автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка рекомендаций по защите систем оперативного постоянного тока от перенапряжений

На правах рукописи

Тпмонин Илья Александрович

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЗАЩИТЕ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические

системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЗП ЯНВ 2014

005544680

Москва 2014

005544680

Работа выполнена на кафедре электрических станций Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель: Гусев Юрий Павлович,

кандидат технических наук, доцент зав. кафедрой «Электрические станции» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты: Челазнов Александр Алексеевич,

доктор технических наук, Зам. руководителя департамента перспективных проектов по электросетевым технологиям Объединенной энергетической компании ОАО «ОЭК»

Наумов Владимир Александрович

Кандидат технических наук,

Директор по развитию ООО «НЛП «ЭКРА»

Ведущая организация: ООО «НПФ ЭЛНАП», г. Москва

Защита состоится 21 марта 2014 г. в 1330 часов в аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального. образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы и замечания на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « января 2014 г.

Председатель диссертационного совета Д 212.157.03 доктор технических наук, профессор

В.В. Жуков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 оптативного 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 ЕМТР-ЯУ, натурных экспериментов на учебной исследовательской установке постоянного тока фирмы (7Шог кафедры «Электрические станцию).

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 полуспада и энергию.

- проведено исследование эффективности защита СОГГГ 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 ЕМТР-КУ 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 ЮС» СТО 5694700729.120.40.041-2010 «Системы оперативного постоянного тока подстанций. Технические требования» и его изменений от 14.12.2012 г.

Положения, выносимые на защиту:

1. математическая модель СОПТ для исследования электромагнитных переходных процессов, соцровождающихся перенапряжениями. с отключающими защитными аппаратами, силовыми диодами и варисторами;

2. 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 различивши 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, научная новизна, формулируется цель и основные задачи исследований, описывается реализация и внедрение результатов работы, дается краткое содержание глав работы.

В первой главе «Устройства защиты от перенапряжений в системах оперативного постоянного тока» приведен обзор публикаций, описаны типовые схемы и состав потребителей, охарактеризована электромагнитная обстановка в СОПТ. Рассмотрены причины возникновения перенапряжений в СОПТ, влияющие факторы, особенности коммутаций на постоянном токе, перечислены основные способы защиты: схемные решения, применение выпрямительных диодов, устройств защиты от импульсных перенапряжений на основе варисторов и разрядников. Приведены технические характеристики защитных устройств и сведены для удобства сравнения в общую таблицу характеристик (табл. 1).

Таблица 1

Сравнение устройств защит СОПТ от перенапряжений_

Наименование параметра Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) Диод

ограничивающего типа (металл-оксидные варисторы) комбинированного типа (варистор с искровым промежутком)

Рассеиваемая энергия 20 кА при 1 мс - для класса I 20 кА при 20 мкс - класс П 10 кА при 20 мкс - класс Ш согласно ГОСТ Р 51992-2002 6,3 кА при импульсе Юме (для Д161-200)

Время открытия 25 не единицы не единицы не

Диапазон эффективного ограничения, В от максимального длительного рабочего напряжения 1/с = ином от 0,7-1,0 В

Уровень защиты (напряжение среза) 2-М- кВ - для класса I >1 кВ - для класса П >0,6 кВ - для класса Ш Uyte - 220 В

Деградация характеристики присутствует отсутствует отсутствует

Цена от 25 $ до 50$ до 50$

Показано, что перенапряжения могут вызывать отказы и ложные срабатывания РЗ. До 10% случаев ложной работы устройств РЗ происходит по причине нарушения ЭМС на стороне СОПТ. Показана опасность

перенапряжений различных видов в установках постоянного тока, выявлена необходимость исследований в области ограничения таких перенапряжений.

Во второй главе «Математическое моделирование системы оперативного постоянного тока для исследования межполюсных коммутационных перенапряжений, вызываемых срабатыванием плавких предохранителей при отключении коротких замыканий» разработана математическая модель для исследования электромагнитных переходных процессов, сопровождающихся перенапряжениями при отключении КЗ плавкими предохранителями, реализованная в среде ЕМТР-КУ и МаЛсаё.

Второе уравнение Кирхгофа для сети, состоящей из источника напряжения Е, сопротивления Я, индуктивности Ь и коммутационного аппарата с напряжением на дуге £/а имеет вид:

Е = + (1)

ш

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. В качестве основного количественного параметра, характеризующего преддуговые процессы, используется предцуговой интеграл Джоуля.

Для проволочного плавкого элемента предохранителя для преддугового нагрева справедливо уравнение:

12г = См-8\ (2)

где I, Г ■— ток [А] и время [с] плавления плавкого элемента; 5 — сечение плавкого элемента [мм2]; См — константа Мейера [А2 ■ с/мм4 ].

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 с погрешностью примерно 2% нагрев адиабатическим.

Уравнение теплового баланса для такого плавкого элемента в преобразованном в виде:

—1па+«ги)=[/2(ол, (з)

где с - удельная теплоемкость [Дж/°С-м3], р0 - удельное сопротивление [ОМ'М], а - температурный коэффициент [1/°С], Тп -температура плавления плавкого элемента [°С], 1- предцуговой

инте1рал Джоуля [А2 ■ с/мм4 ]. 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 Т„ плавкого элемента. Левую часть уравнения принято называть константой Мейера. Для алюминия, серебра и меди константа Мейера до момента плавления (первый этап) равна 2,83; 5,92 и 8,65 • 104 А2 ■ с/мм4 соответственно.

Для второго этапа — от момента достижения температуры плавления до расплавления всего элемента — справедливо выражение:

где (3 — скрытая теплота плавления на единицу объема [Дж/м3 ]; р], р2 — удельное сопротивление материала плавкого элемента в твердом и жидком состоянии [ Ом • м ].

Третий этап процесса нагрева, завершающийся испарением, описывается выражением, аналогичным тому, что было записано для первого этапа. При возникновении короткого замыкания в момент времени t = 0 в течении предцугового времени ток проходит по нагревающемуся металлу проводящей плавкой вставки предохранителя (в преддуговом этапе дуги ещё не существует, поэтому иа (0 = 0) и возрастает по закону:

'(<>«/, (^Цт)) (5)

где 1р=Е/Я - ожидаемый ток короткого замыкания [А], т = ЫЯ -постоянная времени сети [с], Е - ЭДС аккумуляторной батареи [В], Л -активное сопротивление цепи КЗ [Ом], Ь - индуктивность цепи КЗ [Гн].

Начало дугообразования происходит при достижении преддуговым интегралом некоторого значения:

= (6)

о

Это значение, как было указано выше остается практически неизменным для времени дугообразования до 3 мс. Соответственно к моменту зажигания дуги ток успеет достигнуть значения:

1с=1л

г У\

1-ехр

р

7 ;;

(7)

По достижении времени дугообразования металл плавкой вставки расплавляется и испаряется, образуя электрическую дугу. После этого момента ток в схеме начинает уменьшаться, т.е. происходит процесс дугогашения.

Для описания процесса гашения дуги была составлена следующая система уравнений:

E = R-i{t) + L^- + ua(t)\ (8)

at

'г LI2 % ''

J E ■ i(t)dt +-- = J ua(0 • i{t)dt + J^ • i2(t)dt. ( 9 )

<p 2 b <p

Во втором уравнении энергия дуги:

Wa = \ua(t)-Kt)dt. (10)

'p

Магнитная энергия, запасенная в индуктивности, и выделяемая в процессе горения дуги:

W.м=(И)

Независимо от способа гашения дуги постоянного тока в ней выделится энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи. Также за время горения дуги часть энергии поступит от источника - АБ. В устойчиво горящей дуге вся выделяющаяся в ней энергия поступает от источника.

Пренебрегая в первом уравнении системы (8) составляющей R-i(t) ввиду её малости получено выражение:

^f=T{E~u-(t)) (12)

В модели было использовано эмпирическое представление спада тока с помощью степенной функцией вида:

m=ic

( / , \Л

[ t-t„

1- р

t 1

ч \ г ';

(13)

где /с - пропускаемый ток или ток, ограниченный предохранителем [А], 1р — момент зажигания дуги [с], - момент погасания дуги [с].

Такую форму представления спада тока допустимо использовать ввиду независимости дугового интеграла Джоуля (при рассматриваемых кратностях отключаемого тока по отношению к номинальному току предохранителя) от параметров схемы на рассматриваемом временном интервале отключения - до 3 мс.

Предохранитель представляет собой отдельный блок расчетной схемы, приведенной на рис. 1. Блок создан с использованием встроенного в ЕМТР-В. Vязыка программирования.

и

Блок предохранителя е виде "черного ящика"

+ 1 р шу ,„ (МММ» „и, 'м'км

0.044П1Н 44т ==- 220 £ + 0тз|1Е15|0 я ?

г ТА1

С1 - А +

К >о & к I _1± С2—бир

Рис.1. Расчетная схема модели с блоком предохранителя в программе

ЕМТР-К V

Внутреннее устройство блока предохранителя представлено на рис. 2. Схему можно условно разделить на пять ветвей, которые связаны между собой посредством входных и выходных сигналов.

Рис. 2 Схемы расчетных ветвей блока предохранителя в программе ЕМТР-К V При параметризации модели задаются: показатель степени спада тока п, начальное сопротивление предохранителя Л0, предцуговой и общий интегралы Джоуля - Кр и Кг Последние две величины заимствованы из каталогов фирм производителей предохранителей. Общий интеграл Джоуля К, требует пересчета в случае использования предохранителя с номинальным напряжением, значительно превышающим напряжение сети. Пересчет ведется согласно «формуле Генри Тернера»:

К1_иг ~

К1 и,

иг/и,

хК„

(14)

где К11Г[ - интеграл Джоуля отключения, определенный при тестовом

(номинальном) напряжении предохранителя [А2-с], К, и - интеграл

Джоуля отключения при пониженном напряжении сети [А2 с], Кр~

преддуговой интеграл Джоуля [А2 ■ с].

На рис. 3 приведены полученные в модели осциллограммы тока и напряжения на предохранителе gG 500 V с номинальным током 40 А в процессе отключения КЗ в расчетной схеме с параметрами, указанными в таблице 2.

Таблица 2

Параметры расчетной схемы отключения КЗ предохранителем

№ опыта Vсети > В Ь, мкГн Я, мОм К„,А2-с К,, А2-с

1 =220 44 44 4700 6750

2 76 25

С увеличением постоянной времени цепи т увеличивается амплитуда и длительность импульса перенапряжения, также растет длительность фронта импульса и его энергия. При отключении КЗ с помощью предохранителей в СОПТ наблюдаются перенапряжения, представляющие опасность для микропроцессорных терминалов РЗ.

«о, В аооо

1200

ВСЮ 600 400

мс

»»

3000 2500 2000 1500 1000 ио

Рис. 3. Осциллограммы напряжения на дуге и тока предохранителя

Ш) gG 500 V с номинальным током 40 А, полученные в результате моделирования в программе ЕМТР-ЯУ при постоянной времени сети т = 1 мс и ожидаемом токе I = 5 кА

Для верификации модели использована предоставляемая заводами-изготовителями предохранителей зависимость максимально возможного напряжения на дуге от напряжения сети при отключении тока КЗ предохранителем. Расхождение с результатами, полученными на модели не превышает 10%, следовательно, модель является адекватной.

Таким образом, разработана адекватная математическая модель С ОПТ для исследования межполюсных коммутационных перенапряжений, вызываемых срабатыванием плавких предохранителей при отключении КЗ.

В третьей главе «Исследование процесса ограничения перенапряжений различными устройствами защиты» произведено моделирование процесса ограничения межполюсных коммутационных перенапряжений с помощью УЗИП. Произведено сравнение эффективности ограничений перенапряжений между полюсом и землей с помощью диодной защиты и УЗИП, ограничивающего типа на основе варисторов. Рассмотрен случай возникновения перенапряжений при отключении в аварийных условиях соленоида включения высоковольтных выключателей У-110 и У-220, выполнено сравнение эффективности режекции возникающих при этом перенапряжений варисторами и диодами. Моделирование проводилось с использованием программы ЕМТР-К V. В качестве источника коммутационных перенапряжений был выбран привод серии ШПЭ-44У1 включения высоковольтного выключателя. Питание соленоида отключается с помощью контактора постоянного тока серии МК со временем отключения 40-^70 мс. Цепь шунтирующего резистора, установленного в шкафу привода, оказалась разорванной, из-за неисправности или окисления контактов. Катушка соленоида оказалась соединенной с землей. При выполнении расчетов использовались следующие параметры элементов расчетной схемы: напряжение аккумуляторной батареи Е^ = 220 В, активное сопротивление участка сети от АБ до соленоида включения привода Л = 65мОм, индуктивность того же участка Ь = 5 мкГн, индуктивность соленоида включения ¿эв=100мГн, активное сопротивление соленоида включения Кэв = 120м0м, распределенная емкость полюсов кабельной сети Скс = 5 мкФ. Модель дуги, используемая для моделирования процесса отключения контактора МК, основана на уравнениях Мейера-Касси. Датчики Ь\т, и + и использовались для регистрации межполюсного напряжения на стороне соленоида привода и напряжений полюсов сети СОПТ относительно земли (рис. 4).

Рис. 4. Расчетная схема для моделирования процесса отключения соленоида включения привода выключателя

Для приведенной схемы рассчитаны три переходных процесса: 1) процесс отключения соленоида без использования устройств защиты от перенапряжений, 2) с диодной защитой и 3) с защитой на металл-оксидных варисторах. В случае без использования средств защиты от перенапряжений, максимальное мгновенное напряжение полюса относительно земли достигло 1,4 кВ при продолжительности около 45 мс (рис. 5).

При использовании диодной защиты, напряжение полюсов относительно земли не превысило напряжения АБ (рис. 6). При использовании варисторов, напряжение полюсов относительно земли достигает трех крат от напряжения АБ (Рис.7). При построении осциллограмм за начальное (установившееся) значение тока соленоида бралось его максимальное значение за время отключения контактором, т.е. на осциллограмме не показан участок возрастания тока до максимального

<-с

Рис. 5. Осциллограммы напряжения полюсов сети СОПТ относительно земли, межполюсного напряжения и тока соленоида без использования устройств защиты от перенапряжений.

©— и», в

©— и-, в ф— и»п.в

<3>-[.д

Рис.6. Осциллограммы напряжения полюсов относительно земли, межполюсного напряжения и тока соленоида при использовании диодной защиты от перенапряжений

межполюсного напряжения и тока соленоида при использовании

варисторов

Диодная защита ограничивает напряжение полюсов сети СОПТ относительно земли на уровне напряжения АБ. При использовании варисторов напряжения на полюсах в три раза больше. Для изоляции это является допустимым, но такие импульсы перенапряжений могут вызвать ложное срабатывание микропроцессорных терминалов РЗ. На рис. 8 приведены рассеиваемые диодом и варистором мощности в процессе режекции перенапряжения.

1000000* юоооо! 100001 юоо! 100| ю]

и

0,1

1.5 1.55 1.В 1.65

I, с

Рис. 8. Мощность, выделяемая на защитных устройствах в процессе ограничения перенапряжения

Благодаря тому, что диоды пропускают ток коммутационного импульса в открытом состоянии, напряжение на них не превысило нескольких вольт. Напряжение на варисторах при режекции перенапряжения

оказалось в сотни раз больше, равно как и рассеиваемая ими мощность. В рассматриваемом случае, надежность УЗИП оказывается ниже надежности диодов. Дополнительным недостатком варисторов является деградация их защитных характеристик в процессе эксплуатации. Необходимо контролировать ток через варистор при номинальном напряжении и, при его возрастании, своевременно заменять. Варисторы в УЗИП ограничивающего типа постоянно находятся под напряжением, поэтому, срок их службы намного меньше, чем у УЗИП комбинированно типа. У последних напряжение к варистору прикладывается только после пробоя разрядника, что позволяет увеличить срок службы, но ухудшает защитную характеристику, т.к. увеличивается напряжение среза.

Одним из недостатков УЗИП комбинированного типа, по сравнению с диодами и простыми варисторами, является и их относительно высокие цены.

Таким образом, было проведено исследование процесса ограничения перенапряжений в СОПТ различными устройствами защиты, на основании полученных результатов сделаны выводы об эффективности рассмотренных защитных устройств. г

В четвертой главе «Рекомендации по защите от перенапряжений в СОПТ с учетом современных требований к качеству питания микропроцессорных устройств» приведены рекомендации по выбору устройств защиты СОПТ от перенапряжений с учетом современных требований по электромагнитной совместимости и качеству электропитания микропроцессорных устройств подстанций напряжением 110-750 кВ. Даны рекомендации выбору типа защитных устройств, мест присоединения, подбору параметров защитных устройства, конструктивного исполнения, способу подключения, защите выбранных устройств от сверхтоков.

В ЩПТ для защиты от перенапряжений рекомендовано использовать силовые диоды, подключаемые через плавкие предохранители между полюсами сети постоянного тока и землей. Величина тока утечки устройства защиты от перенапряжений в течение срока эксплуатации объекта не должна превышать допустимое значение по сопротивлению полюсов сети относительно земли. Необходимо обеспечить контроль за исправностью устройства защиты от перенапряжений.

Выбор диода 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.

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:

IvD<^FMS\dms' (15)

При выборе диодов также необходимо рассматривать основные параметры обратной вольтамперной характеристики.

Постоянное обратное напряжение UR не должно превышать 60 % от напряжения класса:

UR<0,6URm, (16)

Для напряжения сети t/ce™ = 220 В, повторяющееся импульсное напряжение U^ >220/0,6 = 367 В.

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 URtVM не более 80 % от напряжения класса (URWm < 0,8 Urrm)- При возможных импульсах перенапряжений с амплитудой 2,7 кВ на каждый полюс придется амплитуда порядка 1,4 кВ, что дает значение Urum порядка 1,4 / 0,8 = 1,75 кВ. Таким образом, рекомендовано выбирать диоды с классом по обратному восстанавливающемуся напряжению не ниже 18.

Интеграл Джоуля тока, проходящего через силовые диоды в процессе режекции перенапряжений не должен превышать допустимого интеграла Джоуля диодов (защитного показателя):

ji2dt<j$Ddt. (17)

Согласно результатам моделирования интеграл Джоуля может достигать 0,15 кА2-с. Такому значению защитного показателя соответствуют диоды со средним прямым током не ниже 200 А. В СОГГГ 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. Преимуществами отечественных низкочастотных диодов серий Д1ХХ является хорошо отработанная технология, достаточная надежность и сравнительная дешевизна. Автором был проведен анализ зарубежных аналогов, в результате чего были найдены схожие по характеристикам диоды: SKN 240/18 (SEMIKRON International GmbH, Германия), SW18PHN30 (Westcode semiconductors, Великобритания), R700_18_03 (Powerex, Франция), рекомендованные к установке в СОПТ.

Диоды должны быть защищены от сверхтоков быстродействующими плавкими предохранителями класса ¿Я. Номинальный ток плавкого предохранителя не должен превышать значение среднего прямого тока диода:

(18)

Рабочие значения защитного показателя выбранного предохранителя должны быть ниже, чем у защищаемого полупроводника.

(19)

Ниже приведена таблица соответствия указанных выше марок диодов и защищающих их плавких вставок по условию соответствия номинального тока и защитного показателя вставки характеристикам диода (табл. 3).

При выборе плавких вставок для защиты диодов также необходимо учитывать селективность их работы с головными предохранителями, установленными на ЩПТ.

Таблица 3

Соответствие параметров диодов и защищающих их плавких вставок

класса

Марка ^п т > А \iludt, ¡'¡и<Ь>

диода кА2 ■ с кА2 - с

Д161-200 200 200 0,15 0,04

Д161-250 250 250 0,20 0,06

Д161-320 320 315 0,28 0,08

БЕК 240/18 240 200 0,18 0,04

8\У18РН№20 320 315 0,08 0,08

11700 18 03 300 250 0,20 0,06

Плавкие вставки должны входить в состав устройства предохранитель - разъединитель, сочетающего в себе функцию рубильника, для возможности выведения диодной защиты из работы с осуществлением видимого разрыва. В предохранителе-разъединителе также должна быть предусмотрена функция контроля срабатывания плавких вставок с передачей сигнала в системы управления.

Таким образом, в главе сформулированы рекомендации по выбору устройств защиты от перенапряжений в СОПТ. Рекомендовано в ЩПТ применять диодную защиту, вследствие большей её эффективности для режекции импульсов перенапряжений полюс - земля, а также возможных импульсов при отключении соленоидов включения высоковольтных выключателей. Даны рекомендации по выбору параметров и конструкции диодов и защиты их от сверхтоков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В программном пакете ЕМГР-ВУ разработана математическая модель для исследования электромагнитных переходных процессов,

сопровождающихся перенапряжениями. Модель позволяет оценить основные параметры возникающего импульса перенапряжения, получить осциллограммы напряжения и тока. Достоверность модели проверена путем сопоставления расчетных данных по токам и напряжениям с данными, полученными на основе моделирования и полученными от производителей оборудования. Расхождение между основными параметрами не превысило 10%.

2. Выявлены преимущества диодной защиты по сравнению с УЗИП комбинированного и ограничивающего типов. Напряжения среза УЗИП в 2-3 раза выше напряжения среза диодной защиты, а способность к поглощению энергии в несколько раз ниже, чем у диодов.

3. Подтверждена эффективность диодной защиты в качестве устройства защиты от перенапряжений микропроцессорной релейной защиты. Применение диодной защиты позволяет значительно уменьшить количество отказов РЗиА по причине нарушения ЭМС со стороны СОПТ -до 10%.

4. Установлено, что ограничения межполюсных перенапряжений, возникающих в СОПТ при отключении коротких замыканий предохранителями не обеспечиваются ни диодной защитой, ни УЗИП, включаемыми между полюсами СОПТ и землей. Для предотвращения такого рода перенапряжений следует уменьшать индуктивность цепей питания электроприемников.

5. Разработаны рекомендации по выбору устройств защиты от перенапряжений в СОПТ. Рекомендовано на ЩПТ применять диодную защиту. Класс обратного повторяющегося напряжения диодов следует выбирать не ниже 18. Диоды должны быть защищены скоординированными с ними по току и защитному показателю плавкими предохранителями в составе устройства типа предохранитель-разъединитель.

6. Указанные рекомендации по защите СОПТ от перенапряжений были использованы при разработке с участием автора внедренного и действующего стандарта организации ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 5694700729.120.40.041 -2010 «Системы оперативного постоянного тока подстанций. Технические требования» и его изменений от 14.12.2012 г.

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, решающая актуальную научно-техническую задачу по разработке рекомендаций по защите систем оперативного постоянного тока от перенапряжений, на основе расчетно-экспериментальных исследований переходных процессов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

В изданиях по списку ВАК:

1) Гусев Ю.П., Тимонин И.А. Защита микропроцессорных устройств релейной защиты от перенапряжений в системах оперативного постоянного тока // Известия вузов. Электромеханика. 2013, №1. - с. 84-85.

2) Гусев Ю.П., Тимонин И.А. Сравнение эффективности и выбор устройств защиты от перенапряжений в системах оперативного постоянного тока // Интернет-журнал "Науковедение". 2013, №6 (19) [Электронный ресурс].- М. 2013.- Режим доступа: http:// naukovedenie.ru/PDF/13 9TVN613 .pdf, свободный - Загл. с экрана.

В других изданиях:

3) Гусев Ю.П., Тимонин И.А. Защита систем оперативного постоянного тока от коммутационных перенапряжений // Энергоэксперт. 2011, №6 (29).-с. 44-48.

4) Волков М.С., Гусев Ю.П., Тимонин И.А. Защита установок оперативного тока от коротких замыканий. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XV междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: В 3-х т. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. Т. 3. с.339-340.

5) Волков М.С., Гусев Ю.П., Тимонин И.А. Защита установок оперативного постоянного тока от перенапряжений // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XVI междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: В 3-х т. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т. 3. с.410-411.

6) Гусев Ю.П., Тимонин И.А. Защита систем постоянного оперативного тока от перенапряжений // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XVII междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: В 3-х т. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. Т. 3. - с.371-372.

Подписано в печать {£ 01 Зак. Ю Тир. 100 П.л. ЦЬ

Полиграфический центр МЭИ, 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная д.13, стр. 4.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МЭИ"

На правах рукописи

04201456385

Тимонин Илья Александрович

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЗАЩИТЕ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические

системы»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Гусев Ю. П.

Москва, 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

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...........................................................42

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 ЕМТР-ЯУ................................................................53

2.4. Расчетная схема и основные уравнения модели........................................54

2.5. Реализация модели в ЕМТР-ЯУ...................................................................60

2.6. Реализация модели в МаЛсас!.....................................................................67

2.7. Верификация модели...................................................................................71

2.7.1. Сопоставление результатов моделирования в ЕМТР-В. V и Ммксас!......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...........................................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПИСЬМО О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТ ОАО «ФСК ЕЭС»......................................128

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. 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.

Ввиду того, что система оперативного постоянного тока является неотъемлемой частью любой электрической станции и подстанции напряжением 110 - 750 кВ, задача повышения надежности работы таких систем является масштабной и актуальной.

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 диссертации 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 исследования. Для достижения цели исследования поставлены и решены следующие задачи:

1) 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;

2) разработка математической модели СОПТ для исследования электромагнитных переходных процессов, сопровождающихся перенапряжениями, расчетно-экспериментальное исследование процесса

возникновения перенапряжения в СОПТ при срабатывании плавких предохранителей;

3) 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;

4) 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 ЕМТР-ЯУ, натурных экспериментов на учебной исследовательской установке постоянного тока фирмы СШог кафедры «Электрические станции».

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1) 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.

2) 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 полуспада и энергию.

3) 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.

4) 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 ЕМТР-ЯУ с данными, предоставляемыми производителями защитных аппаратов. Расхождение между сопоставляемыми параметрами не превысило 10%.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) математическая модель С ОПТ для исследования электромагнитных переходных процессов, сопровождающихся перенапряжениями, с отключающими защитными аппаратами, силовыми диодами и варисторами;

2) 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.

Практическая значимость и область применения результатов:

- 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.

Апробация и внедрение 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 (НИИ), 25-27 сентября, г. Новочеркасск, 2012 г.).

В приложении 1 приводится письмо о внедрении результатов диссертационной работы от ОАО «ФСК ЕЭС».

Публикации. По результатам исследований было опубликовано шесть печатных работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.

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.

В первой главе приведен обзор публикаций, описаны типовые схемы и состав потребителей, охарактеризована электромагнитная обстановка в СОПТ. Рассмотрены причины возникновения перенапряжений в СОПТ, влияющие факторы, особенности коммутаций на постоянном токе, перечислены основные способы защиты: схемные решения, применение выпрямительных диодов, устройств защиты от импульсных перенапряжений на основе варисторов и разрядников. Приведены технические характеристики защитных устройств и сведены для удобства сравнения в общую таблицу характеристик.

Во второй главе разработана математическая модель для исследования электромагнитных переходных процессов, сопровождающихся межполюсными перенапряжениями при отключении КЗ плавкими предохранителями. Модель

реализована в среде ЕМТР-ЯУ и МшЬсас1. Рассмотрены физические процессы, при отключении коротких замыканий плавкими предохранителями. Приведено описание основных элементов расчетной модели. Произведена верификация результатов, полученных с помощью разработанной модели. Обоснована допустимость представления элементов расчетной схемы сосредоточенными параметрами

В третьей главе произведено моделирование процесса ограничения межполюсных коммутационных перенапряжений с помощью УЗИП. Произведено сравнение эффективности ограничений перенапряжений между полюсом и землей с помощью диодной защиты и УЗИП ограничивающего типа на основе варисторов. Рассмотрен случай возникновения перенапряжений при отключении в аварийных условиях соленоида включения высоковольтных выключателей У-110 и У-220, выполнено сравнение эффективности режекции возникающих при этом перенапряжений варисторами и диодами. Моделирование проводилось