автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Электромагнитная совместимость сетей 0,4 кВ и технических средств до 10 кВ

На правах рукописи

ы

МИТЮГИН Александр Андреевич

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

Специальность 05.14.12 - Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ДЕК 2012

Санкт-Петербург - 2012

005056691

005056691

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Яковлев Валерий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Фоминич Эдуард Николаевич;

кандидат технических наук, доцент Колычев Александр Валерьевич.

Ведущая организация - 23 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ филиал открытого акционерного общества 31 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ СПЕЦИАЛЬНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

диссертационного „ , ________ , _ ___ЗУ ВПО «Санкт-

Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт - Петербург, ул. Политехническая, д. 29, ¡уу корпус, ауд. У/ $ . I

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « ^ » 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.1 ]

Защита состоится

часов на заседании

кандидат технических наук, доцент

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В связи с широким внедрением в эксплуатацию микропроцессорных блоков управления и автоматики на стороне 6 (10) кВ возникает проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) таких технических средств (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. В условиях жёсткой ЭМО в электроэнергетике ТС подвергаются воздействию перенапряжений не менее 1 -2-х раз в неделю, при этом сбои в работе функциональной логики могут происходить уже при трёхкратном перенапряжении. Возникающие перенапряжения (электромагнитные помехи (ЭМП)) имеют весьма разнообразные параметры, что обусловлено наличием большого числа потенциальных источников помех с различными условиями их возникновения. Поэтому для повышения помехоустойчивости ТС целесообразным становится исследование влияния перенапряжений конкретного вида в условиях реальной ЭМО.

Импульсные источники питания (ИИП) цепей управления силовыми выключателями на высокой стороне 6(10) кВ подключаются от щита собственных нужд распределительного устройства 0,4 кВ, что способствует прониканию перенапряжений из сети питания к чувствительным электронным элементам на стороне 6(10) кВ.

Короткие замыкания на стороне 0,4 кВ создают высоковольтные перенапряжения, влияющие на работу импульсных источников питания.

Исследование отключения коротких замыканий требует проведения многократных режимов КЗ в действующей электрической сети, что крайне нежелательно. В настоящее время метод оценки помехоустойчивости ТС на воздействие к реальным коммутационным перенапряжениям, вызванных отключением КЗ, отсутствует. Обеспечить безотказную работу ТС можно, если проводить испытания с параметрами воздействия, соответствующими реальным перенапряжениям. Поэтому для проведения исследований на помехоустойчивость ТС необходима разработка имитационного оборудования, способного многократно и безаварийно создавать перенапряження, соответствующие реальным коммутационным процессам, возникающим в электрической сети 0,4 кВ при отключении КЗ.

Для оценки помехоустойчивости ТС существует нормативная документация, которая ориентируется на «идеализированную» ЭМО. Так, помехоустойчивость микропроцессорных устройств защиты и автоматики от коммутационных импульсных перенапряжений при КЗ проверяется воздействием микросекундных импульсных помех большой энергии с конкретной формой импульса 1/50 мкс. При возникновении тока короткого замыкания современные коммутационные аппараты практически мгновенно отключают аварийный участок сети, и тем самым создают коммутационные перенапряжения. 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 на основе только существующей нормативной документации становится невозможным обеспечить помехоустойчивость блоков с микропроцессорами на высокой стороне.

На основании изученных параметров перенапряжений можно разрабатывать методы защиты, выбирать элементную базу помехоподавляющих фильтров ТС, 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.

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.

При выполнении расчётов коммутационных процессов предполагается, что дуга гаснет в момент прохождения тока через нулевое значение, не учитываются процессы при зажигании электрической дуги. В действительности, коммутационный процесс отключения КЗ создаёт комбинацию помех, возникающих как в момент зажигания электрической 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. Поэтому требования и методы испытаний, установленные в стандартах для проверки функционирования ТС, не могут охватывать возникновение всех возможных случаев воздействия перенапряжений при эксплуатации ТС в жёсткой электромагнитной обстановке. Таким образом, безотказное функционирование современных ТС не может быть реализовано лишь при использовании импульсных генераторов, определённых действующими нормативными документами.

На основании вышеизложенного формируется цель работы : разработка методов и средств оценки помехоустойчивости технических средств в том числе и на высокой стороне при условии воздействия реальных перенапряжений, вызванных отключением коротких замыканий в системе электроснабжения 0,4 кВ.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

оценка известных методов определения перенапряжений на коммутационном аппарате при отключении КЗ;

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

- разработка упрощенной методики для расчёта перенапряжений при отключении КЗ;

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

разработка методики в среде 81МиЬШК для исследования перенапряжений с учётом процессов в контактном промежутке;

- исследование перенапряжений при отключении КЗ в действующих сетях;

- разработка и создание установки, предназначенной для имитации и исследования перенапряжений при отключении 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 81МиП!ЧК математического пакета МаЛаЬ, расчёт в программе МаШСАЭ, 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 исследования 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, соответствующим 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 отключении КЗ.

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

8. Установлена 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. Получена эмпирическая формула для описания перенапряжения при образовании дуги.

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

11. 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 2010года, г. Санкт - Петербург.

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

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, из них одна работа в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа выполнена на 173 страницах основного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, 115 рисунков, 27 таблиц, списка использованных источников, который содержит 115 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены объект, предмет, цель, задачи и методы исследования, раскрыты научная новизна и практическая ценность результатов исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена рассмотрению физических процессов на контактах коммутационных аппаратов при их разведении. Выделены два наиболее существенных перенапряжения - а именно при зажигании электрической дуги между контактами коммутационного аппарата и после её погасания. Показано, что характер этих перенапряжений определяется различными условиями их возникновения. Перенапряжение при зажигании электрической дуги между контактами коммутационного аппарата определяется "взрывной" электронной эмиссией. Перенапряжение после погасания дуги определяется параметрами электрической сети. Обосновано, что для анализа перенапряжений при зажигании дуги необходимо выполнять экспериментальные исследования, а для анализа перенапряжений после погасания дуги возможно производить расчёты переходных процессов характерных для конкретных электрических схем.

Выполнен анализ существующих методов исследования напряжения на

коммутационном аппарате при отключении КЗ.

Отмечены следующие недостатки существующих методов, касающихся: оценки параметров моделируемой сети, необходимости снятия напряжения и отключения всех электроприемников, невозможности проведения многократных опытов КЗ в действующей сети, рассмотрения коммутационных процессов между контактами.

Сделан вывод о необходимости разработки имитационного оборудования, способного многократно и безаварийно для системы электроснабжения воспроизводить перенапряжения, характерные для отключения КЗ в различных системах электроснабжения.

Рассмотрены случаи перехода перенапряжений в системе 6 (10) / 0,4 кВ со стороны одного класса напряжения на сторону другого класса.

Приняты основные допущения для расчета отключения коротких замыканий в электрических сетях.

Во второй главе представлена методика расчёта перенапряжений при отключении КЗ с различными начальными данными. Рассмотрены процессы отключения КЗ и возникновения перенапряжений с обрывом тока при значениях, отличных от нулевых значений. Электрическая схема для выполнения приведена на рисунке 1.

ис.Д)

-и;

Рисунок 1 - Электрическая схема для расчета перенапряжений при отключении КЗ

где:

¿,;С,;Л| - параметры электрической сети до коммутационного аппарата, ¿2;С2;й,- параметры сети после коммутационного аппарата.

Выполненный расчет показал, что основными причинами возникновения перенапряжений являются: значения индуктивностей как Ь|, так и Ь2 отключаемых участков сети, уменьшение суммарной ёмкости как всей системы в целом С|, так и соответственно ёмкости С2 отключаемого участка, значение тока «среза». Перенапряжение при отключении КЗ имеет резко отличающийся частотный спектр, что обусловлено наличием двух контуров, разделяемых коммутационным аппаратом. Перенапряжения для рассматриваемых случаев имеют высокочастотный характер. Показано, что при токе «среза» в 20 А в электрической сети возникают перенапряжения более 4,0 кВ. Такое значение перенапряжений значительно превосходит значение, при котором происходит нарушение работы функциональной логики.

Выполнен различными способами теоретический анализ перехода перенапряжений со стороны 0,4 кВ на сторону 6 (10) кВ. Показано, что приоритетным путем передачи перенапряжений при отключении КЗ является электрическая передача.

В третьей главе приводятся результаты моделирования перенапряжений при отключении КЗ с использованием компьютерного пакета 81М1ЛЛ1ЧК. Изучено протекание переходных процессов, характерных для различных электрических сетей при отключении токов КЗ, с учетом нелинейных параметров электрической дуги между контактами. В частности, рассмотрено возникновение перенапряжений в сетях с различным соединением вторичных обмоток силовых трансформаторов ("звезда - звезда с нулем" и "треугольник - зигзаг с нулем"), различными значениями тока погасания дуги (1А и 20 А), различной емкостью, сосредоточенной на шинах трансформаторной подстанции.

Исследование перенапряжений при отключении КЗ путем подключения блока нелинейного ограничителя перенапряжений показало, что амплитуда перенапряжений при этом уменьшается до допустимых пределов. За допустимый предел принято значение менее 0,66 кВ, не приводящее к сбою в работе системной логики микропроцессорного устройства.

Изучены схемные мероприятия для ограничения амплитуд перенапряжений:

- до коммутационного аппарата, путем использования силового трансформатора с соединением обмоток "треугольник - зигзаг с нулем".

- за коммутационным аппаратом, путем установки на отходящие линии от распределительного щита емкости величиной ЗОнФ.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям перенапряжений при отключении КЗ в действующей электрической сети и исследованиям перенапряжений, получаемых с помощью разработанной и сконструированной имитационной установки.

Для исследования перенапряжений в электрической сети разработана схема регистрации перенапряжений, которая приведена на рисунке 2. На рисунке 3 показан общий вид экспериментального стенда действующей электрической сети.

Рисунок 2 - Схема регистрации перенапряжений в действующей электрической сети при отключении КЗ

имитатор

Рисунок 3 - Экспериментальный стенд для регистрации перенапряжений в действующей электрической сети

На рисунке 3: 1 - экспериментальный щит; 2 - силовой распределительный щит; 3 - регистратор переходных процессов; 4 - ПК.

На рисунке 4 показана характерная осциллограмма перенапряжения на коммутационном аппарате при отключении короткого замыкания в

электрической сети.

а)

б>

©

->

—|Й:

| Щ

в)

О

1.06 МГц

0,8

'-< ад

0.3

-111 ; ¡¡I

кв ©

800мкс,

г

V процесс горения электрической дуги

1

«В

©

41.6 кГц

Г

I

24мкс

(

Рисунок 4 - Осциллограммы перенапряжений при отключении КЗ: а) регистрация импульсов перенапряжения на коммутационном аппарате (масштаб 24мс); б) тот же процесс (масштаб времени 800 мкс/деление); в) перенапряжение при образовании дуги (масштаб времени 3,7 мкс/деление); г) перенапряжение при погасании дуги (масштаб времени 94мкс/деление).

Сделан вывод о том, что основная часть перенапряжений возникает в начальный момент разведения контактов при зажигании дуги и в момент ее погасания.

Принципиальная схема и фото изготовленной имитационной установки представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема и фото имитационной установки

На рисунке 5 цифрами показаны следующие элементы: 1— разделительный трансформатор; 2 - коммутационный аппарат для отключения КЗ; 3 - магнитный пускатель; 4 - магазин емкостей с переключателем; 5 -трансформатор тока; 6 -модуль быстродействующего аналого-цифрового преобразования (АЦП Ь-Сагс1 Е20-10); 7 - блок подготовки выполнения КЗ.

Короткое замыкание за разделительным трансформатором (1) создается с помощью управляемого магнитного пускателя (3), отключение производится коммутационным аппаратом (характеристика С6А). При выполнении отключения возникают переходные процессы, характерные для режима отключения КЗ в электрической сети.

На рисунке 6 показана характерная осциллограмма перенапряжения на имитационной установке.

а)

кВ

6 4 2 О -2 -4

I

6: 4 2 О -2 -4

б)

©

, 24мс

4

2 О -2

кВ

©

,800мкс

V

процесс горения электрической дуги

В)

1,кВ

©1,05 МГц

- расчет з/икс

эксперимент

1.5 1.0 0.5

Г)

Щ'кВ

о

0,91 мкс

-0.5 -1,0

4-1.5

^ 0.5 МГц

Я А Расчет

4мкс

1

Рисунок 6 - Осциллограммы перенапряжений на имитационной установке: а) регистрация импульсов перенапряжения на коммутационном аппарате (масштаб 24мс); б) тот же процесс (масштаб времени 800 мкс/деление); в) перенапряжение при образовании дуги (масштаб времени 3,7 мкс/деление); г) перенапряжение при погасании дуги (масштаб времени 4мкс/деление).

Установлено, что перенапряжение, возникающее после погасания дуги, зависит от параметров Ь и С электрической сети, а перенапряжение, возникающее при зажигании электрической дуги, от параметров подключенной емкости не зависит.

Показано, что параметры перенапряжений, получаемых на имитационной установке (рисунок 6), идентичны параметрам перенапряжений (рисунок 4) в электрической сети при отключении КЗ. Так перенапряжение при зажигании дуги на рисунке 4 имеет амплитуду 5,35 кВ, частоту 1,06 МГЦ, а перенапряжение на рисунке 6 - 5,12 кВ и частоту 1,09 МГц.

Перенапряжение после погасания дуги в данной реальной системе электроснабжения имеет амплитуду 490 В и частоту 41,6 кГц. Это перенапряжение зависит от параметров системы электроснабжения. На имитационной установке частоту перенапряжения после погасания дуги можно изменять в широких пределах 6,2 кГц - 1,4 МГц путем изменения подключаемых емкостей, получая, таким образом, перенапряжения

характерные для различных электрических сетей. Погрешность выполненных измерений с доверительной вероятностью 0,95 составляет не более 15%. Имитационная установка не создает аварийный режим для электрической сети.

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 - 5.56 кВ с доверительной вероятностью Р=0,95. При этом отмечается, что скорость нарастания напряжения в этом случае при фронте в 0,5 мкс составляет более 10,0 кВ/мкс.

— установить эмпирическое выражение для расчёта перенапряжений:

Unep = 5,08 ■ ex,swU sin ( 6,75 106í)kB

— определить, что с доверительной вероятностью 0,95, значение тока при котором происходит погасание электрической дуги, равным 2.1 - 2.7 А, с доверительной вероятностью 0,95. Таким образом, на основе параметров размыкаемых контуров можно определять амплитуды перенапряжений после погасания дуги.

Выполненные экспериментальные исследования по ограничению перенапряжений с помощью сетевого фильтра с помехоподавляющей цепочкой, выполненной по схеме - последовательное соединение варистора и разрядника, показали недостаточную эффективность подавления помехи.

Показано, что амплитуды перенапряжений при отключении аварийных режимов более, чем в три раза превышают амплитуды перенапряжений при нормальной эксплуатации ТС.

Установка ОПН со временем срабатывания менее 25 нС снижает амплитуды коммутационных перенапряжений до значений 445 -465 В (1,43-1,5-Uh), что хорошо согласуется с результатами компьютерного моделирования.

Анализ существующих стандартизированных импульсов напряжения, рекомендуемых для оценки помехоустойчивости технических средств, и зарегистрированного перенапряжения при зажигании электрической дуги позволил сделать вывод о том, что стандартизированные и зарегистрированные импульсы существенно отличаются друг от друга. В результате, в условиях эксплуатации технические средства подвергаются перенапряжениям, отличным от регламентированных импульсов напряжения. Таким образом, для обеспечения гарантийной работы технических средств в условиях реальной электромагнитной обстановки становится недостаточным опираться только на нормативные документы.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию проникновения перенапряжений, характерных для режима отключения тока короткого замыкания, во вторичные цепи импульсных источников питания. Для сравнения эксперименты выполнены для двух вариантов импульсных

источников питания, приведенных на рисунке 7. Эксперименты по проникновению перенапряжений выполнены для случая перенапряжений как в электрической сети, так и полученных от созданной имитационной установки. Разработанные схемы проведения экспериментов приведены на рисунках 8, 9 соответственно.

Рисунок 7 - Экспериментальные импульсные источники питания

Рисунок 8 - Схема эксперимента в действующей системе электроснабжения

имитационная установка

Перенапряжение

источник бесперебойного питания

АЦП Е20-10 (10МГц)

Цех

4

НИЛ №1

Цвых (±5В)

ПИП ш

ивых(±5В)

канал 1 4-

канат 2 -V-

канал 3

Компьютер

Рисунок 9 - Схема для проведения эксперимента с использованием имитационной установки

В результате проведенных экспериментальных исследований выявлена идентичность влияния перенапряжений при отключении КЗ и перенапряжений, получаемых с помощью имитационной установки, на работу импульсных источников питания. Параметры зарегистрированных ЭМП во вторичном напряжении импульсных источников питания приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры ЭМП во вторичном напряжении импульсных источников _ питания при воздействии перенапряжений_

перенапряжение на вводных клеммах ИИП

при отключении КЗ - 2,12кВ от имитационной установки - 2,015кВ

фронт, мкс иглах, в \Vmax, мкДж \У1Шх2/\\'1Ш1\ 1 фронт, мкс 1_1тах, в \Vmax. мкДж \Vmax2AVmax 1

параметры ЭМП во вторичном напряженни ИИП №1 -0,5 5,65 3,71 2,01 ~0,5 5,27 3.3 2,05

ИИП №2 11,71 7,44 11,01 6.75

При воздействии на импульсные источники питания рассматриваемых перенапряжений показано наличие в их вторичном напряжении ЭМП с энергией, при которой происходит нарушение нормального функционирования микроэлементов. Определено, что в эти элементы входят: маломощные переключательные диоды, микроволновые диоды, маломощные транзисторы и интегральные микросхемы, что приводит к снижению помехоустойчивости ТС в целом.

Показано, что установка ограничителя перенапряжений (ОПН) приводит к уменьшению на вводных клеммах импульсных источников питания амплитуды перенапряжений до значений в 0,485 кВ.

Однако и в этом случае энергия ЭМП во вторичном напряжении ИИП превосходит значение, при котором микроэлементы способны нормально функционировать, а амплитуда ЭМП превосходит порог срабатывания 0,2ин.

Сравнение полученных в работе результатов с результатами экспериментальных исследований импульсных источников питания под влиянием стандартных ЭМП, показало, что параметры ЭМП во вторичных напряжениях импульсных источников питания при этом имеют существенные отличия. Так при подаче на вводные клеммы ИИП импульса напряжения 1/50 мкс амплитудой 2,0 кВ, применяемого для имитации режима КЗ, в его вторичном напряжении регистрировались ЭМП с энергией около 1,08 ТО8 Дж.

В действительности отключение КЗ в системе электроснабжения приводит к появлению на выходе импульсного источника питания помехи со средней энергией единичного импульса 7,44-10"6 Дж, что практически в 700 раз больше. Отсюда следует, что регламентированных испытаний недостаточно для обеспечения помехоустойчивости ТС в условиях реальной жёсткой ЭМО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оценка помехоустойчивости технических средств в условиях реальной электромагнитной обстановки на промышленных предприятиях — важная задача современной электроэнергетики. Генераторы с регламентированными импульсами, применяемые для оценки помехоустойчивости ТС, не могут охватить все возможные ситуации возникновения перенапряжений в системах электроснабжения, способных негативно влиять на работу технических средств.

Эффективное исследование помехоустойчивости технических средств становится реальным при использовании разработанной имитационной установки, которая может безаварийно и многократно создавать перенапряжения, соответствующие процессам при отключении аварийных режимов в электрической сети.

Наиболее существенные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Показана возможность возникновения перенапряжений при отключении КЗ амплитудой более 5,0 кВ и частотой 1,06-1,09 МГц, имеющих затухающий характер. Таким образом, в условиях эксплуатации технические средства на высокой стороне подвергаются перенапряжениям, отличным от регламентированных импульсов напряжения, рекомендуемых нормативными документами. Это позволяет сделать вывод о недостаточности испытаний помехоустойчивости для гарантии работы технических средств в условиях реальной жёсткой ЭМО.

2. Разработана, изготовлена и внедрена имитационная установка для создания перенапряжений, соответствующих процессам при отключении КЗ в электрической сети 0,4 кВ. Имитационная установка позволяет безаварийно проводить испытания на помехоустойчивость технических средств под воздействием перенапряжений, соответствующих отключению КЗ в электрической сети. Стоимость установки на порядок меньше выпускаемых в настоящее время регламентированных испытательных генераторов.

3. Показано, что в процессе отключения КЗ возникают перенапряжения:

а) при образовании электрической дуги, что обусловлено «взрывом» мостика из жидкого металла. Перенапряжение имеет колебательный затухающий характер с амплитудой первого импульса 4,6 - 5,56 кВ, частотой 1,06 - 1,09 МГц, с доверительной вероятностью измерений Р = 0.95 и описывается обобщенной эмпирической формулой

Um,p = 5,08 ■ е'3'15105' sin ( 6,75 • 10f'í) кВ.

б) при погасании дуги. Перенапряжение зависит от параметров размыкаемых конкретных участков цепи и от величины «среза» тока.

4. С доверительной вероятностью измерений 0,95 экспериментально установлено значение тока погасания электрической дуги при отключении КЗ в пределах 2,1-2,7 А. Предложен расчётный способ обоснования появления

перенапряжений на основе параметров размыкаемых контуров.

5. Определено существенное отличие (до 700 раз) энергии ЭМП во вторичном напряжении импульсных источников при воздействии регламентированным импульсом и реальными перенапряжениями. Так, тестирование импульсных источников регламентированным импульсом 1/50 мкс амплитудой 2,0 кВ и реальными перенапряжениями приводит к появлению в его вторичном напряжении значений энергии ЭМП, равных 1,08-10"8 Дж и 7,44-10"6 Дж соответственно.

6. Показано, что при использовании дополнительных средств помехоподавления (сетевой фильтр, ОПН), энергия ЭМП во вторичных напряжениях импульсных источников питания превосходит энергию, необходимую для разрушения или деградации чувствительных микроэлементов, а амплитуда ЭМП превосходит порог срабатывания микросхем 0,2-Uh.

7. Для уменьшения амплитуд перенапряжений при отключении КЗ предложено:

установка высоко нелинейных варисторов со временем срабатывания менее 25 не;

- установка электрической ёмкости 30 нФ на отходящие линии от распределительных щитов;

использование силовых трансформаторов подстанций с соединением вторичных обмоток по схеме «зигзаг с нулем», что приводит к уменьшению амплитуды перенапряжения в 1,84 раза при прочих равных условиях.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Митюгин, A.A. Исследование высоковольтных электромагнитных помех в электрической сети при отключении тока короткого замыкания / A.A. Митюгин, В.И. Яковлев // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2012. -№1(142).-С. 103- 107.

Публикации в сборниках трудов Международных конференций:

2. Митюгин, A.A. Модель для проверки защитных мер в однофазной сети / A.A. Митюгин, В.И. Яковлев // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно - практической конференции. 4.II. - СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. С. 3 - 4.

3. Митюгин, A.A. Исследование электромагнитных помех, возникающих в электрических сетях низкого напряжения при отключении токов короткого замыкания / A.A. Митюгин, П.И. Моисеенков, Д.Р. Владимиров // Электроэнергетика глазами молодежи: научные труды международной научно

- технической конференции: сборник статей. - Самара: Изд-во СамГТУ, 2011.

- Т.2. - С. 265 - 268.

Публикации в сборниках научных трудов и докладов:

4. Митюгин, A.A. Разработка модели электрической сети низкого напряжения в программе MatLab для спектрального анализа помех,

возникающих в аварийных режимах систем электроснабжения / A.A. Митюгин, П.И. Моисеенков, Д.Р. Владимиров // Научные проблемы специальных и фортификационных комплексов, обустройства войск, управления производственной деятельностью строительных предприятий, материально -технического обеспечения ВС РФ и социологии образования в вузах МО РФ: сб. науч. трудов. - СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. Вып. 10. - С. 257 - 265.

5. Митюгин, A.A. Влияние несимметричных режимов функционирования электроприемников на работу трансформаторов 10/0.4 кВ с различными схемами соединения обмоток / П.И. Моисеенков, Д.Р. Владимиров, A.A. Митюгин // Научные проблемы специальных и фортификационных комплексов, обустройства войск, управления производственной деятельностью строительных предприятий, материально - технического обеспечения ВС РФ и социологии образования в вузах МО РФ: сб. науч. трудов. - СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. Вып. 10. - С. 266 - 278.

6. Митюгин, A.A. Современные способы подавления гармоник тока в системах электроснабжения / П.И. Моисеенков, Д.Р. Владимиров, A.A. Митюгин // Научные проблемы специальных и фортификационных комплексов, обустройства войск, управления производственной деятельностью строительных предприятий, материально - технического обеспечения ВС РФ и социологии образования в вузах МО РФ: сб. науч. трудов. - СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. Вып. 10. - С. 279 - 294.

7. Митюгин, A.A. Экспериментальное исследование параметров отключения тока однофазного короткого замыкания на автоматических выключателях в действующих сетях низкого напряжения и их действие на измерительные каналы оборудования / A.A. Митюгин, П.И. Моисеенков, Д.Р. Владимиров // Научные проблемы специальных и фортификационных комплексов, обустройства войск, управления производственной деятельностью строительных предприятий, материально - технического обеспечения ВС РФ и социологии образования в вузах МО РФ: сб. науч. трудов. - СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. Вып. 10. - С. 295-299.

Подписано в печать 30.10.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 9897Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

1.1 Физические процессы при размыкании контактов коммутационного аппарата.

1.1.1 При образовании дуги.

1.1.2 При погасании дуги.

1.2 Перенапряжения в системе электроснабжения 6(10)/0,4 кВ.

1.3 Обзор и оценка методов исследования перенапряжений на контактах коммутационного аппарата.

1.4 Основные допущения при анализе.

1.5 Выводы и постановка задач диссертации.

ГЛАВА 2. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

2.1 Короткие замыкания в системе электроснабжения.

2.2 Переход перенапряжений со стороны 0,4 кВ на сторону 6 (10) кВ силового трансформатора.

2.2.1 Электрическая передача импульсных перенапряжений.

2.3 Выводы.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТКЛЮЧЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СРЕДЕ БШГЦЬШК.

3.1 Разработка модели системы электроснабжения.

3.2 Анализ процессов в различных системах электроснабжения.

3.3 Разработка комплексных мероприятий по ограничению перенапряжений.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ КОРОТКОГО

ЗАМЫКАНИЯ.

4.1 Разработка методики исследования в действующей системе электроснабжения.

4.2 Разработка установки для имитации перенапряжений в электрической сети.

4.3 Анализ параметров перенапряжений.

4.3.1 При образовании дуги.

4.3.2 При погасании дуги.

4.4 Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных.

4.5 Оценка фильтра.

4.6 Коммутационные перенапряжения и их ограничение

4.7 Выводы.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОНИКНОВЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

ЧЕРЕЗ ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ.

5.1 Пути проникновения перенапряжений и определение энергии помех во вторичном напряжении импульсных источников.

5.2 Проникновение перенапряжений во вторичное напряжение импульсного источника.

5.2.1 При коротком замыкании в сети.

5.2.2 При имитационном моделировании.

5.3 Выводы.

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 трансформатор; ИИП - импульсный источник питания; ИС - измеряемые сигналы; УВВ - устройство ввода - вывода; ПВ -привод выключателя 6(10) кВ; ЩСН - щит собственных нужд; МУ -микропроцессорное устройство; ДУ - 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 2010года, 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 -465В (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.

1.1 Пути проникновения перенапряжений и определение энергии помех во вторичном напряжении импульсных источников

2. Хреооразов атель в постоянное напряжение1>нльтр — Генератор1. ИМПУЛЬСОВ1. Трансформатор

3. Ipeoopa зов а те ль в постоянноенапряжениеО

4. Корпус импульсного нсто^шика питаниясблок центрального процессора в составе ТС управления и автоматикитехнического 1 сбой работы системной логики |средства2. деградация микроэлементов .

5. Рисунок 5.1 Основные пути проникновения электромагнитных помех к элементам технических средств 66.

6. Рисунок 5.3 Импульсный источник питания №2

7. Рисунок 5.2 Импульсный источник питания № 1

8. Рисунок 5.4 Принципиальная схема проведения эксперимента при воздействии стандартных импульсов от ИГ МИП

9. Для регистрации был выбран осциллограф "Tektronix TDS2022B" (полоса пропускания 200МГц).

10. Рисунок 5.5 Осциллограмма вторичного напряжения ±5,12В ИИП привоздействии импульса 500В 10.1. Comiipluis1. AC1. BW Limit1. Oil20MHz1. Volts Div 5V1. Probe lx1.vert of

11. Рисунок 5.6 Осциллограмма вторичного напряжения ±5,12В ИИП привоздействии импульса 1000В 10.1. Couinpluia1. АС1. BW Limiton 20 MHz1. Volts Div 5V1. Probe lx1.vert of

12. Рисунок 5.7 Осциллограмма вторичного напряжения ±5,12В ИИП привоздействии импульса 2000В 10.