СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
METHOD FOR ELIMINATION OF OVERVOLTAGE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для устранения перенапряжений в электросетях.
Известно устройство для глубокого ограничения перенапряжений в распределительном устройстве электросети с изолированной пли компенсированной нейтралью (Патент РФ №2040841 C1, H02H 9/04, 25.07.1995), в котором для снижения уровня перенапряжений используется ограничитель перенапряжений нелинейный, отключаемый от сети через некоторое время после возникновения однофазного замыкания.
Недостатком способа, реализуемого при использовании вышеописанного устройства, является его неспособность ограничить перенапряжения при повторных однофазных замыканиях в виде перемежающейся дуги, когда дуга за период промышленной частоты может несколько раз зажигаться и гаснуть, что значительно снижает надежность электросети.
Известно устройство для защиты электрооборудования от перенапряжений (Патент па полезную модель РФ №44008 U1, H02H 9/04, 10.02.2005), в котором к фазам сети подключаются RC-цепочки, соединенные по схеме звезда с изолированной нейтральной точкой.
К недостаткам способа, реализуемого при помощи этого устройства, можно отнести то, что он способен ограничить только коммутационные перенапряжения на отключаемых участках цепи и не позволяет существенно снизить наиболее опасные для сети дуговые перенапряжения при однофазных замыканиях на землю, воздействующие на фазную изоляцию электрооборудования и определяющие его надежность и безопасность.
Наиболее близким является способ (Патент на изобретение РФ №2453020 C1, Н02Н 9/02, 10.06.2012), заключающийся в том, что нейтраль заземляется через соединенные последовательно друг с другом емкостные и резистивный элементы.
Недостаток известного способа заключается в том, что при его использовании не устраняются перенапряжения, возникающие при однофазном замыкании на корпус (землю), между неповрежденными фазами и корпусом (землей). При использовании способа сохраняется возможность возникновения опасной перемежающей дуги в месте замыкания фазы на корпус.
Изобретение решает задачу повышения надежности и безопасности электросистем, за счет устранения перенапряжений на неповрежденных фазах, а также снижения вероятности возникновения перемежающей дуги.
Для решения поставленной задачи в известном способе, заключающемся в использовании соединенных последовательно друг с другом емкостных и резистивного элементов, заземляющих нейтраль с сопротивлением резистора, выбираемым в диапазоне (0.25-30) кОм, предлагается емкость конденсаторов выбирать в соответствии с условием
N
n
где R - сопротивление заземляющего резистора, L - эквивалентная продольная индуктивность фазы электросистемы,
а между фазами электросети включать дополнительные конденсаторы, емкость которых должна удовлетворять следующему условию:
n
ф
где R - эквивалентное продольное активное сопротивление фазы электросистемы. С - емкость между каждой из фаз и корпусом.
При таком способе заземления нейтрали, ограничение перенапряжений достигается за счет воздействия на переходные процессы в контуре нулевой последовательности, а также за счет изменения характера переходных процессов между фазами.
Известно, что максимальные кратности перенапряжений определяются как сумма принужденной и свободной составляющих, где свободная составляющая представляет собой высокочастотные колебания. Предлагаемый способ изменяет характер свободной составляющей напряжения между неповрежденными фазами и корпусом, а также между неповрежденной фазой и поврежденной после замыкания фазы с колебательного на апериодический. Это устраняет высокочастотные колебания, являющиеся причиной наибольших перенапряжений. Кроме того, происходит снижение напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу после гашения дуги. Для осуществления этого, параметры элементов, используемых при реализации способа, следует подбирать таким образом, чтобы переходные процессы носили апериодический характер. К тому же в результате устранения колебаний в сети уменьшается скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги, что затрудняет повторное ее зажигание и снижает вероятность приобретения ей перемежающегося характера.
Переходные процессы будут носить апериодический характер, если характеристическое уравнение системы имеет только действительные корни. Поскольку система включает в себя несколько независимых накопителей, ее уравнение слишком высокого порядка, чтобы получить аналитические выражения для его корней и определить на их основе необходимое сочетание параметров схемы. Однако этого результата можно достичь, используя теорему Штурма.
На прилагаемых к заявке графических материалах изображены:
на фиг.1 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ устранения перенапряжений;
на фиг.2 - схема модели, которая применялась при реализации способа устранения перенапряжений.
на фиг.3 - осциллограммы напряжений при однофазном замыкании в электросистеме без предлагаемого способа.
на фиг.4 - осциллограммы напряжений при однофазном замыкании в электросистеме с использованием предлагаемого способа.
На прилагаемых схемах приняты следующие обозначения:
1 - конденсаторы; 2 - резистор; 3 - дополнительные конденсаторы; 4 - осциллограф; 5 - обмотка электрооборудования; 6 - фазные емкости электросети; 7 - неустойчивый контакт между фазой сети и землей; 8 - нагрузка.
На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ защиты от перенапряжений. Устройство состоит из конденсаторов 1, соединенных звездой и образующих нейтральную точку сети, резистора 2, включенного между нейтральной точкой емкостных элементов и землей, а также конденсаторов 3, включенных между фазами электросети.
Определение сочетания емкости конденсаторов 1, 3 и остальных параметров электросистемы, позволяющего устранить свободные колебания, проводилось на основе теоремы Штурма. Как известно, высокочастотные колебания при коммутации фазы на корпус возникают, если система описывается характеристическим уравнением, среди корней которого есть комплексные числа. Устранить колебательные процессы в электросистеме можно, подобрав ее параметры таким образом, чтобы все корни уравнения были бы действительными числами.
Согласно теореме Штурма количество действительных корней на определенном интервале независимой переменной может быть найдено как разность чисел перемен знаков «системы Штурма» на границах этого интервала. Если на интервале от -∝ до ∝ количество действительных корней уравнения равно количеству всех корней (которое определяется порядком уравнения), то в электросети будут только апериодические переходные процессы. Этому соответствует условие, когда все коэффициенты при старших членах полиномов, входящих в «систему Штурма», положительны. Эти коэффициенты определяются параметрами электросети, что позволяет получить выражения (1), (2) для выбора емкости конденсаторов.
Конкретный пример осуществления способа
-12
На фиг.2 представлена схема сети с подключенными устройствами, реализующими предлагаемый способ. Напряжение сети - 230 В, частота - 50 Гц, фазная емкость - 4 мкФ, активное сопротивление обмотки источника - 0.1 Ом, индуктивность источника 6.63 мкГн. Реализация способа заключается в том, что к сети подключается: конденсаторы 1 и 3, а также резистор 2 по предложенным схемам. Устройства, реализующие способ устранения перенапряжений, имеют следующие параметры: сопротивление резистора - 1000 Ом; емкость конденсаторов 1, согласно (1), должна быть не меньше величины 24·10 Ф, выбрана - 2 мкФ; емкость конденсаторов 3, согласно (2), должна быть не меньше 442 мкФ, поэтому она выбрана равной - 500 мкФ.
На фиг.3 показаны осциллограммы напряжений в электросети без применения способа, из которых видно, что после замыкания возникают высокочастотные колебания, максимальная кратность перенапряжений, на зарегистрированных осциллограммах составляет 3.34 амплитуды фазного напряжения. Также видны высокочастотные колебания восстанавливающегося напряжения после гашения заземляющей дуги, что может привести к ее повторному зажиганию.
Результаты регистрации напряжений при использовании предлагаемого способа приведены на фиг.4. После установки устройств, реализующих способ защиты от перенапряжений, устраняются высокочастотные колебания в сети при коммутации фазы на корпус, в результате чего напряжение на фазах не превышает линейного. Высокочастотные колебания отсутствуют и после гашения заземляющей дуги, а напряжение на нейтрали быстро снижается.
Для проверки подтверждения необходимости указанных требований к параметрам устройства, реализующего способ, была проведена серия экспериментов, в ходе которых осциллографом 4 регистрировалось напряжение на междуфазной емкости и напряжение между поврежденной фазой и корпусом. Напряжения регистрировались при различных значениях емкостей конденсаторов 1 и 3, в то время как сопротивление резистора 2 и параметры электросистемы имели значения указанные в описанном примере.
В таблице 1 показана взаимосвязь наличия высокочастотных колебаний и емкости конденсаторов 1 на поврежденной фазе после гашения заземляющей дуги.
Таблица 1
Значение емкости С<sub>р</sub>, мкФ
Наличие высокочастотных колебаний на поврежденной фазе после гашения заземляющей дуги
0
Есть
1
Нет
2
Нет
5
Нет
-12
Согласно выражению (1), емкость конденсаторов 1 для описанной в примере электросистемы должна быть больше или равна 24·10 Ф. Как видно из таблицы 1, высокочастотные колебания действительно устраняются только при этом условии.
В таблице 2 показаны результаты регистрации перенапряжений при различных величинах емкости конденсаторов 3, из которой видно, что устранение перенапряжений достигается при емкости 500 мкФ, что соответствует условию (2).
Таблица 2
Значение емкости С, мкФ
Максимальная кратность перенапряжений между фазами относительно амплитуды линейного напряжения сети
Наличие колебаний
0
1.66
Есть
10
1.18
Есть
50
1.03
Есть
100
1.01
Есть
500
1
Нет
Таким образом, видно, что реализованная схема при указанных условиях позволяет устранить высокочастотные колебания напряжения на неповрежденной фазе после возникновения заземляющей дуги и на поврежденной фазе после ее гашения, что решает поставленную задачу повышения надежности и безопасности.