Использование защитных устройств поглощающего типа с варисторами в автономных электроэнергетических системах с электроприемниками на базе микропроцессорной техники

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2015

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ НА УРОВНЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ

Васильев В.К., Буханец Д.И., Борзиков В.Б., Никольский Ю.В.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ПОГЛОЩАЮЩЕГО ТИПА С ВАРИСТОРАМИ В АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКАМИ НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ

Оценка параметров импульсных коммутационных перенапряжений.

Объекты электроснабжения городского хозяйства и крупных объектов представляют из себя комплексные системные устройства, объединенные по функциональному назначению элементами системы высокого напряжения (магистрали линий электропередач, трансформаторные подстанции, распределительные устройства и т.д.), а также низкого напряжения (цепи управления приводов, пульты управления и диспетчеризации, релейная защита и автоматика, автоматизация систем управления, устройства телеметрии, измерения и контроля технологических параметров, сигнализации и многое другое).

Эти различные устройства функционально связаны между собой многочисленными линиями связи, снабжающими питанием исполнительные механизмы, информационные и измерительные сигналы и т.д. На всех указанных объектах обязательными являются системы молниезащиты и заземления, защищающие электроустановку от опасных перенапряжений, а личный состав от опасных напряжений прикосновения и шаговых напряжений. Системы защиты в том числе выполняют функции обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) оборудования и обеспечивают его нормальное функционирование (без сбоев, потери информации, повреждений при воздействии перенапряжений и помех и т.д.) в условиях заданной электромагнитной обстановки и отсутствие эмиссии помех, опасных для другого оборудования, установленного вблизи или подключенного к общим электрическим коммуникациям, включая контуры заземления, зануления, шинопорного потенциала.

Функциональная сложность и многоступенчатость схем электроснабжения (не только первичных, но и вторичных цепей, схем электрических присоединений оборудования к заземляющему устройству и др.), а также расширяющееся использование микропроцессорной техники для автоматизации технологических процессов, измерений, релейной защиты и пр., имеющей гораздо меньшие уровни рабочих напряжений и токов по сравнению с более распространенной техникой (электромеханические реле, контакторы, счетчики электрической энергии и пр.), а, следовательно, и меньшие пороги помехоустойчивости, обостряют проблемы электромагнитной совместимости на объектах электроэнергетики.

15

ISSN 2313-1160

Вместе с тем, от нормальной и безаварийной работы современных электронных элементов на базе микропроцессорной техники все больше зависит управление целыми системами. Характерной особенностью современных энергетических систем становится все более широкое использование микропроцессорной техники в условиях мощных электрических и магнитных полей. Неуклонное возрастание использования в быту и повседневной деятельности многочисленных источников электромагнитных воздействий и общая картина «электромагнитного загрязнения», сложившаяся в последнее время, так же накладывает свой отпечаток на работу вышеуказанных систем.

В сложившихся условиях постоянно возникающих электромагнитных воздействий природного и техногенного характера возможны нарушения режимов эксплуатации, сопровождающиеся отключениями питания и перебоями электроснабжения.

Таким образом, одним из основных условий создания предпосылок нормального функционирования комплексов ВВТ является оценка воздействий и подбор необходимых защитных средств против электромагнитных воздействий природного и техногенного характера путем подавления импульсных перенапряжений.

Рассмотрим некоторые современные технические способы решения по обеспечению электромагнитной совместимости оборудования СЭС и электрооборудования потребителей с использованием защитных устройств поглощающего типа с варисторами.

В настоящее время наибольшее распространение получили схемы с применением защитных устройств на базе ограничителей перенапряжения, содержащих силовые элементы с высоколинейной вольтамперной характеристикой: варисторов, разрядников, стабилизаторов, ограничительных диодов и их комбинаций. Рассмотрим современные устройства подавления импульсных перенапряжений в цепях питания и обмена информацией на базе элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой - ограничителей перенапряжений (ОПН) с варисторами и варианты установки схем защиты на их основе.

Ограничители перенапряжения с нелинейными резисторами (варисторы). Важнейшей характеристикой варистора, определяющей его функциональные возможности, является его вольт-амперная характеристика (рис. 1). Ее особенностью является наличие участка малых токов (условно от нуля до нескольких миллиампер), на котором находится рабочая точка варистора и участок больших токов (до тысяч ампер).

LinA

т

Г

-8 0 - $0 - 0 -2 0 2 0 4 0 у ' 80

и, В

/ -4

/

±

Рис 1. Типичная вольт-амперная характеристика ОПН с варистором

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора представляет собой степенную зависимость тока от напряжения, которая в рабочем диапазоне приблизительно описывается соотношением:

I = k * Uа

16

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2015

где I - ток через варистор;

U - напряжение на варисторе;

k - некоторая константа (зависит от типа варистора);

a =20.. .60 - коэффициент нелинейности варистора, характеризующий крутизну

ВАХ.

2000

В

На рис. 2 приведена реальная ВАХ варистора SIOV-B60K250 [1]

Современные варисторы изготавливаются из окиси цинка с добавками других оксидов металла путем использования поликристаллической керамики на основе высокотемпературного отжига (спекания).

Механизм проводимости варистора представлен на рис. 3.

Контролируя в производстве процесс спекания, можно изменять размеры кристаллов (15.100) мкм и получать различные градиенты напряжения (30.200) В/мм.

CB

R

L

в

в

На рис. 4 показана схема замещения варистора с учетом индуктивности выводов и

емкости таблетки варистора C.

Емкость варистора находится в диапазоне от сотен до нескольких десятков тысяч пикофарад. На рис. 5 показаны типичные вольт-фарадные характеристики варистора. Как видно из приведенного рисунка, варистор имеет определенную емкость в рабочем

17

ISSN 2313-1160

режиме (когда нет импульсов напряжения), а при воздействии импульса напряжения емкость варистора практически равна нулю.

Рис. 5. Вольт-фарадные характеристики варисторов

Принцип действия варисторов основан на параллельном подключении к защищаемому устройству. В нормальном режиме работы ток через варистор равен сотням микроампер и варистор находится в непроводящем состоянии. В момент возникновения волн перенапряжений варистор переходит в проводящее состояние, характеризующееся значительным ростом тока и незначительным увеличением напряжения. Когда напряжение снижается до номинальных значений, варистор возвращается в непроводящее состояние.

Мощные ОПН, обладающие способностью поглощать большую энергию, собираются из «столбов» варисторов. На рис.6 изображен ОПН-Н/ТЕL предприятия «Таврида Электрик» с номинальным напряжением 380 В. В табл. 1 приведены основные характеристики современных оксидно-полупроводниковых варисторов.

Рис.6. Габаритные размеры (а) и внешний вид (б) ограничителей перенапряжений типа

ОПН-Н/TEL

Оксидно-полупроводниковые варисторы. Таблица 1.

Тип Классифи- кационное напря- жение, В Допускаемое отклонение икл., % Допустимая амплитуда импульсного тока, А (8/20 мкс) Допустимая рассеиваемая энергия импульса, Дж (8/20 мкс) Коэффициент нелиней- ности, (не менее) Диа- метр, мм

ВР-4-1 22...68 ± 10 350;500 0,51.2,3 15 18

18

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2015

ВР-4-2 22. ..68 ± 10 150; 200 0,18. .0,76 15 12

ВР-9а 68.. .680 ± 5; ± 10;± 20 500; 1500 2,3. 44,9 25.30 19

ВР-9б 68. .560 ± 10; ± 20 200; 700 0,76. .19,2 25 12

ВР-9в 68. .430 ± 10; ± 20 100;150 0,26 ..2,5 22.30 8

ВР-10 68. ..82 ± 10 5000 20; 25 22 28

ВР-11 330. ..470 ± 10 5000 84; 119 30 28

ВР-12 150. ..470 ± 10 5000 38. .119 22.30 28

Ниже изложена методика выбора ОПН для защиты от коммутационных перенапряжений, при отсутствии атмосферных перенапряжений, по каталожным параметрам предприятий-изготовителей ОПН и на основе сопоставительного анализа известных методик того же назначения [2, 3, 4].

Выбор по длительно-допустимому напряжению U Нд

Длительно-допустимое рабочее напряжение U Нд - наибольшее переменное или постоянное напряжение, которое может быть приложено к выводам ОПН неограниченно долго. По величине U Нд определяется класс напряжения, к которому относится ОПН. Напряжение характеризует ОПН в непроводящем состоянии, т.е. при значении тока через ОПН в районе сотен микроампер, поэтому U Нд должно быть не меньше наибольшего рабочего напряжения, защищаемого ограничителем оборудования U Нр :

U нд ^ U нр

Выбор ОПН по защитному уровню

Защитный уровень ОПН характеризует остающееся напряжение U ОСТ , т.к. это напряжение обычно является напряжением на защищаемом электроприемнике при ИКП. Остающееся напряжение U ОСТ - это максимальное значение напряжения на выводах ОПН при действии коммутационных перенапряжений, т.е. это напряжение, при котором происходит срабатывание ОПН.

Для того, чтобы при ограничении напряжения с помощью ОПН не произошло превышение защитного уровня перенапряжения, должно соблюдаться условие:

U ОСТ < К ДОП . U нр

где К дОП - допустимая кратность коммутационных перенапряжений для защищаемого электрооборудования.

В каталожных данных ОПН и варисторов приводятся значения остающегося напряжения при воздействии на ОПН импульса тока определенной формы и амплитуды. Среди предприятий-изготовителей варисторов принято приводить значения U ОСТ при импульсе тока 8/20 мкс, а для ОПН при импульсах тока 8/20 мкс и 30/60 мкс. Если данные импульсы тока обеспечивают запас по амплитуде и длительности по сравнению с реальными импульсами тока, протекающими через ОПН при ИКП, то в формуле (2) можно учитывать U ОСТ , приведенное в каталожных данных. В противном случае для определения максимального значения перенапряжения Ul III и тока IIIII. необходимо рассчитывать реальные переходные процессы для конкретных коммутаций. Зная эти

19

ISSN 2313-1160

значения, строят нагрузочную характеристику перенапряжения (рис. 7), пересечение которой с ВАХ варистора даст значение остающегося напряжения варистора иост, по которому судят о защитном уровне ОПН.

Рис. 7. Определение остающегося напряжения варистора по его ВАХ и нагрузочной

характеристике перенапряжения

Если остающееся напряжение, определенное по рис. 7, удовлетворяет условию (2), то выбор ОПН по защитному уровню закончен. В противном случае необходимо выбирать другой ОПН с более пологой ВАХ, который для данной нагрузочной характеристики перенапряжения будет удовлетворять условию (2).

Выбор по энергоемкости ОПН

Энергоемкость ОПН WOTH - рассеиваемая ОПН энергия при ИКП. Для правильного выбора по этому параметру необходимо определить энергию W, выделяющуюся при отключении защищаемого электроприемника. Условие выбора по этому параметру выглядит так:

^ОПН > W

Как известно, наибольшие коммутационные перенапряжения возникают при отключении устройств, нагрузка которых носит индуктивный характер, и имеет место явление среза тока. В этом случае условие (3) примет вид:

Т  Т2

W > иг 2сз

vv ОПН — 2

где L НГ - индуктивность нагрузки; L СЗ - ток среза.

Место установки ограничителя перенапряжения

В общем случае возможны два места установки ОПН: параллельно защищаемому оборудованию (рис. 8а) и параллельно контактам коммутационного аппарата (рис. 8б).

20

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2015

Рис. 8. Места установки ОПН

Чем дальше волна перенапряжения будет от защищаемой нагрузки, тем меньшая у нее будет амплитуда. Поэтому при установке ОПН не вблизи электроприемника напряжение на нем будет больше, чем остающееся напряжение на ОПН из-за разделяющего их кабеля. При малой длине кабеля эта разница будет небольшой и ей можно пренебречь, в противном случае в формулу (2) методики выбора ОПН необходимо вводить понижающий коэффициент КПОН и она примет вид:

тт < K * К U

иОСТ — ^ПОН 14 ДОП * U НР

Второй вариант установки ОПН с точки зрения защиты от ИКП предпочтительнее. Установленный параллельно контактам коммутационного аппарата ОПН с иОСТ, выбранным по (3б), сработает раньше, чем ОПН с таким же иОСТ , но установленным у защищаемого электроприемника. Это связано с тем, что ОПН при этом будет реагировать не на амплитуду волны напряжения, идущей со стороны двигателя, как в первом варианте, а на разность напряжений между источником и двигателем. Таким образом, при этом варианте установки напряжение на защищаемом электроприемнике при ИКП будет меньше, чем напряжение на ОПН. Недостаток этого варианта - затруднения в размещении ОПН в ячейке коммутационного варианта.

Эксплуатационные характеристики варисторов.

На основании анализа эксплуатационных характеристик современных варисторов, выпускающихся зарубежными и отечественными предприятиями [1, 5, 6, 7], можно выделить следующие диапазоны рабочих параметров:

напряжение ограничения, В 6-2000;

амплитуда импульса тока 8/20 мкс, кА до 100;

энергоемкость, Дж 0,1-15000;

время отклика, нс не более 25;

емкость, нФ до 20.

У варисторов и ОПН, выполненных на их основе, можно выделить следующие преимущества:

широкий диапазон использования - от защиты электронных компонентов непосредственно на печатной плате до защиты электрических сетей напряжением 500 кВ;

21

ISSN 2313-1160

высокое значение допустимого тока; относительно высокое быстродействие; большая энергоемкость.

Недостатки варисторов и ОПН: ограниченный срок службы;

не всегда возможно обеспечение достаточно низкого уровня ограничения перенапряжения.

Варианты установки схем защиты на основе полупроводниковых ограничителей перенапряжений

Установка ограничителей перенапряжения параллельно защищаемым элементам (потребителям и источникам электроэнергии). Традиционным местом установки полупроводниковых защитных элементов является их установка параллельно защищаемым элементам. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 9

РЩ

Рис. 9. Схема защиты с установкой ограничителей перенапряжений параллельно защищаемым элементам

При отключении коммутационного аппарата Q возникнут ИКП с обеих его сторон. Защитный элемент V1 (V1’) снижает ИКП со стороны электроприемника (ЭП), а защитный элемент V2 со стороны энергосистемы. При выборе вариантов установки (V1 и V1’) со стороны ЭП предпочтительней вариант установки V1 (обоснование приведено выше). Установка защитного элемента V2 не обязательна, если от распределительного щита, в котором находится коммутационный аппарат Q, запитываются несколько электроприемников. В этом случае эквивалентная емкость подключенных электроприемников существенно снизит ИКП.

В качестве защитных элементов можно использовать варисторы или ОПН на основе варисторов, способные поглотить значительную энергию. Данная схема защиты требует установки варисторов на входе каждого электроприемника, причем их стоимость относительно невелика. Варисторы подвержены старению, поэтому они требуют периодической замены. Старение варисторов можно контролировать по увеличению тока утечки. Основным недостатком схемы включения защитных аппаратов (рис. 9) является относительно невысокий уровень ограничения перенапряжения: при значении максимально-допустимого рабочего напряжения варисторов около 400 В их уровень ограничения будет 700 В. Это связано с тем, что применяемые на сегодняшний день варисторы в принципе не могут ограничить напряжение с кратностью ниже 1,8 от своего

22

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2015

максимально-допустимого рабочего напряжения. Применение этого варианта для некоторых электроприемников, например, статических преобразователей, может потребовать установки фильтров импульсных коммутационных перенапряжений. При наличии аппаратов защиты от ИКП указанные фильтры могут иметь относительно небольшие габариты и массу и невысокую стоимость.

Установка ограничителей перенапряжений параллельно коммутационным аппаратам. Одним из перспективных вариантов установки является установка варисторов или ОПН параллельно контактам автоматических выключателей (рис. 10а) (непосредственно внутри аппарата) и параллельно предохранителям (рис 10б).

а ) б )

Рис. 10. Установка ограничителей параллельно коммутационным аппаратам

Сравнение этого варианта с вариантом установки параллельно электроприемнику показывает, что рассматриваемый вариант предпочтительнее, что объясняется следующим. Если в сравниваемых вариантах будут взяты варисторы с одинаковым напряжением ограничения, то при варианте, изображенном на рис. 10, напряжение на электроприемнике будет меньше, чем в случае установки варистора параллельно защищаемому электроприемнику. Это объясняется тем, что напряжение на электроприемнике в этом случае определяется разностью между напряжением ограничения варистора и напряжением сети.

Литература

1. Варисторы и разрядники фирмы SIEMENS&MATSUSHITA. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 48 с.

2. Ю.И.Лысков, О.Ю.Антонова, А.В.Демина и др. Методические указания по применению ограничителей в сетях 6-35 кВ. - М., ОАО «Институт Энергосеть проект», 2001.

3. Материалы интернет-сайта www.tavrida.ru

4. Материалы интернет-сайта www.fenix88.nsk.ru

5. W. Hirschi, E. de Raemy Shutz elektrischer und elektronischer Ausrustungen vor transienten Uberspannungen // Материалы интернет-сайта www.montena.com

6. ТУ 11-85. Варисторы постоянные СН2-2. Технические условия. ОЖО.468.205.

7. Э.Хабигер Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике: Пер. с нем. / И.П.Кужекин; Под ред. Б.К.Максимова. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 304 с.: ил.

8. В.К.Васильев, С.Л.Кужеков, А.В.Влащицкий, В.В.Долгих, А.И. Кривенко, В.Г. Шуляк. Монография, ЮРГУ, Новочеркасск, 2007. - 87 с.

23