УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
DEVICE TO PROTECT EQUIPMENT AGAINST PULSE OVERLOADS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначено для защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений большой энергии, возникающих в сетях питания переменного тока с уровнем номинального напряжения 6-10 кВ из-за переходных процессов от грозовых и коммутационных воздействий, возникающих на линиях электропередач, а также электромагнитных импульсов техногенного и природного характера (ЭМИ ТИПХ) наносекундной длительности.
Для защиты оборудования (потребителей электроэнергии) от грозовых и коммутационных импульсных перенапряжений могут применяться устройства трех типов, во-первых, устройства коммутирующего типа, которые в отсутствии перенапряжений сохраняют высокое полное сопротивление, но могут быстро изменить его на низкое в ответ на скачок напряжения. Общим примером элементов, служащих коммутирующими устройствами, являются разрядники, газовые трубки, динисторы и управляемые тиристоры. Во-вторых, устройства ограничивающего типа, которые в отсутствие перенапряжений сохраняют высокое полное сопротивление, но постепенно снижают его с возрастанием волны тока и напряжения. Общим примером элементов, служащих нелинейными устройствами, являются варисторы и диодные разрядники. В-третьих, устройства комбинированного типа, в которых защита выполняется при действии (срабатывании) элементов, как коммутирующего типа, так и элементов ограничивающего типа, которые могут коммутировать и ограничивать напряжение, а также выполнять обе функции, при этом действие элементов защиты зависит от характеристик подаваемого напряжения.
Основными требованиями к устройствам защиты потребителей электроэнергии от импульсных перенапряжений большой энергии и ЭМИ ТИПХ наносекундной длительности являются надежность работы, высокая энергоемкость используемой элементной базы, при приемлемых массогабаритных и стоимостных характеристиках, а также простота схемных решений.
Известно устройство, содержащее управляемый разрядный промежуток, соединенный последовательно с рабочим сопротивлением, которое выполняется в виде параллельно соединенных нелинейного сопротивления (варистора) и линейного сопротивления, содержащего активную и реактивную составляющую, где в качестве управляемого разрядного промежутка используется вакуумный управляемый разрядник. Такое устройство подключается к параллельно защищаемому объекту в каждой фазе напряжения сети [патент РФ №2304835 С1, МПК Н02Н 9/06. Опубл. 20.08.2007 г.].
Устройство работает следующим образом. При подаче импульса перенапряжений включение вакуумного разрядника осуществляется с помощью блока запуска. После включения разрядника через него начинает протекать импульсный ток. Нелинейное сопротивление (варистор) служит для ограничения уровня перенапряжений при включении разрядника. Параллельное соединение с нелинейным сопротивлением линейного сопротивления позволяет уменьшить выделяемую в нелинейном сопротивлении энергию. При подходе тока к нулю разрядник отключает ток, и на нем восстанавливается сетевое напряжение.
Недостатком данного устройства является низкая надежность защиты оборудования из-за относительно большого времени срабатывания вакуумного разрядника, что не обеспечивает защиту оборудования от ЭМИ ТИПХ наносекундной длительности.
Известно устройство защиты от импульсных перенапряжений, состоящее из параллельно включенных варистора и разрядника, а также дополнительно введенного второго варистора, включенного последовательно с разрядником [патент РФ на полезную модель, №43109 U1, МПК Н02Н 9/04. Опубл. 27.12.2004].
В данном устройстве первым импульс перенапряжений будет ограничивать варистор, не соединенный последовательно с разрядником. Затем под воздействием остаточного напряжения, по истечении статистического времени запаздывания, пробивается разрядник, и напряжение снижается приблизительно до уровня напряжения ограничения второго варистора, который и поглощает основную часть энергии импульса перенапряжений. После прекращения воздействия импульса перенапряжений ток, протекающий через разрядник и второй варистор, будет составлять несколько миллиампер. Этот ток разрядник способен погасить самостоятельно.
Недостатком известного устройства является низкая надежность защиты оборудования из-за относительно большого времени срабатывания первого варистора, что не обеспечивает защиту оборудования от ЭМИ ТИПХ наносекундной длительности, а также низкая эффективность и надежность работы варисторов, т.к. варисторы не защищаются от воздействия импульса перенапряжений, когда энергия, выделяемая в них, достигает некоторого определенного значения, превышающего порог для выбранного типа приборов.
Известно устройство защиты от импульсных перенапряжений [Шваб А. Электромагнитная совместимость. - М.: Энергоатомиздат, 1998 г. с.173, рис.4.26]. Для подавления синфазных помех при многоступенчатом способе защиты устройство содержит LC-фильтр, искровой разрядник, варистор и полупроводниковый ограничитель напряжения, которые развязаны при помощи резистора или катушки индуктивности.
Недостатком известного устройства является низкая надежность защиты оборудования, обусловленная низкой эффективностью и надежностью работы варисторов, а также низкой энергоемкостью используемой элементной базы при приемлемых массогабаритных и стоимостных характеристиках.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство защиты оборудования от импульсных перенапряжений [патент Германии №19838776, МПК Н02Н 9/00, опубл. 09.03.2000 г.], содержащее параллельно соединенные варистор и управляемый искровой разрядник с параллельно включенным блоком управления. В цепи варистора установлен измерительный прибор (датчик тока), выход которого через блок управления связан с управляющим электродом разрядника.
Данное устройство работает следующим образом. При появлении на входе устройства импульса перенапряжений первым начинает работать варистор. Блок управления управляемого искрового разрядника действует на включение разрядника только после того, как энергия, поглощенная варистором, достигает некоторого предельного значения.
Недостатком известного устройства является низкая надежность защиты оборудования, так как действие элементов, ограничивающих импульс перенапряжений, не обеспечивает защиту оборудования от ЭМИ ТИПХ наносекундной длительности из-за относительно низкого быстродействия варисторов и, соответственно, разрядников.
Задачей изобретения является повышение надежности защиты оборудования и обеспечение селективной работы релейной защиты защищаемого оборудования.
Техническим результатом изобретения является обеспечение защиты оборудования от ЭМИ ТИПХ наносекундной длительности, а также возможность восстановления сетевого напряжения на линиях электропередач.
Технический результат достигается тем, что в устройстве защиты оборудования от импульсных перенапряжений, содержащем варистор, управляемый искровой разрядник с параллельно включенным блоком управления и датчик тока, причем первый вывод варистора и потенциальный вывод разрядника присоединены к входной клемме защищаемого оборудования, непотенциальный вывод разрядника присоединен к проводу рабочего заземления, второй вывод варистора через датчик тока присоединен к проводу рабочего заземления, выход датчика тока соединен через блок управления с управляющим электродом разрядника, потенциальный вывод управляемого искрового разрядника присоединен к клемме провода фазного напряжения через дополнительно введенный фильтр нижних частот, величина частоты среза которого не превышает величины, обратной от значения времени срабатывания варистора.
В качестве управляемого искрового разрядника использован управляемый вакуумный разрядник.
Кроме того, блок управления содержит датчик напряжения, таймер, интегратор, устройство сравнения, источник опорного напряжения с падающей внешней характеристикой и блок поджига, причем первый, второй и третий входы интегратора соединены, соответственно, с выходом датчика тока, первым выходом датчика напряжения и выходом таймера, вход которого соединен со вторым выходом датчика напряжения, а выход интегратора соединен с первым входом устройства сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, имеющего падающую внешнюю характеристику, выход устройства сравнения соединен со входом блока поджига, выход которого соединен с управляющим электродом разрядника.
В предлагаемом устройстве защиты оборудования от импульсных перенапряжений введение фильтра нижних частот, величина частоты среза которого не превышает величины, обратной от значения времени срабатывания варистора, обеспечивает на первом этапе работы устройства увеличение длительности фронта, воздействующего на защищаемое оборудование импульса перенапряжений, т.е. защиту оборудования от ЭМИ ТИПХ с короткой длительностью (от единиц до десятков и более наносекунд). На втором этапе срабатывает варистор, а затем управляемый разрядник. Блок управления, содержащий датчик напряжения, таймер, интегратор, устройство сравнения, источник опорного напряжения и блок поджига, соединенные предложенным способом, обеспечивает контроль энергии, выделяемой в варисторе. Это позволяет в нужный момент времени включить разрядник и защитить как оборудование, так и варистор от воздействия импульса перенапряжений, когда энергия, выделяемая в варисторе, достигнет порога для выбранного типа приборов. Кроме того, использование в устройстве управляемого вакуумного разрядника, который, при подходе тока импульса перенапряжений к нулю, способен отключать импульс тока, и на нем восстанавливается сетевое напряжение, обеспечивает возможность простыми методами осуществить селективную работу релейной защиты и дополнительно повысить надежность защиты оборудования.
На фиг.1 приведена схема устройства защиты от импульсных перенапряжений; на фиг.2 представлена схема блока управления разрядником; на фиг.3, 4, 5, 6 представлены осциллограммы и диаграмма, поясняющие работу устройства для защиты оборудования от импульсных перенапряжений.
Устройство защиты от импульсных перенапряжений содержит клемму 1 провода фазного напряжения, входную клемму 2 защищаемого оборудования, провод 3 рабочего заземления, варистор 4 и управляемый от блока 5 управления искровой разрядник 6. Блок 5 управления включен параллельно разряднику 6. Первый вывод варистора 4 и потенциальный вывод разрядника 6 присоединены к входной клемме 2 защищаемого оборудования. Непотенциальный вывод управляемого искрового разрядника 6 присоединен к проводу 3 рабочего заземления непосредственно. Второй вывод варистора присоединен к проводу 3 рабочего заземления через датчик тока 7, выход которого связан через блок 5 управления с управляющим электродом разрядника 6. Потенциальный вывод управляемого искрового разрядника 6 присоединен к клемме 1 провода фазного напряжения через дополнительно введенный фильтр 8 нижних частот, величина частоты среза которого не превышает величины, обратной от значения времени срабатывания варистора.
В качестве управляемого искрового разрядника 6 использован управляемый вакуумный разрядник.
Блок управления 5 содержит датчик напряжения 9, таймер 10, интегратор 11, устройство сравнения 12, источник опорного напряжения 13 с падающей внешней характеристикой и блок поджига 14, причем первый вход 11.1, второй вход 11.2 и третий вход 11.3 интегратора 11 соединены, соответственно, с выходом датчика тока 7, первым выходом 9.1 датчика напряжения 9 и выходом таймера 10, вход которого соединен со вторым выходом 9.2 датчика напряжения 9, а выход интегратора 11 соединен с первым входом 12.1 устройства сравнения 12, второй вход 12.2 которого соединен с выходом источника опорного напряжения 13, имеющего падающую внешнюю характеристику, выход устройства сравнения 12 соединен с входом блока поджига 14, выход которого соединен с управляющим электродом разрядника 6.
c
вар.
вар.
c
Работа устройства осуществляется следующим образом. На первом этапе входной импульс перенапряжения (фиг.3а) с определенной скоростью нарастания фронта волны поступает на фильтр 8 нижних частот, выполненный, например, в виде стандартного П-, Т- или Г-образного L, C фильтра нижних частот (ФНЧ). В ФНЧ импульс перенапряжения интегрируется, при этом все гармонические составляющие импульса перенапряжения с частотой ниже частоты среза пропускаются почти без ослабления, а гармонические составляющие с частотой выше частоты среза очень быстро ослабевают, как это показано на фиг.3,б. Эффективность ограничения импульсных перенапряжений в ФНЧ зависит как от скорости нарастания фронта воздействующего импульса перенапряжения, так и от значения частоты среза используемого фильтра. Оптимальная величина частоты среза выбирается на основе инженерного расчета, задачей которого является определение приемлемых габаритных и стоимостных характеристик ФНЧ с учетом неравенства f≤1/t, где , здесь t - время срабатывания варистора, f - частота среза, L и С-индуктивность и емкость ФНЧ.
мах
max
На втором этапе, как это показано на фиг.4, импульс перенапряжения ограничивают с помощью варистора 4 или ограничителя перенапряжений нелинейного (ОПН). Варистор 4 представляет собой сборку из последовательно или последовательно-параллельно соединенных варисторов, схема которых рассчитывается для конкретного устройства защиты. Время срабатывания варисторов около 25 нс с величиной разрядного тока 10÷100 кА. Нагрев варистора в целом определяет активная составляющая тока проводимости. Варистор сохраняет работоспособность до тех пор, пока в результате воздействия рабочего напряжения и импульсов перенапряжения активная составляющая тока проводимости ОПН не превысит критического значения, т.е. пока не нарушится тепловое равновесие, при котором количество тепла, выделяемое в варисторе, не превысит возможности конструкции варистора по его рассеянию в окружающую среду. Варисторы в течение срока службы выдерживают без повреждений воздействия, определяемые зависимостью максимальной энергии коммутационных перенапряжений от времени приложения этих перенапряжений, т.е. зависимостью W(кДж)=f(t)(сек), которые приводятся в паспортных данных завода-изготовителя. Таким образом, с учетом характера разрядного тока варисторов, для адекватного определения состояния варисторов должен быть измерен энергетический фактор работы варисторов Q=∫uidt (кДж), определяемый параметрами воздействующего импульса перенапряжений, который не должен превышать порог для выбранного типа приборов, т.е. должно выполняться условия Q≤W.
Следует заметить, что максимальная энергоемкость варисторов выбирается также на основе инженерного расчета, задачей которого является определение приемлемых габаритных и стоимостных характеристик ОПН и устройства в целом.
В предлагаемом устройстве, схема блока управления разрядником обеспечивает возможность измерения как амплитуды и формы тока протекающего импульса перенапряжений, так и возможность измерения (определения) начала протекания этого импульса, что, в свою очередь, и обеспечивает возможность измерения энергетического фактора Q работы варисторов с помощью интегратора, которая сравнивается затем в устройстве сравнения с напряжением источника опорного напряжения, падающая внешняя характеристика которого имитирует энергетические характеристики варистора, т.е. зависимость максимальной энергии коммутационных перенапряжений от времени их воздействия, как это показано на фиг.6(а, б, в).
На третьем этапе, когда энергия, выделяемая в варисторе 4, достигает порога для выбранного типа варисторов, происходит, как это показано на фиг.4(б) и фиг.5(а, б), включение управляемого искрового разрядника 6, управляющий электрод которого через блок управления 5 связан с выходом датчика тока 7. В случае, когда энергия, выделяемая в варисторе, не достигнет заданного максимума, то есть порога для выбранного типа варисторов, то управляемый искровой разрядник 6 не включится, как это поясняется на фиг.6(г).
Блок 5 управления искрового разрядника 6 работает следующим образом.
В установившемся номинальном режиме, при отсутствии импульсов перенапряжения, постоянных значениях фазного напряжения и тока нагрузки ток через варистор 4 не протекает, и сигнал на выходе датчика тока 7 и выходе датчика напряжения 9 отсутствует.При поступлении на клемму 1 провода фазного напряжения электромагнитных импульсов коммутационных, атмосферных или ЭМИ ТИПХ, действии ФНЧ и срабатывания варистора 4 на выходе датчика тока 7 и датчика напряжения 9 возникают сигналы. При этом сигнал с выхода 9.2 датчика напряжения 9 запускает таймер 10, выход которого поступает на вход 11.3 интегратора 11. На входы 11.2 и 11.1 интегратора 11 поступают сигналы с выхода 9.1 датчика напряжения 9 и выхода датчика тока 7. Выход интегратора 11 соединен с первым входом 12.1 устройства сравнения 12, на второй вход 12.2 которого поступает сигнал от источника 13 опорного напряжения с падающей внешней характеристикой. Выход устройства сравнения 12 связан со входом блока поджига 14 блока 5 управления.
max
ном
-7
-4
Таким образом, согласно структурной схеме блока 5 управления момент срабатывания блока поджига 14 связан с импульсом перенапряжения, поступающим на клемму 1 фазного провода, и величиной разрядного тока, протекающего через варистор 4. Когда значение энергетического фактора Q становится равным величине максимальной W энергоемкости варистора 4, происходит включение управляемого разрядника 6, как это показано на диаграмме фиг.6(а, б, в). Включение разрядника 6 осуществляется после подачи импульса управления с заданными параметрами напряжения и тока на его управляющий электрод. В устройстве в качестве управляемого искрового разрядника, возможно применение управляемого вакуумного разрядника, который способен надежно включаться в широком диапазоне рабочих напряжений (0,01-1)U со временем включения порядка 100 нс (10 сек) и длительно пропускать разрядный ток до 200 кА, при величине заряда до 250 Кл. При подходе тока к нулю управляемый вакуумный разрядник способен отключать импульс тока перенапряжения, и на нем восстанавливается сетевое напряжение за время менее чем 100 мкс (10 сек). Это позволяет простыми методами осуществить селективную работу релейной защиты.
Практическая реализация работы устройства выполнена в соответствии с принципиальной электрической схемой, представленной на фиг.1, где в качестве варистора 4 использовались ограничители перенапряжений нелинейные типа ОПН-КС-6/6,6-УХЛ2 с номинальным разрядным током 10 кА, на класс напряжения сети 6 кВ, а в качестве управляемого искрового разрядника 6 использовался управляемый вакуумный разрядник типа РВУ-47-УХЛЗ с номинальным рабочим напряжением 1-30 кВ и рабочим током 10-200 кА. Такое устройство подключается параллельно защищаемому оборудованию в каждом проводе фазного напряжения.
Исследования работы показали, что предлагаемое устройство позволяет надежно защитить оборудование от грозовых и коммутационных электромагнитных импульсов большой энергии длительностью в единицы миллисекунд, что, в частности, показано на фиг.5(б), а также от ЭМИ ТИПХ наносекундной длительности, что, в частности, показано на фиг.3(б).
Экономическая эффективность использования предлагаемого технического решения обусловлена высокой надежностью защиты и снижением аварийности защищаемого дорогостоящего высоковольтного оборудования (трансформаторов, тиристорных преобразователей постоянного и переменного тока, электродвигателей и т.д.).