авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МЭИ"

На правах рукописи

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.

2 ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЕ................................................................................................................ ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................... ГЛАВА 1. УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА............................................................. Типовые схемы и состав систем оперативного постоянного тока............ 1.1.

Проблемы электромагнитной совместимости............................................ 1.2.

Импульсные коммутационные перенапряжения........................................ 1.3.

Сравнение устройств защиты от перенапряжений..................................... 1.4.

Выводы......................................................................................................... 1.5.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЖПОЛЮСНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, ВЫЗЫВАЕМЫХ СРАБАТЫВАНИЕМ ПЛАВКИХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ........................................................... Введение....................................................................................................... 2.1.

Физические процессы при отключении коротких замыканий 2.2.

предохранителем................................................................................................... Стадии развития и гашения дуги............................................................. 2.2.1.

Плавление вставки предохранителя........................................................ 2.2.2.

Влияние продольной теплопередачи....................................................... 2.2.3.

Практические выводы............................................................................... 2.2.4.

Сведения о программе EMTP-RV................................................................ 2.3.

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

Реализация модели в EMTP-RV................................................................... 2.5.

Реализация модели в Mathcad..................................................................... 2.6.

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

Сопоставление результатов моделирования в EMTP-RV и Mathcad...... 2.7.1.

Сопоставление результатов моделирования и данных фирмы 2.7.2.

производителя........................................................................................................ Допустимость представления схем замещения элементов 2.7.3.

сосредоточенными параметрами.......................................................................... Выводы......................................................................................................... 2.8.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ РАЗЛИЧНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ЗАЩИТЫ........................................................ Введение....................................................................................................... 3.1.

Межполюсное коммутационное перенапряжение..................................... 3.2.

Описание условий исследования............................................................. 3.2.1.

Вариант без использования защиты от перенапряжений....................... 3.2.2.

Вариант с использованием устройства защиты от импульсных 3.2.3.

перенапряжений..................................................................................................... Анализ результатов................................................................................... 3.2.4.

Перенапряжение между полюсом и землей................................................ 3.3.

Общие сведения........................................................................................ 3.3.1.

Вариант с использованием устройства защиты от импульсных 3.3.2.

перенапряжений..................................................................................................... Вариант с использованием диодной защиты.......................................... 3.3.3.

Анализ результатов................................................................................... 3.3.4.

Перенапряжение при отключении соленоида включения высоковольтного 3.4.

выключателя.......................................................................................................... Описание условий исследования............................................................. 3.4.1.

Сравнение эффективности диодной защиты и устройства защиты от 3.4.2.

импульсных перенапряжений............................................................................... Анализ результатов................................................................................... 3.4.3.

Натурные испытания по отключению коротких замыканий в системе 3.5.

оперативного постоянного тока автоматическими выключателями................ Цель, объект и задачи испытаний.......................................................... 3.5.1.

Технические средства............................................................................. 3.5.2.

Анализ результатов................................................................................. 3.5.3.

Выводы....................................................................................................... 3.6.

ГЛАВА 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЗАЩИТЕ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ С УЧЕТОМ СОВРЕМЕННЫХ ТРЕБОВАНИЙ К КАЧЕСТВУ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ............................................................................................................... Введение..................................................................................................... 4.1.

Рекомендации по выбору защиты от перенапряжений............................ 4.2.

Выводы....................................................................................................... 4.3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПИСЬМО О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТ ОАО «ФСК ЕЭС»...................................... ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы. Опыт эксплуатации низковольтных установок постоянного тока на электростанциях (ЭС) и подстанциях (ПС) свидетельствует о периодически возникающих случаях появления перенапряжений в этих сетях.

Ранее, когда релейная защита (РЗ) выполнялась на базе электромеханических реле, перенапряжения не вызывали существенных проблем. С внедрением микропроцессорной техники, более чувствительной к перенапряжениям, возникла опасность повреждений и ложных срабатываний релейной защиты и автоматизированных систем управления ЭС и ПС. Это, в свою очередь, может вызывать серьёзные аварии на энергообъектах страны. Скудная статистика таких аварий объясняется отсутствием системы сбора и анализа подобной информации, а также объективными трудностями в определении истинных первопричин аварий.

Данная работа посвящена разработке рекомендаций по защите установок постоянного оперативного тока от перенапряжений. Система оперативного постоянного тока (СОПТ) предназначена для снабжения электроэнергией 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 питания и электромагнитной совместимости электроприемников и систем питания. Изменение состава электроприемников постоянного тока приводит к необходимости пересмотра требований к устройствам защиты от перенапряжений. В настоящее время, в России, наметилась не всегда оправданная тенденция к использованию зарубежных средств защиты и необоснованному отказу от проверенных практикой отечественных защитных устройств.

Решить эти проблемы может разработка научно обоснованных рекомендаций по выбору способов и средств защиты от перенапряжений в СОПТ с учетом современных требований к качеству электропитания.

Ввиду того, что система оперативного постоянного тока является неотъемлемой частью любой электрической станции и подстанции напряжением 110 кВ и выше, 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 на основе варисторов, сравнение (УЗИП) 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 EMTP-RV, натурных экспериментов на учебной исследовательской установке постоянного тока фирмы кафедры Gutor «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.

диссертационной работы Достоверность научных положений 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 программных комплексах EMTP-RV и Mathcad с данными, предоставляемыми производителями защитных аппаратов. Расхождение между сопоставляемыми параметрами не превысило 10%.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) математическая модель СОПТ 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 (НПИ), 25-27 сентября, г.

Новочеркасск, 2012 г.).

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

По результатам исследований было опубликовано шесть Публикации.

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 наименований, одного приложения. Основной текст изложен на 120 страницах, включает 68 рисунков и 16 таблиц. Общий объем диссертации составил 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 EMTP-RV и Mathcad. 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 с использованием программы EMTP-RV.

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

В четвертой главе 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.

Таким образом, рекомендовано в щите постоянного тока (ЩПТ) применять диодную защиту, вследствие большей её эффективности для режекции импульсов перенапряжений полюс - земля, а также возможных импульсов при отключении соленоидов включения высоковольтных выключателей.

ГЛАВА 1. УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА 1.1. Типовые схемы и состав систем оперативного постоянного тока Объектом исследований данной работы являются системы оперативного постоянного тока подстанций напряжением 110-750 кВ. СОПТ на электрических подстанциях является одной из важнейших систем. От её исправного функционирования зависит надежность работы, как подстанции, так и энергосистемы в целом.

Постоянный оперативный ток от аккумуляторных батарей применяется на ЭС различных типов и крупных ПС напряжением 110-750 кВ, а также на ПС с воздушными выключателями, синхронными компенсаторами и принудительной системой охлаждения трансформаторов.

Широкое использование постоянного оперативного тока в основном вызвано тем, что многие применяемые в электроустановках собственных нужд ЭС и ПС механизмы, выполненные на постоянном токе, имеют более простую конструкцию и лучшие характеристики, чем выполненные на переменном токе.

Оперативный ток на ПС используют для обеспечения рабочего и резервного питания следующих электроприемников:

- устройств релейной защиты и автоматики (РЗА);

- устройств управления и приводов высоковольтных выключателей;

- устройств сигнализации;

- устройств противоаварийной автоматики;

- устройств коммерческого учета электроэнергии;

- устройств связи, обеспечивающих передачу сигналов РЗА;

- приводов автоматических вводных и секционных выключателей щитов собственных нужд (ЩСН) напряжением 0,4 кВ.

СОПТ должна обеспечивать резервное питание:

- инверторов резервного питания автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП);

светильников аварийного освещения помещений аккумуляторной батареи, общеподстанционного пункта управления (ОПУ), релейного щита, закрытых распределительных устройств (ЗРУ), насосных, камер задвижек пожаротушения.

На подстанциях единой национальной электрической сети (ЕНЭС) должны использоваться системы оперативного постоянного тока, где источником тока является свинцово-кислотные аккумуляторы открытых (вентилируемых) типов [1].

На рис. 1.1 показана типовая схема системы оперативного постоянного тока с раздельными вводами шинок питания (ШП) электромагнитов включения и шинок управления (ШУ) [2].

Рис. 1.1. Вариант схемы системы оперативного постоянного тока с раздельными вводами ШП и ШУ: АБ – аккумуляторная батарея, ЗУ1,ЗУ2 – зарядные устройства, EY – шинки питания электромагнитов включения выключателей или механизмов заводки включающей пружины, EC – шинки управления, QF1-QF – защитные коммутационные аппараты (предохранители) У схемы рис. 1.1 есть недостаток: не резервируется цепь ввода АБ. Лишена такого недостатка схема СОПТ на рисунке 1.2.

Рис. 1.2. Вариант схемы СОПТ повышенной надежности: АБ – аккумуляторная батарея, ЗУ1, ЗУ2 – зарядные устройства, EY – шинки питания электромагнитов включения выключателей или механизмов заводки включающей пружины, EC – шинки управления В [3] не рекомендуется применять схемы с питанием электроприемников (обычно терминалы РЗА) через разделительные диоды в обоих полюсах СОПТ.

Каждый такой потребитель получает питание сразу от двух секций шин постоянного тока DC1 и DC2 через 4 диода, обеспечивающих разделение между положительными и отрицательными полюсами этих двух секций шин СОПТ (см.

рис. 1.3).

Рис. 1.3. Вариант схемы СОПТ с питанием электроприемников через разделительные диоды в обоих полюсах: АБ1, АБ2 – аккумуляторные батареи первого и второго комплекта СОПТ, ЗУ1, ЗУ2 – зарядные устройства первого комплекта СОПТ, ЗУ3, ЗУ4 – зарядные устройства второго комплекта СОПТ, VD – разделительные диоды, Q1-Q4 – автоматические выключатели Несмотря на то, что данное техническое решение содержит минимальное число коммутационных аппаратов и обеспечивает надежное резервирование цепей питания РЗА, в некоторых нештатных режимах работы установки диоды с емкостями полюсов фактически могут образовывать удвоитель напряжения.

Например, при проведении наладочных или ремонтных работ в СОПТ или при не выявленном вовремя замыкании на землю цепи соединенной с одним полюсом DC1 и последующим внезапным замыканием на землю цепи, соединенной с противоположным полюсом DC2. При этом к устройствам РЗА оказывается приложенным напряжение около 450 В, приводящее к выходу из строя большинства устройств, оказавшихся под этим напряжением. Из практики эксплуатации подобных схем известны неоднократные случаи массовых повреждения устройств РЗА из-за суммирования напряжений DC1 и DC2 через диоды.

На действующих подстанциях наибольшее распространение получили аккумуляторные батареи открытого типа с пластинами из свинца [4]:

отечественные аккумуляторы типа СК Курского завода «Аккумулятор» и батареи типа СН Югославского производства, большая часть из которых, выработала свой ресурс. В последнее время наблюдается массовая замена отечественных акку муляторных батарей на зарубежные батареи открытого исполнения серии GroE с удельным внутренним сопротивлением менее 180-200 мОм*А*ч. [5], основным отличием которых от батарей типа СК является малообслуживаемость (доливка дистиллированной воды осуществляется один раз в 3-5 лет) и устойчивость к коррозии. Также преимуществом батарей данного типа является существенное снижение выделения взрывоопасной водородной газовой смеси в процессе эксплуатации, что снижает требования к вентиляции помещений аккумуляторных батарей [6-10]. На вновь сооружаемых подстанциях емкость аккумуляторных батарей выбирается исходя из условия работы СОПТ от аккумуляторов в аварийном режиме не менее 2 часов [11].

В комплект СОПТ входит аккумуляторная батарея, два зарядных устройства и щит постоянного тока, в котором кроме коммутационно распределительной аппаратуры размещена аппаратура управления, мониторинга, регистрации аварийных событий, измерения и сигнализации. Для всех аккумуляторных батарей выполняется сеть взаимного резервирования так, что в каждый щит постоянного тока может быть подано питание от батареи второго щита.

В качестве зарядных устройств на подстанциях используются выпрямительные агрегаты. Типичным для большинства ЭС и ПС является зарядно-подзарядный выпрямительный агрегат типа ВАЗП-380/260-40/80. В системе постоянного тока выделяют генерирующую и распределительную части [12]. В генерирующую часть системы входит ЩПТ с присоединенными к нему аккумуляторной батареей и зарядными устройствами. Распределительная часть СОПТ включает сборные шины, коммутационные и защитные аппараты, кабельную сеть.

Щит постоянного тока выполняется с двумя системами шин. К силовым шинам подключается аккумуляторная батарея и зарядное устройство, питающие цепи электромагнитов выключателей, двигательная нагрузка, устройства связи, аварийное освещение и др. От оперативных шин питаются цепи управления, авто матики, сигнализации и защиты.

Распределительная сеть СОПТ включает сборные шины, коммутационные и защитные аппараты, кабельную сеть. Распределительная сеть в существующих установках имеет вид колец, при этом каждое кольцо подключается к двум разным секциям ЩПТ, что обеспечивает возможность выполнения ремонтно профилактических работ в сети и повышает надежность питания электроприемников. В нормальном режиме кольца питания при наличии одного вводного выключателя на ЩПТ работают в разомкнутом режиме. Работа колец питания в замкнутом режиме может привести к затяжному КЗ и неселективному отключению защитного аппарата в цепи ввода аккумуляторной батареи. Так как питание устройств РЗА от ЩПТ осуществляется по разомкнутому кольцу, то отключение по любой причине защитного аппарата рабочего кабеля ведет к потере питания устройств РЗА, установленных в щите управления.

Распределительные сети постоянного тока обычно имеют разветвленную кабельную сеть. Длина отдельных кабельных линий может достигать километра.

Это обстоятельство обуславливает большую емкость полюсов распределительной сети относительно земли. Увеличение емкости сети способствует нежелательному проникновению помех через контур заземления в сеть из первичных цепей подстанции, создает трудности в применении устройств автоматического поиска присоединений ЩПТ с повреждениями изоляции относительно земли.

Основная тенденция схемотехнических решений в современных СОПТ – это повышение надежности работы при одновременном уменьшении затрат на обслуживание, ориентация на возможность использования систем постоянного тока на энергетических объектах без постоянного присутствия эксплуатационного персонала.

В СОПТ энергообъектов в качестве отключающих защитных аппаратов применяются плавкие предохранители и автоматические выключатели. При этом, последние 20-30 лет при проектировании отечественных СОПТ преимущество отдавалось автоматическим выключателям, однако в последнее время ситуация начала меняться. В наиболее старых проектах использовались выключатели типа АВМ, позднее стали использоваться выключатели серии A3700 или серии ВА.

Основным аргументом в пользу автоматических выключателей является удобство эксплуатации. Широкому распространению автоматических выключателей способствовал специфический характер нагрузок. Включение наиболее мощных электроприемников – соленоидов включения высоковольтных выключателей – сопровождалось значительными бросками токов, от которых необходимо отстроить защитные аппараты. Автоматические выключатели было проще отстроить от бросков тока, так как они имеют расцепитель комбинированного действия.

При использовании современных плавких вставок существует возможность предусмотреть меры по индикации их состояния. Современные вставки имеют комбинированный индикатор срабатывания, обеспечивающий возможность местного визуального контроля и дистанционного контроля. При реконструкции старых и строительстве новых энергообъектов для защиты от перегрузок и КЗ используются аппараты комбинированного типа, объединяющие функции предохранителя, выключателя и разъединителя. Кроме того, предохранители не требуют затрат на техническое обслуживание, а к обслуживающему персоналу предъявляются минимальные квалификационные требования. Цена плавких предохранителей намного ниже, чем у автоматических выключателей.

За рубежом тенденция изменения состава электроприемников оперативного тока возникла раньше, чем в России. При этом в качестве защитных аппаратов на ЩПТ преимущественно используются плавкие предохранители.

В настоящее время в СОПТ применяются трехуровневые и двухуровневые системы построения защит [1], требующие обеспечения селективности защитных аппаратов.

Нижний уровень защит – это защита конечных электроприемников:

устройств релейной защиты, автоматики, связи и др.

Защита выполняется как автоматическими выключателями тепловыми расцепителями и c электромагнитной отсечкой, работающей без выдержки времени при КЗ на своих присоединениях, так и плавкими предохранителями.

Средний уровень защиты – это защита кабельных линий и вторичных сборок, находящихся в щите управления, на релейных щитах, в распределительных устройствах. Выполняется предохранителями с токами плавких вставок 15 - 60 А в цепях ШУ и 80 - 400 А – в цепях ШП. На существующих подстанциях этот уровень защит мог выполняться с помощью выключателей A3793 с токами срабатывания полупроводникового расцепителя в зоне перегрузки 200 - 250 А и временем срабатывания 4 с при токах КЗ 1000 1250 А, и с полупроводниковым расцепителем в зоне токов КЗ с токами срабатывания 350 - 400 А и временем срабатывания 0,1 - 0,15 с (для A3793 с I ном = 160 200 А и кратности полупроводникового расцепителя в зоне КЗ равной 2). Защита выключателей на 2-ом уровне также иногда выполняется автоматическими выключателями АК-63, ВА21-29, A3700 с электромагнитными отсечками без выдержки времени.

Верхний уровень защит – это защита секции шин ЩПТ на вводе АБ и вводах зарядных устройств. Уровень выполняется предохранителями с токами плавких вставок от 400 до 600 А. На существующих подстанциях этот уровень защит мог выполняться с помощью автоматических выключателей АВМ-4с с токами срабатывания зависимых расцепителей 15 - 500 А (при номинальных токах расцепителя А) и токами срабатывания независимых 120 - расцепителей 960 -4400 А и временем срабатывания обычно 0,6 сек или с помощью выключателей A3793 с токами срабатывания полупроводникового расцепителя в зоне перегрузки 312,5 А и временем срабатывания 8 или 16 с при токах КЗ 800 - 1500 А и с полупроводниковым расцепителем в зоне токов КЗ с токами срабатывания 800 - 1500 А и временем срабатывания 0,25 с.

В процессе эксплуатации автоматических выключателей выявлен ряд недостатков, в числе которых сложность организации безопасного проведения работ по проверке выключателя, особенно вводного;

необходимость выполнения обходных цепей для питания устройств управления и РЗА при проверке головного автомата;

отсутствие прогрузочных устройств на большие токи и проверка их работоспособности;

необходимость в специально обученном персонале.

Значительное количество (от 30 до 80%) от всей установленной на ЩПТ защитной аппаратуры было не чувствительно к токам дуговых коротких замыканий. Расцепители мгновенного действия автоматических выключателей АВМ, установленных в цепях ввода рабочего и резервного питания щита, обычно были не чувствительны даже к токам металлических КЗ на шинах щита.

Отключение таких КЗ при отсутствии выносных защит происходило с большой выдержкой времени расцепителями с обратно зависимой защитной характеристикой.

Защитные коммутационные аппараты, установленные на ЩПТ, при нормативном сроке службы 20 - 30 лет, фактически работают без замены 40 - лет. При этом их фактические характеристики отличаются от паспортных, что приводит к их непредсказуемой работе.

В цепях оперативного постоянного тока ПС применяются алюминиевые и медные кабельные линии сечением до 240 мм2. Длина этих линий может достигать нескольких сотен метров.

В общем виде потребителей оперативного постоянного тока принято делить на три вида:

• постоянная нагрузка – аппаратура управления, защиты, сигнализации и т.п.;

• кратковременная нагрузка – токи электромагнитов выключателей;

• временная (аварийная) нагрузка – аварийное освещение, инверторы АСУ ТП и т.д. в случае прекращения питания со шкафа собственных нужд.

1.2. Проблемы электромагнитной совместимости Неправильная работа релейной защиты по причине недостаточной электромагнитной совместимости (ЭМС), по данным «Мосэнерго» составляет до 10% от всех случаев ложной работы и касается в основном только реле на микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе [13]. Столь высокий процент случаев неправильной работы по причине недостаточной ЭМС вызван тем, что чувствительность к электромагнитным помехам микропроцессорных устройств релейной защиты на несколько порядков выше, чем у традиционных электромеханических защит. Так, если для нарушения работы электромеханического реле требуется энергия порядка 10-3 Дж, то для нарушения работы интегральных микросхем – всего 10-7 Дж. Разница составляет 4 порядка [14].

Согласно статистике, собранной представителями крупнейших японских компаний - производителей релейной защиты, сбои в работе устройств РЗ по причине проблем в цепях постоянного тока подстанций составляют примерно в 10% от общего числа сбоев работы [15]. Нужно учитывать, однако, значительно более благоприятную электромагнитную обстановку на энергообъектах в Японии по сравнению с российскими в виду длительности применения там микропроцессорных терминалов защит.

Рис. 1.4. Данные японских производителей устройств релейной защиты о повреждаемости устройств от электромагнитных воздействий Согласно диагностике состояния систем оперативного постоянного тока на объектах ОАО МОЭСК 2009 г. на 90% обследованных подстанций коэффициент затухания импульса напряжения при его проникновении из цепей приводов выключателей распределительных устройств в цепи РЗА РЩ (ГЩУ) находится в диапазоне от 6 до 20. Амплитуда ожидаемого импульса напряжения в цепях РЗА при этом может достичь 1,5 - 5кВ. Из ГОСТ 29280-92 и ГОСТ Р 51317.4.12-99 [58, 59] следует, что предельно допустимая амплитуда импульса противофазного напряжения, наводимого в цепях АСТУ разрядом молнии, составляет 1кВ (3-я степень жёсткости). На 90% подстанций не выполняются условия ЭМС при воздействии молниевых разрядов. Следовательно, для защиты устройств РЗА от импульсных перенапряжений в цепях СОПТ на ЩПТ необходимо устанавливать устройства защиты от перенапряжений.

При использовании постоянного оперативного тока возникают следующие затруднения в решении задач электромагнитной совместимости [16]:

- коммутация цепей постоянного тока со значительными индуктивностями вызывает опасные для электроприемников перенапряжения. Уровень указанных перенапряжений выше, чем при коммутации цепей переменного тока, в силу особенности гашения электрической дуги. На переменном токе гашение дуги, как правило, происходит при токах близких к нулевому значению. В этих условиях в индуктивностях цепи почти отсутствует магнитная энергия, и, следовательно, перенапряжения также практически отсутствуют. На постоянном токе в электрической дуге, возникающей при размыкании цепи выделяется значительная энергия, запасенная в индуктивностях. Этот процесс, как правило, сопровождается срезом тока и, значительными перенапряжениями;

- элементы защиты от перенапряжений должны гасить более значительные сопровождающие токи по сравнению с переменным током (который проходит через нулевое значение);

- более широкий диапазон отклонений напряжения на зажимах ак кумуляторной батареи и сети по сравнению с переменным током. Это обусловлено различием максимально возможного напряжения (при заряде) и минимального допустимого (при разряде). Современная электроэнергетика становится все более информатизированной, что осуществляется с помощью микроэлектронных и микропроцессорных технических средств. Однако эта аппаратура является довольно чувствительной к напряжениям, превышающим номинальное (см. рис. 1.5).

Рис. 1.5. Требования микропроцессорной техники к уровню напряжения.

Характеристика предоставлена ITIC (Informational Technology Industry Counsil) Требования к помехоустойчивости низковольтных входных и выходных портов питания постоянного тока электростанций и подстанций устанавливается в ГОСТ Р 51317.6.5-2006 [17]. В таблице 1.1 приведены требования по ЭМС к оборудованию ПС, получающему питание от СОПТ.

Если в СОПТ применяется устройство, имеющее помехоустойчивость ниже, чем требует [17], то соответственно, более жесткие требования должны предъявляться к СОПТ по ЭМС. Из этого следует, что, применяя устройства с низкой помехоустойчивостью по портам электропитания, должны вкладываться дополнительные финансовые средства в мероприятии по снижению уровней помех в СОПТ [18].

Таблица 1. Требования по ЭМС к оборудованию ПС, получающему питание от СОПТ Стандарт на метод Степень Испыта Вид помех испытаний на жесткости тельный Примечание помехоустой- испытаний уровень чивость Провалы U 30% (1 с) напряжения U 60% (0,1 с) электропитания МЭК 61000-4 Требования не Прерывания применяют для U 100% (0,5 с) напряжения выходных портов электропитания постоянного тока Пульсация ГОСТ Р напряжения питания 10% U ном 51317.4. постоянного тока 10 В Напряжение ГОСТ Р (длительны промышленной 51317.4.16 4 е помехи) частоты 100 В (1 с) Микросекундные импульсные помехи большой энергии ГОСТ Р (1/50 мкс - 6,4/ мкс) по схеме: 51317.4. - провод-провод 2 кВ - провод-земля 1 кВ Наносекундные ГОСТ Р 4 кВ 4 импульсные помехи 51317.4. Испытания проводят при частоте 1 МГц (более высокие Повторяющиеся частоты для колебательные ГОСТ Р испытаний затухающие помехи 51317.4. оборудования для по схеме подстанций с газовой изоляцией - на рассмотрении) - провод-провод 2,5 кВ - провод-земля 1 кВ Кондуктивные помехи, наведенные ГОСТ Р радиочастотными 10 В 10 В=140 дБ (мкВ) 51317.4. электромагнитными полями Поэтому темпы информатизации электроэнергетики во многом зависят от электромагнитной совместимости указанных технических средств с объектами информации. Электромагнитная обстановка в цепях оперативного тока является либо жесткой, либо крайне жесткой [16].

Жесткая электромагнитная обстановка характеризуется хотя бы одним из перечисленных ниже пунктов:

- технические средства имеют общую с энергетическим оборудованием систему защитного заземления;

- технические средства питаются от общей с другим оборудованием (включая силовое) сети;

- линии с различными уровнями сигналов и напряжений, кабели питания, управления, связи, информационные линии не разнесены. Кабели не экранированы и не защищены от перенапряжений;

- технические средства расположены за пределами основного здания.

Сосредоточенные части технического средства гальванически развязаны друг с другом. Кабели связи, выходящие за пределы основного здания, защищены от перенапряжений;

- в помещении имеется другое оборудование, подсоединенное к той же системе питания, что и техническое средство. В помещении могут быть оборудование высокого напряжения и источники статического электричества;

- возможно использование переносных радиотелефонов и радиостанций мощностью не более 12 Вт.

Крайне жесткая электромагнитная обстановка характеризуется хотя бы одним из перечисленных ниже пунктов:

- отсутствует специально спроектированная система защитного заземления технических средств, и они заземляются неупорядоченно;

- технические средства расположены в основном здании и вне его. Не все удаленные друг от друга части аппаратуры гальванически развязаны. Не все информационные кабели защищены от перенапряжений. Имеются информационные кабели, выходящие за пределы основного здания;

- возможно неограниченное использование переносных радиотелефонов и радиостанций. Поблизости могут находиться мощные радиопередатчики.

Такая электромагнитная обстановка затрудняет внедрение устройств релейной защиты, электроавтоматики, телемеханики, управления, связи, техники АСУ ТП и других вторичных систем, реализованных на микроэлектронной и микропроцессорной базе. В связи с отмеченным, существуют две задачи, которые необходимо решить с целью создания требуемого уровня информатизированности электроэнергетики:

- улучшение электромагнитной обстановки на объектах информатизации, т.е. снижение уровня электромагнитных помех;

- повышение помехоустойчивости технических средств вторичных систем объектов информатизации.

Решение первой задачи связано с проведением сравнительно до рогостоящих обследований и трудоемких операций по реконструкции заземляющих устройств, прокладке информационных кабелей, установке экранов, барьеров и др. Вторую задачу решают, обычно, путем установки устройств защиты от перенапряжений, фильтров помех и т.д. В общем случае рациональный метод решения проблемы ЭМС заключается в технически и экономически обоснованном сочетании способов решения первой и второй задач.

Принцип, положенный в основу конструкции большинства защитных устройств заключается в шунтировании помех в защищаемой цепи на землю. Это, очевидно, требует наличия хорошего заземления, обеспечивающего связь между всеми присоединенными к нему элементами вторичных систем, как по промышленной, так и по высокой частоте. В противном случае защитные устройства малоэффективны или даже бесполезны.

Во многих случаях обследование электромагнитной обстановки устанавливает наличие конструктивных особенностей объектов, принципиально приводящих к проникновению электромагнитных полей, токов и потенциалов помех в защищенные зоны. Это, например, относится к случаю, когда элементы цепей высокого напряжения и силовых цепей находятся на расстоянии нескольких метров от здания или даже заходят в него. Обеспечить приемлемый уровень экранирования низкочастотных полей оказывается практически невозможным. Единственный выход – это такая коррекция схемы размещения аппаратуры и рабочих мест, при которой они выводятся из опасной зоны, определяемой по результатам оценки электромагнитной обстановки.

Широкое применение защитных устройств позволяет уменьшить стоимость работ по обеспечению требуемого уровня ЭМС. Это достигается за счет минимизации доли таких дорогостоящих защитных решений, как мас штабная реконструкция заземляющего устройства, изменение трасс прокладки кабелей, изменение схем грозозащиты, замена существующих кабелей на экранированные, широкое использование оптоволоконных средств и т.п.

Экономии можно добиться и за счет некоторого снижения объема работ по контролю электромагнитной обстановки.

Аварийные потенциалы на элементах заземляющих устройств и помехи от грозовых разрядов в основном определяются состоянием заземляющих устройств.

Поэтому помехи, вызванные внешними перенапряжениями - грозовыми разря дами и аварийными потенциалами заземляющих устройств могут быть существенно подавлены путем реализации зонной концепции заземления.

Основные ее положения приведены в стандартах МЭК 1024-1 (1990-03) "Защита сооружений от удара молний. Часть 1. Общие принципы" [19] и МЭК 1312-1 (1995-02) "Защита от электромагнитного импульса молнии. Часть 1.

Общие принципы" [20].

Суть данной концепции заключается в том, что объект, подлежащий молниезащите (защите от перенапряжений), разбивается на три условных зоны.

Предусматривается последовательное снижение уровня перенапряжений от зоны 0 к зоне 1 и далее к зоне 2, в которой устанавливается оборудование. Границей зоны 0 и зоны 1 служит внешний контур заземления и стены здания.

Современная классификация защитных устройств строится в соответствии с зоновой концепцией молниезащиты. Основные классы защитных устройств приведены в IEC 1643-1 (37A/44/CDV: 1996-03) "Устройства защиты от волн перенапряжения для низковольтных систем распределения электроэнергии.

Эксплуатационные требования и методы испытания".

Однако, внутренние перенапряжения – импульсные коммутационные перенапряжения не могут быть уменьшены с помощью зонной концепции.

Поэтому при анализе систем защиты цепей оперативного постоянного тока от электромагнитных помех основное внимание должно быть уделено использованию элементов, ограничивающих помехи.

Существуют два подхода к определению параметров импульсных помех:

экспериментальный реализуемый с помощью • (статистический), непосредственных измерений на существующих объектах;

• теоретический (расчетный), с помощью применения математического и (или) физического моделирования процессов, происходящих в исследуемых электроэнергетических системах при импульсных коммутационных помехах.

Каждый из этих подходов имеет свои недостатки. Статистический подход к определению параметров помех с использованием математического аппарата теории вероятности требует большого количества измерений в течение длительного времени из-за того, что возникновение недопустимых помех – редкое явление и носит случайный характер. Кроме того, для применения традиционных средств измерения (осциллографы, импульсные вольтметры и др.) необходим ряд дополнительных устройств: входных делителей, фильтров, схем запуска и управления, схем сопряжения с ЭВМ, защиты от импульсных помех в их цепях питания. В результате получается достаточно сложная информационно измерительная система, эксплуатация которой вне лабораторных условий затруднена. Это приводит к необходимости создания дорогостоящих специали зированных устройств для исследования импульсных коммутационных помех.

Применение статистического подхода в качестве единственного для определения параметров помех сомнительно еще из-за того, что не исключена возможность неучета или не фиксирования маловероятного, но возможного, максимального импульса перенапряжений.

Учитывая ответственное назначение цепей оперативного тока, более целесообразно ориентироваться на наихудший случай – максимально-возможные параметры импульсных коммутационных помех. Для точного определения параметров помех необходимо учесть большое количество факторов, не все из которых возможно учесть без соответствующих измерений на исследуемых объектах или на их физических моделях, т.е. создание точных расчетных методов является сложной задачей без исходных данных, полученных экспериментально.

Однако расчетные модели, несмотря на большую трудность их получения, более универсальны, и после небольшой адаптации, возможно их применение для различных объектов. Как известно, основной причиной возникновения импульсных коммутационных помех являются процессы коммутации, приводящие к быстрому изменению отключаемого тока и соответственно к быстрому перераспределению и преобразованию энергии. Поэтому при расчетном подходе к анализу помех определяющими являются модели аппаратов, производящих коммутацию: автоматические выключателей и предохранителей.

1.3. Импульсные коммутационные перенапряжения Импульсные коммутационные перенапряжения наиболее опасны по последствиям в СОПТ, так как они приложены к входам электроприемников в виде противофазной помехи и приводят к повреждениям их блоков питания, в частности, конденсаторов, транзисторов, выпрямительных диодов и тиристоров.

Причиной возникновения импульсных коммутационных перенапряжений, является коммутация индуктивных элементов системы. Примерами таких коммутаций являются:

- отключение автоматическими выключателями, предохранителями или контакторами индуктивной нагрузки;

- отключение выключателями или предохранителями коротких замыканий;

- включение индуктивной нагрузки, сопровождаемое отскоком контактов выключателя.

При отключениях выключателями коротких замыканий, а также при срабатываниях предохранителей, вызванных короткими замыканиями, перенапряжения могут возникнуть со стороны источника питания. В этом случае причина появления перенапряжения совпадает с причиной появления перенапряжения при отключении индуктивной нагрузки – высвобождение запасенной в индуктивности электромагнитной энергии.


Включение индуктивной нагрузки, сопровождаемое отскоком контактов выключателя, является частным случаем отключения индуктивной нагрузки.

Однако возникающие при этом перенапряжения значительно меньше по амплитуде и энергии, так как в этом случае происходит отключение не установившегося тока цепи, а переходного тока, который заведомо меньше.

Поэтому нет необходимости изучения данного вида коммутаций с точки зрения коммутационных перенапряжений.

По продолжительности такие перенапряжения подразделяют на микросекундные большой энергии и наносекундные малой энергии.

Микросекундные импульсные коммутационные перенапряжения в цепях оперативного постоянного тока возникают при срабатывании предохранителей и автоматических выключателей. Микросекундные перенапряжения могут содержать компоненты как в высокочастотной, так и в низкочастотной областях.

Спектр частот микросекундных импульсных помех зависит не только от вида коммутационного аппарата, но и от протяженности отключаемых участков.

Частота будет тем выше, чем меньше протяженность (и, следовательно, емкость и индуктивность) коммутируемого участка. Микросекундные перенапряжения, имеющие спектр частот в высокочастотной области, представляют большую опасность по сравнению с низкочастотными микросекундными импульсными помехами.

Существует различие в проявлении воздействий микросекундных импульсных помех большой энергии и наносекундных импульсных помех с малой энергией. Первые могут иметь энергию до 1 кДж и выше и могут привести к повреждению кабелей и входных фильтров. В свою очередь, наносекундные импульсные помехи с существенно меньшей энергией по сравнению с микросекундными, обычно вызываемые коммутациями электромеханическими реле (чаще всего промежуточными), могут проникать во внутренние цепи аппаратуры и вызывать сбои цифровых систем управления преобразователями, автоматов бесперебойного питания, выпрямителей и др. Наносекундные импульсные помехи чаще всего возникают при коммутации тока обмоток электромеханических реле. Такие реле являются наиболее распространенными электроприемниками в системах оперативного постоянного тока, так как они составляют основу логической части релейной защиты, автоматики, управления, сигнализации и др.

Таблица 1. Идентификация причин отказов аппаратуры Вид помехи Вид отказа Перегорание плавких предохранителей. Разрушение Микросекундные интерфейсных элементов оптронов, (трансформаторов, импульсные преобразователей и т. п.). Перекрытие между цепями ввода помехи вывода и внутренними цепями аппаратуры, приводящее к выходу из строя основных логических элементов.

Ложное срабатывание индикаторов из-за изменения состоя ния соответствующих логических схем под действием помех.

Наносекундные Перезагрузка из-за срабатывания сторожевых таймеров и импульсные других средств самоконтроля. «Зависание» аппаратуры из-за помехи появления фатальных ошибок в программах и данных.

Невосстанавливающееся повреждение интегральных схем.

1.4. Сравнение устройств защиты от перенапряжений Среди полупроводниковых ограничителей перенапряжений поглощающего типа напряжением до 1 кВ различают три основных типа защитных устройств:

варисторы, разрядники и ограничительные диоды. В СОПТ в частности для защиты от перенапряжений используются устройства защиты от импульсных перенапряжений ограничивающего и комбинированного типов, а также силовые выпрямительные диоды в составе так называемой диодной защиты. В УЗИП ограничивающего типа основным защитным элементом является варистор, а в УЗИП комбинированного типа применяется сочетание варистора с искровым промежутком (см. рис. 1.6).

Устройства защиты от перенапряжений в СОПТ УЗИП Диодная УЗИП ограничивающего защита комбинированного типа Варистор и искровой Варистор Силовой диод промежуток Рис. 1.6. Виды защиты от коммутационных перенапряжений в СОПТ и их элементная база В последние десятилетия для защиты от импульсных перенапряжений в электрических сетях различного назначения наиболее широкое применение нашли варисторы. Название «Varistor» образовано от двух слов: «Vari(able) (Resi)stors», или «переменное сопротивление», — это полупроводниковые или металлооксидные, оксидноцинковые) резисторы, (карбидокремниевые электрическое сопротивление (проводимость) которых нелинейно зависит от приложенного напряжения. Защитное действие варисторов проявляется при 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. Типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора имеет резко выраженную нелинейную симметричную форму, пример вольт-амперных характеристик варисторов на основе оксида цинка и карбида кремния приведен на рисунке 1.7.

Рис. 1.7. Типичная ВАХ варистора (синим цветом – на основе оксида цинка, красным – карбида кремния) В технической литературе [21] ВАХ варистора в рабочем диапазоне описывается уравнением:

I = K U ( 1.1 ) где K – коэффициент, зависящий от типа варисторов и его размеров;

а – коэффициент нелинейности варистора, как правило, лежит в области от до 10 для варисторов из карбида кремния (SiC) и от 20 до 100 для варисторов на основе оксида цинка (ZnO).

Уравнение (1.1) может быть представлено в двойном логарифмическом масштабе:

lg I = lg K + lg U ( 1.2 ) Уравнение (1.2) представляет собой уравнение прямой линии. Зная две пары величин ( U1 I1 и U 2 I 2 ), ВАХ варистора можно найти. Исходя из (1.2), коэффициент нелинейности:

lg I1 lg I = ( 1.3 ) lg U1 lg U Формула получила широкое применение на практике для (1.3) моделирования ВАХ.

В целом у варисторов можно выделить следующие достоинства:

а) широкий диапазон использования: от защиты электронных компонентов непосредственно на печатной плате до защиты электрических сетей напряжением 500 кВ мощными нелинейных ограничителями перенапряжений, выполненными на базе варисторов;

б) высокое значение допустимого тока (до 100 кА при импульсе тока 8/ мкс);

в) относительно высокое быстродействие (до 25 нс);

г) большая энергоемкость.

Недостатки варисторов и ОПН:

а) ограниченный срок службы, вызванный старением варисторов;

б) не всегда достаточный уровень ограничения перенапряжения (не ниже 1,7 - 2,2 от наибольшего напряжения, которое может быть приложено к выводам варистора неограниченно долго);

в) невозможность применения для защиты от перенапряжений в высокочастотных цепях.

При старении, зависящем от амплитуд импульсов тока и их количества, сопротивление варистора уменьшается. Характерные кривые ухудшения параметров варистора приведены на рис. 1.8. Старение варистора в силовой цепи может привести к его сильному нагреву. Поэтому устройства защиты от импульсных перенапряжений на основе варисторов снабжаются тепловыми размыкателями и устройствами сигнализации отказа.

Рис. 1.8. Кривые ухудшения параметров варисторов На рисунке 1.9 показана конструкция варистора, крепящегося на стандартную DIN-рейку. Внутри корпуса модуля расположен дисковый варистор и механизм указателя степени износа варистора. При отсутствии импульсных напряжений ток через варистор пренебрежимо мал, и поэтому варистор в этих условиях представляет собой изолятор. Однако, по причине того, что варистор постоянно находится под напряжением, постепенно происходит деградация его вольт-амперной характеристики, о чем обычно не сообщается в рекламных проспектах по данному типу устройств. При возникновении импульса перенапряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает своё сопротивление до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая её и рассеивая поглощённую энергию в виде тепла.

Рис. 1.9. Внешний вид варистора, устанавливаемого на DIN-рейку, 1– Корпус, 2 – Встроенный предохранитель, 3 – Сменный варисторный модуль, 4 – Указатель «износа» варисторного модуля, 5 – Насечки на контактных зажимах На рисунке 1.10 показана принципиальная схема УЗИП комбинированного типа.

Рис. 1.10. Принципиальная схема типового УЗИП комбинированного типа В сетях постоянного тока с изолированными от земли полюсами хорошо зарекомендовала себя в качестве защиты от коммутационных перенапряжений диодная защита, состоящая из силовых полупроводниковых диодов, подключаемых встречно по отношению к полярности напряжения АБ между каждым полюсом СОПТ и Первоначально, для ограничения «землей».

перенапряжений использовались диоды с номинальным током 50 А (предложение Борухмана В.А. из ОРГРЭС). Позже, из опыта эксплуатации, для предотвращения пробоев стали применять более мощные диоды на номинальный ток до 200 А и обратное напряжение В. Диоды переключаются через плавкий предохранитель и рубильник (см. рис. 1.11).

Рис. 1.11. Диодная защита СОПТ Требование установки в СОПТ лавинных диодов часто обосновывается ошибочным предположением, что те ограничивают перенапряжения между полюсом и землей в СОПТ за счет обратной ветви своей вольт-амперной характеристики. На самом деле, при возникновении перенапряжения между полюсом и землей в СОПТ максимальное обратное напряжение, приложенное к диодам, не превышает по модулю напряжения на аккумуляторной батарее. Любое превышение обратного напряжения на одном из диодов сразу же приведет к ограничению данного напряжения до уровня напряжения АБ благодаря прямой ветви вольт-амперной характеристики диода на противоположном полюсе. В процессе режекции перенапряжений, обратная часть характеристики лавинных диодов может быть задействованной лишь при крутых, наносекундных, фронтах перенапряжений. Но перенапряжения с такими фронтами на шинах ЩПТ практически не возможны из-за больших значений емкости полюсов СОПТ относительно земли и из-за наличия индуктивности кабельных линий, связывающих ЩПТ с потенциальными источниками перенапряжений.


Следовательно, для защиты от перенапряжений между полюсом и землей в СОПТ могут использоваться обычные силовые выпрямительные диоды.

Положительные свойства диодов защиты:

а) высокая рассеиваемая энергия импульса (до 6,3 кА для импульса длительностью 10 мс);

б) высокое быстродействие (время открытия – единицы наносекунд по прямой ветви ВАХ и единицы пикосекунд – по обратной ветви);

в) уровень ограничения напряжения равен напряжению АБ г) отсутствие деградации характеристики д) низкая цена е) простота контроля исправности.

Сравнение характеристик защитных устройств от перенапряжений в СОПТ приведено в таблице 1.3 [22].

Вообще, вопрос ограничения перенапряжений в системах оперативного постоянного тока является малоизученным. Публикаций на эту тему в отечественных и зарубежных источниках практически не встречается.

В докладе утверждалось, что согласно замерам амплитуды [23] перенапряжений на входах терминалов релейной защиты в СОПТ достигали 5 кВ.

Авторами публикации также заявлено, что диоды оказываются неэффективными при частоте перенапряжений свыше 100 кГц. Предложено устанавливать в качестве защитных устройств параллельно соединенные ветви с металлооксидным варистором и последовательно соединенными диодом и дросселем. Однако высокочастотные перенапряжения с частотой свыше 100 кГц при протекании в СОПТ от источника до чувствительного оборудования с большой вероятностью будут рассеяны на распределенных индуктивностях и емкостях соединительных кабелей. В самой публикации приводится оценка уменьшения амплитуды помех в процессе распространения – от 6 до 20 раз.

Минусом предложенной схемы является усложнение защитного устройства, а, следовательно, снижение его надежности. В публикации, также не освещен вопрос согласования параметров дросселя, диода и варистора, что, в общем-то является нетривиальной задачей.

Таблица 1. Сравнение устройств защит СОПТ от перенапряжений Устройство для защиты от импульсных перенапряжений Наименование ограничивающего комбинированного Диод параметра типа типа (варистор с искровым (металлооксидные варисторы) промежутком) 20 кА при 1 мс – для класса I 6,3 кА при Рассеиваемая 20 кА при 20 мкс – класс II импульсе 10 мс энергия 10 кА при 20 мкс – класс III (для Д161-200) согласно [30] единицы Время открытия 25 нс единицы наносекунд наносекунд Диапазон от максимального длительного рабочего эффективного от 0,7-1,0 В напряжения Uc = Uном ограничения, В Уровень защиты 24 кВ – для класса I 1 кВ – для класса II UАБ = 220 В (напряжение среза) 0,6 кВ – для класса III Деградация присутствует отсутствует отсутствует характеристики Цена от 25 $ до 50 $ до 50 $ 1.5. Выводы Перенапряжения могут вызывать отказы и ложные срабатывания 1.

релейной защиты и сбои автоматизированной системы управления ПС, что, в свою очередь, может вызывать серьёзные аварии в энергосистеме. До 10% случаев ложной работы устройств релейной защиты происходит по причине нарушения ЭМС на стороне СОПТ.

Коммутационные перенапряжения в установках постоянного тока 2.

более опасны для чувствительного оборудования, так как ток в момент среза не проходит через ноль, поэтому энергия, запасенная в индуктивности цепи, при прочих равных условиях, на постоянном токе оказываются больше чем на переменном.

Вопрос ограничения перенапряжений в системах оперативного 3.

постоянного тока является малоизученным. В связи с ужесточившимися требованиями по качеству электропитания потребителей вследствие внедрения микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики необходимы дополнительные исследования в области ограничения перенапряжений и выбора защитных устройств.

Основными расчетными случаями, порождающими внутренние 4.

межполюсные коммутационные перенапряжения в СОПТ, являются отключения коммутационными аппаратами индуктивной нагрузки и токов короткого замыкания.

В борьбе с внешними перенапряжениями эффективным средством 5.

является реализация зонной защиты с правильно выполненной системой заземления. Для ограничения внутренних перенапряжений необходимо использовать специальные ограничивающие устройства.

По итогам проведенного анализа выявлено, что у диодной защиты 6.

напряжение среза ниже, чем у УЗИП, оно фактически равно напряжению аккумуляторной батареи – 220 В. Варисторы имеют напряжение среза порядка тройного напряжения сети. Также у диодной защиты возможный уровень рассеиваемой энергии импульсов перенапряжения превышает таковой у УЗИП.

Отрицательной чертой УЗИП ограничивающего типа является постепенная деградация основных характеристик ввиду того, что эти устройства постоянно должны находиться под напряжением.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЖПОЛЮСНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, ВЫЗЫВАЕМЫХ СРАБАТЫВАНИЕМ ПЛАВКИХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ 2.1. Введение В данной главе описан процесс разработки математической модели СОПТ для исследования возникающих при отключении КЗ плавкими предохранителями межполюсных перенапряжений. В главе также приведены результаты исследований, проведенных на модели. Рассмотрены физические процессы, при отключении коротких замыканий. Приведено описание основных элементов расчетной модели. Произведена верификация результатов, полученных с помощью разработанной модели.

Как было показано в пункте 1.3 данной работы, основной причиной возникновения коммутационных перенапряжений в СОПТ являются операции отключения токов короткого замыкания либо индуктивной нагрузки предохранителями, автоматическими выключателями и контакторами, сопровождающиеся возникновением и гашением электрической дуги.

Второе уравнение Кирхгофа для сети, состоящей из источника напряжения E, сопротивления R, индуктивности L и коммутационного аппарата с напряжением на дуге U a (рис. 2.1, а) имеет вид:

di E = i R + Ua + L. ( 2.1 ) dt При замкнутых контактах коммутационного аппарата U a = 0. При устойчивом горении дуги, когда ток не изменяется, уравнение (2.1) имеет вид:

E = i R + Ua. ( 2.2 ) Если это равенство не удовлетворяется, то при условии E i R + U a di появляется положительная ЭДС самоиндукции (+ L ) и ток будет увеличиваться.

dt di Если E i R + U a, то возникает отрицательная ЭДС самоиндукции (- L ) и ток dt будет уменьшаться. Графически уравнение (2.1) представлено на рис. 2.1, б.

Прямая параллельная оси абсцисс, соответствует напряжению источника E, а прямая, проведенная под углом к оси абсцисс, соответствует падению напряжения на сопротивлении R. Кривая 1 представляет статическую ВАХ дуги.

U a = f (i ) ( E i R ), Отрезки, заключенные между кривой и прямой di соответствуют L.

dt Рис. 2.1. Условия гашения дуги постоянного тока. Расчетная схема (а), графическое представление второго уравнения Кирхгофа (б) ВАХ дуги и прямая ( E i R ) пересекаются в точках А и В. Уравнение (2.2) выполняется лишь в этих двух точках. Действительно, если по каким-либо причинам произойдет увеличение тока I B, то в цепи возникает положительная di ЭДС самоиндукции (+ L ), уменьшающая ток до значения I B. Наоборот, при dt di уменьшении тока I B в цепи возникает отрицательная ЭДС самоиндукции (- L ), dt которая будет увеличивать ток до значения I B. Таким образом, точка B является точкой устойчивого горения дуги. Точка А является точкой неустойчивого горения дуги, так как при уменьшении тока I A отрицательная ЭДС самоиндукции (-Ldi/dt) будет уменьшать ток до нуля, и дуга погаснет.

Таким образом, электрическая дуга постоянного тока погаснет, если будет ликвидирована точка устойчивого горения (точка В), т. е., если ВАХ дуги будет лежать выше прямой ( E i R ) и не будет с ней пересекаться. Таким образом, условие успешности гашения дуги постоянного тока характеризуется следующим выражением:

Ua E i R. ( 2.3 ) Достигнуть этого можно либо увеличением сопротивления R, либо повышением падения напряжения на дуге. В первом случае увеличивается угол наклона прямой i R = f (i ). Во втором случае ВАХ дуги поднимается выше.

Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов, параметров среды и условий охлаждения. Напряжение на дуге можно рассматривать как сумму Ua приэлектродных падений напряжения U э и падения напряжения в столбе дуги [23]:

U a = U э + Eп l, ( 2.4 ) где Eп – напряженность электрического поля в столбе дуги;

l – длина столба дуги.

Величина Eп зависит от тока и условий горения дуги. Статические ВАХ дуги изображены на рисунке 2.2. Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая ВАХ. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается напряженность Eп и ВАХ поднимается так же, как показано на рисунке 2.2.

Охлаждение дуги существенно влияет на ВАХ. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем большая мощность от нее отводится. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. Поскольку при заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге, то ВАХ поднимается, что также широко используется при конструировании дугогасительных устройств.

Рис. 2.2. Статические ВАХ дуги при различной ее длине Таким образом, в дугогасительных устройствах применяются следующие способы, позволяющие повысить падение напряжения на дуге:

1) растягивание дуги, при этом ВАХ перемещается параллельно самой себе в сторону больших падений напряжений;

2) деление дуги на ряд коротких дуг, при этом используются приэлектродные падения напряжения;

3) повышение давления газов в дуговом промежутке;

4) движение дуги в газовой среде, или наоборот, обдувание дуги газами;

5) соприкосновение дуги с поверхностью твердого изоляционного материала.

Последние три метода повышают падение напряжения на дуговом промежутке за счет увеличения градиента напряжения в стволе дуги.

В момент погасания дуги, когда ток равен нулю, напряжение на дуговом промежутке равно напряжению гашения U г. В этом случае уравнение (2.1) принимает вид:

di E = Uг + L, ( 2.5 ) dt Отсюда:

di Uг = E L. ( 2.6 ) dt di 0, то (2.6) можно записать в виде:

Но так как L dt di Uг = E + L. ( 2.7 ) dt Таким образом, в момент гашения дуги напряжение на контактах равно напряжению источника плюс модуль напряжения на индуктивности.

Чем больше индуктивность коммутируемой цепи и чем больше скорость спада тока в момент гашения, тем большее перенапряжение образовывается на контактах коммутирующего аппарата.

di Скорость спада тока ( ) зависит от скорости роста сопротивления dt дугового промежутка и от скорости его деионизации. Поэтому, быстродействующие аппараты при отключении цепи постоянного тока могут давать большие перенапряжения. Эти перенапряжения могут в десятки раз превышать напряжение источника.

Для определения теоретически максимально возможного значения перенапряжения, вызванного этими явлениями, в технической литературе принято допущение, что ток при отключении спадает мгновенно до нуля. Если значение тока перед его срезом ic, то с ним была связана электромагнитная энергия отключаемой цепи Lic2 2, где L – индуктивность отключаемой цепи.

Переход этой энергии в электростатическую энергию Cu 2 2, где C – емкость отключаемой цепи, может привести к значительным перенапряжениям.

Максимально возможное значение напряжения в отключаемой цепи будет в момент полного перехода электромагнитной энергии в электростатическую энергию и определяется исходя из баланса энергий по формуле:

L ua_max = E + ic, ( 2.8 ) C где ic – ток среза, L и С – эквивалентные индуктивность и емкость цепи, E – ЭДС источника питания.

2.2. Физические процессы при отключении коротких замыканий предохранителем 2.2.1. Стадии развития и гашения дуги Физические процессы, развивающиеся в быстродействующих предохранителях при отключении тока КЗ, несмотря на кажущуюся простоту, отличаются значительной сложностью.

Недостаточный уровень сведений об этих процессах в определенной степени связан с недостаточно эффективной работой аппаратуры, позволяющей анализировать физико-химические и тепломеханические явления, развивающиеся 15 20 103 °C, в наполнителе предохранителя при температурах порядка давлениях 1 3 106 Па и длящиеся всего несколько миллисекунд. Тем не менее, исследования, приведенные в [25] пополнили объем сведений о явлении дугогашения. Развитие и гашение дуги целесообразно подразделить на две стадии.

На первой, продолжающейся несколько десятков микросекунд, происходят нагрев, расплавление и испарение перешейков плавкого элемента под воздействием джоулева тепла. Интенсивное охлаждение образовавшихся при этом электрических дуг, обусловленное достаточно высокой степенью уплотнения наполнителя, вызывает рост напряжения и формирование так называемого первичного скачка напряжения.

На второй стадии происходит выгорание широкой части плавкого эле мента, которое реализуется через приэлектродные явления, т. е. через непосредственное воздействие дуги на плавкий элемент.

Рис. 2.3. Сложная форма плавкого элемента быстродействующего предохранителя (слева). Конец дугообразования и начала горения дуги в предохранителе (справа) Ввиду образовавшегося в столбе дуги высокого давления основная часть расплавившегося металла широкой части плавкого элемента разбрызгивается в окружающий наполнитель, а меньшая часть его (не более 10 %) испаряется.

Спектроскопические исследования позволили выявить ряд интересных особенностей. В частности, спектральные линии Ag I и Si I, II и III можно на блюдать через кварцевый песок в корпусе из пирекса при расплавлении перешейков серебряного плавкого элемента. В результате определения плотности каждого вида указанных частиц установлено, что отношение содержания паров кремния к кислороду равно 1 : 2 в воздухе, а отношение паров серебра к кремнию составляет 1 : 80 в кварцевом песке. Таким образом, дуга горит практически в парах наполнителя и, значит, независимо от материала плавкого элемента.

Практически в течение всего периода дугогашения, температура дуги, составляет около 20 103 °C. Расчетное значение давления дуги находится в пределах 6 105 Па и определяется в основном парами наполнителя. На рисунке 2. приведена типовая осциллограмма отключения тока КЗ предохранителем.

Рис. 2.4. Типовая осциллограмма отключения тока КЗ предохранителем в установке постоянного тока, t p – момент зажигания дуги, tt – момент погасания дуги 2.2.2. Плавление вставки предохранителя 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, селек тивность работы предохранителей и надежность всей системы защиты. В качестве основного количественного параметра, характеризующего преддуговые процессы, используется преддуговой интеграл Джоуля. Часто его также называют защитным преддуговым показателем. Последний теоретически просто определяется для проволочных плавких элементов однородного сечения. Для ленточных плавких элементов со сложной геометрией, характерной для современных быстродействующих предохранителей, методы расчета фактически отсутствуют ввиду необходимости учета ряда сложных и мало изученных факторов.

Для проволочного плавкого элемента предохранителя для преддугового нагрева в [25] получено уравнение:

I 2t = C М S 2. ( 2.9 ) где I, t — ток [А] и время [с] плавления плавкого элемента;

S — сечение плавкого элемента [мм2];

CМ — константа Мейера [ А 2 с мм 4 ].

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 нагрев адиабатическим с погрешностью около 2%. Указанное допущение эквивалентно рассмотрению адиабатического нагрева проволочного плавкого элемента бесконечно большой длины, когда процессы на концах проводника (его границах) не учитываются.

Уравнение теплового баланса для такого плавкого элемента можно записать в виде:

dTVc = i 2 (t )r (t )dt, ( 2.10 ) где r (t ) — сопротивление элемента;

Т — температура плавкого элемента;

V — его объем;

с — удельная теплоемкость материала плавкого элемента.

После преобразований уравнение 2.10 сводится к виду:

c ln(1 + Tn ) = J 2 (t )dt, ( 2.11 ) где с – удельная теплоемкость [ Дж °С м 3 ], 0 - удельное сопротивление [ Ом м ], - температурный коэффициент [1 °C ], Tn - температура плавления плавкого элемента [ °C ], (t )dt - преддуговой интеграл Джоуля [ А 2 с мм 4 ].

J 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 0 и его температурного коэффициента и температуры плавления Tn плавкого элемента. Левую часть (2.11) принято называть константой Мейера. Для алюминия, серебра и меди константа Мейера до момента плавления (первый этап) равна 2,83;

5,92 и 8,65 x 10 4 А 2 с мм 4 соответственно.

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

Q 1 + = J 2 (t )dt, ( 2.12 ) 2 1 где Q — скрытая теплота плавления на единицу объема [ Дж м 3 ];

1, 2 — удельное сопротивление материала плавкого элемента в твердом и жидком состоянии [ Ом м ].

При температуре плавления, при которой протекает второй этап, 2 1.

Здесь происходит быстрый рост температуры, равный для меди 100, а для серебра и алюминия 60 %. Для стадии расплавления константа Мейера равна (0,88;

1,02 и 1,35) x 10 4 А 2 с мм 4 соответственно для алюминия, серебра и меди. Однако анализ показывает, что скачок удельного сопротивления металла особой роли не играет. Например, при 2 = 31 увеличение интеграла на этом этапе не превысит 5% по сравнению с 2 = 1,6 1.

Третий этап процесса нагрева, завершающийся испарением, описывается выражением, аналогичным тому, что было записано для первого этапа. Константа Мейера для третьего этапа равна (0,84;

1,07 и 1,76) x 10 4 А 2 с мм 4 для алюминия, серебра и меди соответственно.

2.2.3. Влияние продольной теплопередачи Расположение весьма коротких (0,4—2,0 мм), узких (0,15—0,25 мм) и тонких (0,1—0,2 мм) перешейков между достаточно массивными широкими частями плавкого элемента в среде кварцевого наполнителя нарушает условия адиабатического нагрева даже при постоянном сечении перешейков.

Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что в этом случае на преддуговой интеграл оказывают влияние практически все параметры контура КЗ.

Рис. 2.5. Форма и размеры (мм) плавких элементов быстродействующих предохранителей В конечном счете, это влияние сводится к возрастанию длительности преддугового нагрева по сравнению со случаем адиабатического нагрева.

Эксперименты показали, что одним из основных факторов, нарушающих условия адиабатического нагрева, является продольная теплопередача от перешейков к широкой части элемента путем теплопроводности (радиальная отдача тепла через наполнитель незначительна). При длительном тепловом режиме независимо от наличия наполнителя до 65—70% тепла передается через торцы плавкого элемента.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.