Так как питание устройств РЗА от ЩПТ осуществляется по разомкнутому кольцу, то отключение по любой причине защитного аппарата рабочего кабеля ведет к потере питания устройств РЗА, установленных в щите управления.
Распределительные сети постоянного тока обычно имеют разветвленную кабельную сеть. Длина отдельных кабельных линий может достигать километра. Это обстоятельство обуславливает большую емкость полюсов распределительной сети относительно земли. Увеличение емкости сети способствует нежелательному проникновению помех через контур заземления в сеть из первичных цепей подстанции, создает трудности в применении устройств автоматического поиска присоединений ЩПТ с повреждениями изоляции относительно земли.
Основная тенденция схемотехнических решений в современных СОПТ – это повышение надежности работы при одновременном уменьшении затрат на обслуживание, ориентация на возможность использования систем постоянного тока на энергетических объектах без постоянного присутствия эксплуатационного персонала. В СОПТ энергообъектов в качестве отключающих защитных аппаратов применяются плавкие предохранители и автоматические выключатели. При этом, последние 20-30 лет при проектировании отечественных СОПТ преимущество отдавалось автоматическим выключателям, однако в последнее время ситуация начала меняться. В наиболее старых проектах использовались выключатели типа АВМ, позднее стали использоваться выключатели серии A3700 или серии ВА.
Основным аргументом в пользу автоматических выключателей является удобство эксплуатации. Широкому распространению автоматических выключателей способствовал специфический характер нагрузок. Включение наиболее мощных электроприемников – соленоидов включения высоковольтных выключателей – сопровождалось значительными бросками токов, от которых необходимо отстроить защитные аппараты. Автоматические выключатели было проще отстроить от бросков тока, так как они имеют расцепитель комбинированного действия.
При использовании современных плавких вставок существует возможность предусмотреть меры по индикации их состояния. Современные вставки имеют комбинированный индикатор срабатывания, обеспечивающий возможность местного визуального контроля и дистанционного контроля. При реконструкции старых и строительстве новых энергообъектов для защиты от перегрузок и КЗ используются аппараты комбинированного типа, объединяющие функции предохранителя, выключателя и разъединителя. Кроме того, предохранители не требуют затрат на техническое обслуживание, а к обслуживающему персоналу предъявляются минимальные квалификационные требования. Цена плавких предохранителей намного ниже, чем у автоматических выключателей.
Влияние продольной теплопередачи
Физические процессы, развивающиеся в быстродействующих предохранителях при отключении тока КЗ, несмотря на кажущуюся простоту, отличаются значительной сложностью.
Недостаточный уровень сведений об этих процессах в определенной степени связан с недостаточно эффективной работой аппаратуры, позволяющей анализировать физико-химические и тепломеханические явления, развивающиеся в наполнителе предохранителя при температурах порядка 15-20103 C, давлениях 1-3106Па и длящиеся всего несколько миллисекунд. Тем не менее, исследования, приведенные в [25] пополнили объем сведений о явлении дугогашения. Развитие и гашение дуги целесообразно подразделить на две стадии.
На первой, продолжающейся несколько десятков микросекунд, происходят нагрев, расплавление и испарение перешейков плавкого элемента под воздействием джоулева тепла. Интенсивное охлаждение образовавшихся при этом электрических дуг, обусловленное достаточно высокой степенью уплотнения наполнителя, вызывает рост напряжения и формирование так называемого первичного скачка напряжения.
На второй стадии происходит выгорание широкой части плавкого элемента, которое реализуется через приэлектродные явления, т. е. через непосредственное воздействие дуги на плавкий элемент.
Сложная форма плавкого элемента быстродействующего предохранителя (слева). Конец дугообразования и начала горения дуги в предохранителе (справа) Ввиду образовавшегося в столбе дуги высокого давления основная часть расплавившегося металла широкой части плавкого элемента разбрызгивается в окружающий наполнитель, а меньшая часть его (не более 10 %) испаряется. Спектроскопические исследования позволили выявить ряд интересных особенностей. В частности, спектральные линии Ag I и Si I, II и III можно наблюдать через кварцевый песок в корпусе из пирекса при расплавлении перешейков серебряного плавкого элемента. В результате определения плотности каждого вида указанных частиц установлено, что отношение содержания паров кремния к кислороду равно 1 : 2 в воздухе, а отношение паров серебра к кремнию составляет 1 : 80 в кварцевом песке. Таким образом, дуга горит практически в парах наполнителя и, значит, независимо от материала плавкого элемента. Практически в течение всего периода дугогашения, температура дуги, составляет около 20103 C . Расчетное значение давления дуги находится в пределах 6105 Па и определяется в основном парами наполнителя. На рисунке 2.4 приведена типовая осциллограмма отключения тока КЗ предохранителем. Типовая осциллограмма отключения тока КЗ предохранителем в установке постоянного тока, tp – момент зажигания дуги, tt – момент погасания
Преддуговые процессы, развивающиеся при срабатывании быстродействующих плавких предохранителей, в значительной степени предопределяют характер процессов инициирования и развития дуги. Они существенно влияют также на значение интеграла Джоуля отключения, селективность работы предохранителей и надежность всей системы защиты. В качестве основного количественного параметра, характеризующего преддуговые процессы, используется преддуговой интеграл Джоуля. Часто его также называют защитным преддуговым показателем. Последний теоретически просто определяется для проволочных плавких элементов однородного сечения. Для ленточных плавких элементов со сложной геометрией, характерной для современных быстродействующих предохранителей, методы расчета фактически отсутствуют ввиду необходимости учета ряда сложных и мало изученных факторов.
Основные соотношения были выведены из уравнения теплового баланса в предположении отсутствия теплоотдачи с поверхности плавкого элемента, т. е. при его адиабатическом нагреве. Допускается, что при протекании через предохранитель тока КЗ, имеет место кратковременный процесс нагрева (не более 10 мс), при котором можно пренебречь теплопередачей как с внешней поверхности, так и внутрь предохранителя и считать нагрев адиабатическим с погрешностью около 2%. Указанное допущение эквивалентно рассмотрению адиабатического нагрева проволочного плавкого элемента бесконечно большой длины, когда процессы на концах проводника (его границах) не учитываются. Уравнение теплового баланса для такого плавкого элемента можно записать в виде:
Данное уравнение свидетельствует о том, что преддуговой интеграл Джоуля (интеграл квадрата плотности тока по времени до точки плавления) является постоянной величиной и зависит лишь от удельной теплоемкости с, удельного сопротивления р0 и его температурного коэффициента а и температуры плавления Тп плавкого элемента. Левую часть (2.11) принято называть константой Мейера. Для алюминия, серебра и меди константа Мейера до момента плавления (первый этап) равна 2,83; 5,92 и 8,65 х 104 А2 с/мм4 соответственно. Для второго этапа — от момента достижения температуры плавления до расплавления всего элемента — справедливо выражение:
Вариант с использованием устройства защиты от импульсных перенапряжений
В программе EMTP-RV были получены осциллограммы ограничения перенапряжений, возникающих при отключении КЗ в СОПТ предохранителем в случае отсутствия устройств защиты от перенапряжений и при установке на шинах ЩПТ УЗИП на основе варисторов. Ограничение межполюсных перенапряжений с помощью диодной защиты оказывается неэффективным. Это происходит, ввиду того, что возникающее межфазное перенапряжение создается на индуктивностях вводной цепи и сонаправлено с напряжением АБ, а, следовательно, приложено к диодам в обратном направлении. По этой причине осциллограммы напряжений на полюсах при установке в качестве защитных устройств диодов совпадают с осциллограммами, полученными при отсутствие защитных устройств.
Вариант без использования защиты от перенапряжений Расчетная схема сети СОПТ в программе EMTP-RV представлена на рисунке 3.1. На схеме присутствуют следующие элементы: - Постоянная ЭДС аккумуляторной батареи DC1 (EАБ = 220 В); - Активное сопротивление ветви КЗ, включающее в себя внутреннее сопротивление АБ, сопротивление ввода АБ, сопротивление соединяющих кабелей и проводов R = 44 мОм; - Индуктивное сопротивление ветви КЗ, включающее в себя индуктивность перемычек АБ, вводных кабелей или шин, а также индуктивности соединяющих кабелей и проводов L =44 мкГн; Активные и индуктивные сопротивления ветви КЗ системы постоянного оперативного тока могут варьироваться в различных пределах в зависимости от емкости АБ, нагрузки, и удаленности КЗ от источника, однако постоянная времени данной ветви для СОПТ обычно не превышает 10 мс [27].
Емкость полюсов СОПТ относительно земли C1 = C2 = 5 мкФ (изменяется в зависимости от разветвленности кабельного хозяйства сети, может достигать значения 250 мкФ на полюс, может наблюдаться неравенство емкостей C1 и C2 ); - Сопротивление изоляции полюсов СОПТ относительно земли R1 = R2 = 20 МОм (изменяется в зависимости от разветвленности и состояния изоляции сети, в нормальном режиме работы может достигать значения в 135 кОм на полюс [28], может наблюдаться неравенство сопротивлений R1 и R2 ). - Ключи, инициирующие начало возникновения короткого замыкания SW1 и SW2; - Измерительные вольтметры TV1 и TV2 для измерения напряжения на полюсах ЩПТ и измерительный вольтметр TV3 для измерения межполюсного напряжения; - Измерительный амперметр TA1 для измерения тока в ветви КЗ; - Блок отключения дуги предохранителем типа gG 500 V 40 А Fuse Arc Model в виде черного ящика, описание блока приведено в пункте 2.5 данной работы. В виду того, что в СОПТ предохранители устанавливаются в каждый полюс, на схеме также присутствуют блоки сразу двух предохранителей. Рис. 3.1. Схема замещения элементов типовой СОПТ при моделировании возникновения перенапряжений во время отключения тока КЗ предохранителями.
Без использования защитных устройств (либо с диодной защитой) Полученные осциллограммы тока и напряжения без использования защиты от перенапряжений приведены на рисунке 3.2. Амплитуда напряжения обоих полюсов относительно земли достигла 847 В. Рис. 3.2. Осциллограммы напряжения на полюсах ЩПТ без использования защиты от перенапряжений (либо с диодной защитой) u+ (t) , u- (t) и тока в ветви КЗ i(t) в программе EMTP-RV. при постоянной времени сети t = 1 мс и ожидаемом токе I = 5 кА В случае, если в схеме на рис. 3.1 вместо предохранителей установлены идеальные ключи, срез тока от уровня ic » 3,3 кА (из рис. 3.2) до нуля происходит мгновенно, а, следовательно, перенапряжение в данном случае максимально и определяется по формуле 2.8:
В действительности такой уровень напряжения недостижим из-за ненулевой продолжительности гашения тока защитным аппаратом в цепи.
Вариант с использованием устройства защиты от импульсных перенапряжений Ниже рассмотрен вариант ограничения (режекции) перенапряжения, возникающего при срабатывании предохранителей, с помощью УЗИП. Напряжение срабатывания варисторов, применяемых в СОПТ, составляет 400 -600 В, время срабатывания - менее 25 нс, максимальный импульсный ток - от 2 до 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс. Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в радиоаппаратуру, так и в виде DIN-модуля для установки в силовые щиты.
Вольт-амперная характеристика УЗИП в EMTP-RV моделируется симметричной относительно начала координат кривой, состоящей из нескольких участков (см. рис. 3.3). Характеристика каждого участка, кроме первого,
Начало j-го участка происходит по достижению напряжением значения Vmin j , первый участок проходит через начало координат и имеет форму прямой линии. Встроенная модель в EMTP-RV позволяет также задавать ВАХ УЗИП комбинированного типа, содержащего искровой промежуток путем задания второго набора участков – после пробоя разрядника.
Внешний вид вольт-амперной характеристики УЗИП в EMTP-RV В рассматриваемом примере наличие в УЗИП искрового промежутка не учитывалось, поскольку согласно типовой схеме УЗИП комбинированного типа (см. рис. 1.10) искровой промежуток участвует в режекции только импульсов провод-земля, а при отключении КЗ предохранителями возникает межполюсное перенапряжение. При моделировании варистора была использована ВАХ, состоящая из трех участков. Использованные значения величин p j , qj , Vmin j и Vref приведены в таблице 3.1, сама ВАХ изображена на рисунке 3.5. На рисунке 3.4 изображена схема замещения в EMTP-RV при моделировании ограничения варистором перенапряжения, возникающего при срабатывании предохранителей. УЗИП представлены в схеме элементами ZnO1 и ZnO2. Полученные осциллограммы приведены на рисунке 3.6.
Рекомендации по выбору защиты от перенапряжений
СОПТ должна иметь защиту от коммутационных перенапряжений и импульсных помех, проникающих через распределительную сеть из первичных силовых цепей ПС и контура заземления, и обусловленных работой молниезащиты, коммутационных аппаратов, короткими замыканиями в высоковольтных распределительных устройствах подстанции.
В ЩПТ для защиты от перенапряжений рекомендовано использовать кремниевые диоды, подключаемые через плавкие предохранители между полюсами сборок и землей.
Ток утечки устройства защиты от перенапряжений в течение срока эксплуатации объекта не должен превышать допустимое значение по сопротивлению полюсов сети относительно земли, т.е. устройства защиты от перенапряжений не должны оказывать влияние на работу системы контроля сопротивления изоляции.
Необходимо обеспечить контроль за исправностью устройства защиты от Выбор диодов для цели защиты от перенапряжений в СОПТ производится по максимально допустимому прямому току, ударному прямому току, постоянному обратному напряжению, повторяющемуся импульсному напряжению и интегралу Джоуля.
Максимально допустимый прямой ток диода определяется при заданной температуре корпуса и является предельным током конструкции диода. Достигается этот ток при определенных условиях охлаждения. Это может быть естественное охлаждение на охладителе, принудительное воздушное охлаждение или охлаждение водой, маслом и т.п. В случае использования диода в качестве ограничителя перенапряжения в СОПТ, прямой ток через него проходит исключительно в виде одиночного или серии повторяющихся импульсов, соответственно, при таком режиме работы нет необходимости в использовании охладителя и тем более систем принудительного охлаждения.
Ударный прямой ток IFSM – это максимально допустимое мгновенное значение амплитуды одиночного импульса прямого тока полусинусоидальной формы длительностью 10 мс, причем по окончании импульса тока обратное напряжение к диоду не прикладывается.
В процессе режекции перенапряжений ток, протекающий через диод более 10 мс не должен превышать значение ударного тока:
Повторяющееся импульсное напряжение URRM (напряжение класса), включающее все наибольшие мгновенные значения обратного напряжения, повторяющиеся с рабочей частотой. Поскольку в СОПТ в нормальном режиме диоды подключены в противофазе к аккумуляторной батарее на постоянное напряжение 220 В, данный параметр не является определяющим при выборе диода.
Неповторяющееся импульсное напряжение URSM - наибольшее допустимое мгновенное значение напряжения, прикладываемого к диоду однократно или с частотой ниже рабочей. Для надежной работы диодов рекомендуется прикладывать рабочее импульсное напряжение URWM не более 80 % от напряжения класса (URWM 0,8 URRM). При возможных импульсах перенапряжений с амплитудой 2,7 кВ (см. пункт. 3.4.3) на каждый полюс придется амплитуда порядка 1,4 кВ, что дает значение URRM порядка 1,4 / 0,8 = 1,75 кВ. Таким образом, рекомендовано выбирать диоды с классом по обратному восстанавливающемуся напряжению не ниже 18.
К выпрямительным диодам прямой и обратной полярности не разрешается прикладывать, даже кратковременно, обратное напряжение больше допустимого неповторяющегося обратного напряжения URSM, так как выпрямительные диоды не предназначены для работы в области пробоя электронно-дырочного перехода. Для рассматриваемых силовых диодов неповторяющееся обратное напряжение, как правило превышает на 100 В напряжение класса и, например, для класса 18 составляет 1900 В.
Для лавинных диодов дополнительно приводится значение обратного напряжения UBR, определяющее начало лавинного пробоя диода. Лавинные диоды могут рассеивать в течение ограниченного времени (порядка 100 мкс) импульс допустимой мощности обратных потерь в области лавинного пробоя RSM Интеграл Джоуля тока, проходящего через силовые диоды в процессе режекции перенапряжений не должен превышать допустимого интеграла Джоуля диодов (защитного показателя):
Джоуля может достигать 0,15 кА2с. Такому значению защитного показателя соответствуют диоды со средним прямым током не ниже 200 А.
Таким образом, к установке в СОПТ рекомендованы следующие марки выпрямительных диодов, предназначенных для применения в электротехнических и радиоэлектронных устройствах в цепях постоянного и переменного тока частотой до 500 Гц: Д161-200, Д161-250, Д161-320. Это диоды прямой полярности, при этом анодом диодов является медное основание, катодом - гибкий вывод.
Несмотря на то, что отечественные низкочастотные диоды серий Д1ХХ имеют хорошо отработанную технологию, достаточно надежны и сравнительно недороги, автором был проведен анализ зарубежных аналогов указанных диодов. Были найдены схожие по характеристикам диоды: SKN 240/18 (SEMIKRON International GmbH, Германия), SW18PHN30 (Westcode semiconductors, Великобритания), R7001803 (Powerex, Франция), рекомендованные к установке в СОПТ.
