"Новости Электротехники №2(22)"Об электромагнитной совместимости высокочастотных заградителей

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №4(22) 2003

Об электромагнитной совместимости высокочастотных заградителей

Наше издание снова обращается к теме ЭМС.
В журналах или на сайте www.news.elteh.ru Вы можете посмотреть ранее опубликованные материалы:

Россия задумалась об электромагнитной совместимости: Перечень новых стандартов в области ЭМС. – 2001. – № 3(9). – С.10-11.

Руслан Борисов. Невнимание к проблеме ЭМС может обернуться катастрофой. – 2001. – № 6(12). – С. 22-24.

Михаил Матвеев. Электромагнитная обстановка на объектах определяет ЭМС цифровой аппаратуры. – 2002. – №1(13). – С. 22-24; 2002. – №2(14). – С.26-27.

Борис Абрамович и др. Перенапряжения и электромагнитная совместимость оборудования электрических сетей 6-35 кВ. –2002. – №5(17). – С. 22-24.

Не раз наши авторы обращались и к «родственной» теме перенапряжений. Здесь можно вспомнить, к примеру, статью Г. Евдокунина и С. Титенкова «Перенапряжения в сетях 6(10) кВ создаются при коммутациях как вакуумными, так и элегазовыми выключателями» в №5(17) за 2002 год.

Станислав Шляхов, к.т.н., инженер,
Георгий Чирков, инженер, ОАО «РОСЭП»,
Александр Макаров, инженер, АО РЭМЗ «Энергия»

От электромагнитной совместимости (ЭМС) электротехнического оборудования с техногенной средой энергообъектов в значительной степени зависит надежность и безопасность электроснабжения. Электрические аппараты, находясь неограниченно долго под рабочим напряжением промышленной частоты, должны выдерживать ограниченные во времени импульсные перенапряжения.
Вообще говоря, переходные процессы и сопутствующие им перенапряжения присутствуют в любой электроустановке и являются одним из основных источников аварий в сетях высокого напряжения. Как правило, они имеют вид затухающих колебаний, проходят через трансформаторы и автотрансформаторы в сети других напряжений и распространяются на большие расстояния, электрически связанные с местом возникновения. На электрических подстанциях основные источники перенапряжений – это удары молнии, коммутации первичного оборудования и короткие замыкания.
В последние годы ведутся интенсивные исследования высокочастотных перенапряжений, которые в ряде случаев наиболее опасны, определяют выбор уровня изоляции, например для КРУЭ, и представляют собой угрозу для современных микропроцессорных устройств РЗА.
Амплитуда и частота высокочастотных импульсов зависят от схемы сети, режима работы, нагрузки, параметров установленного оборудования и др. Резонансными свойствами на высоких частотах обладают как различные элементы сети, трансформаторы, реакторы, генераторы, так и совокупность емкостей и индуктивностей основного оборудования подстанций. В ряде случаев шины на подстанциях и провода ВЛ должны рассматриваться, как линии с распределенными параметрами, в которых может возникать множество колебаний с частотами, кратными или некратными частотам основной гармоники.
Импульсные высокочастотные перенапряжения часто образуются при эксплуатационных и аварийных коммутациях ненагруженных шин подстанций и аппаратов с небольшой емкостью на землю (трансформаторов и реакторов). Вероятность появления таких высокочастотных перенапряжений достаточно велика. Так, по данным полевых исследований лаборатории имени А.А.Горева (СПбГТУ, бывший Ленинградский политехнический институт) в действующих электрических сетях, установлено, что среднее годовое число коммутаций выключателем шунтирующих реакторов равно 300 [1].
При включении реакторов происходит переходный процесс с частотой от 18 до 300 кГц, наложенной на напряжение промышленной частоты. А наибольшая частота повторяемости и максимальная амплитуда импульсов высокочастотных перенапряжений возникают при эксплуатационных переключениях разъединителями холостых участков шин высоковольтных подстанций. Каждая такая коммутация может сопровождаться генерацией импульсов с амплитудой, в несколько раз превышающей номинальное напряжение, и с частотами от 50 до 1000 кГц [2], которые совпадают с рабочим диапазоном частот высокочастотных заградителей и представляют для них большую опасность, так как они не были рассчитаны на такие условия работы.

Высокочастотные заградители
Высокочастотные заградители (ВЗ, или заградители) применяются при организации высокочастотных каналов связи по проводам линий электропередачи, с помощью которых осуществляется передача сигналов диспетчерского управления, релейной защиты и противоаварийной автоматики, обеспечивающих эффективное производство, передачу и распределение электроэнергии.
Электрические перенапряжения, генерируемые в электрических сетях высокого напряжения, являются одним из основных факторов нарушения работоспособности заградителей, установленных в проводах ВЛ. На некоторых линиях электропередачи отказы ныне действующих заградителей носят систематический характер из-за низкой стойкости к воздействию высоковольтных импульсов.
Проблема состоит в том, что ЭМС заградителей недостаточно изучена, а их традиционная защита, в частности от перенапряжений, мало эффективна [2].
Низкая эффективность традиционно используемых в качестве защитных устройств вентильных разрядников с искровым промежутком за-ключается в нестабильности их напряжения пробоя при воздействии волн перенапряжений с крутым фронтом, возникающих, например, при коммутационных переключениях.
Кроме того, разрядники обладают низким значением рабочего тока и рассчитаны на ограниченное число импульсных токов.
Поэтому ВЭИ совместно с ОАО «РОСЭП» разработали для отечественных заградителей специальные защитные устройства без искровых промежутков на базе металлооксидного высоконелинейного ограничителя перенапряжений (ОПН).
Защитный уровень импульсного напряжения ОПН мало (в пределах 10%) зависит от фронта волны перенапряжения, а эксплуатационный ресурс в десятки раз превышает ресурс разрядников.
При применении в заградителях новых средств защиты от перенапряжений типа ОПН необходимо учитывать, что остающееся напряжение ОПН равно защитному уровню и из-за перепада напряжения на защитном устройстве возможно появление переходных процессов в схеме самого заградителя. Заградитель состоит из силового реактора и подключенных параллельно к нему защитного устройства от перенапряжений и блока настройки, обеспечивающего настройку заградителя на рабочую полосу заграждения с помощью параллельных и последовательных LC контуров, соединенных в основном по двух- (рис. 1) и трех- контурным схемам полосовых фильтров [3].
Наибольшую опасность перенапряжения представляют для конденсаторов блока настройки (рис. 1).

Когда со стороны линии электропередачи или шин подстанции на входные зажимы заградителя (рис.1) поступает волна перенапряжения, то под воздействием перепада напряжений начинается заряд конденсатора С₁, включенного параллельно реактору, и конденсатора С₂ в последовательном контуре блока настройки, состоящего из конденсатора С₂, индуктивности L₂ и резистора R_н.
Рост напряжения на конденсаторе С₁ прекращается при достижении защитного уровня ОПН, подключенного параллельно входу заградителя. Однако за счет воздействия входного напряжения и магнитной энергии, запасенной в катушке индуктивности L₂, переходный процесс продолжается в последовательном контуре блока настройки.
На рис. 2 приведена эквивалентная схема за-градителя для дальнейшего анализа переходного процесса, где е – э.д.с. источника импульсных волн, а rо обозначает сопротивление ОПН.
Рассмотрим более подробно электрические процессы в заградителе, связанные с воздействием на него двух видов высоковольтных перенапряжений: прямоугольной импульсной волны и периодической последовательности прямоугольных биполярных импульсов, которые представляют наибольшую опасность для элементов схемы заградителя.

Прямоугольная импульсная волна
Вначале рассмотрим более простой случай воздействия на заградитель волны прямоугольной формы большой длительности. До этого момента токи заряда и напряжения на конденсаторе С₂ малы и с ними можно не считаться, т.е. для удобства анализа принимаем нулевые начальные условия. Перепад напряжения импульсной волны Е приравниваем к значению защитного уровня ОПН.
Сопротивление r₀ составляет единицы Ом и шунтирует включенные параллельно к нему сопротивления ВЛ и электрической подстанции, а также реактора L₁ и конденсатора С₁.
Исходя из известного дифференциального уравнения для тока i(t) в подобной схеме

где за t = 0 принят момент достижения максимального напряжения на ОПН;
w_k – собственная частота контура схемы рис. 2. Находим закон изменения напряжений на реактивных элементах:

Из анализа этих выражений видно, что в схеме на рис. 2 возникают свободные колебания, характеризующиеся следующими основными параметрами:
Собственная частота контура:

Коэффициент затухания, характеризующий скорость убывания амплитуды колебаний:

Постоянная времени:

соответствует времени, в течение которого амплитуда убывает в е раз. Собственная частота реактивной цепи из L₂ и С₂:

Рис. 1. Двухконтурная схема настройки заградителя.

Рис. 2. Эквивалентная схема заградителя.

Рис. 3. Колебательный характер изменения напряжения на конденсаторе С₂ при переходном процессе.

Рис. 4. Изменение напряжения на конденсаторе С2 при воздействии импульса длительностью t₀ в схеме рис. 2.

Рис. 5. Последовательность знакопеременных прямоугольных импульсов одинаковой длительности.

Рис. 6. Графики первой (а) и суммы первых двух гармоник (б) прямоугольного импульса.

Из анализа выражения (1) следует, что изменение функции напряжения UC на конденсаторе С₂ имеет апериодический при a < w₀ либо колебательный характер при a > w₀ относительно постоянной слагаемой Е, равной значению напряжения защитного уровня ОПН (рис. 3).
Таким образом, значение U_С в отдельные интервалы времени превышает значение защитного уровня ОПН. В высокодобротной схеме наибольший из максимумов напряжения, называемый выбросом, может приблизиться к удвоенному значению защитного уровня ОПН. В случаях a/w_p<<1 получаем:

Импульс перенапряжений различной длительности
На основании выражения (2) удобно рассмотреть воздействие импульса перенапряжений прямоугольной формы различной длительности t_о. Когда t_о > t и w₀ > a, то возникают затухающие колебания при каждом перепаде напряжения на переднем и заднем фронтах импульса (рис.4). Выбросы отсутствуют при a > w₀ . Процесс установления колебаний происходит тем медленнее, чем выше добротность схемы.
Если t_о >> t, то при t > t_о имеют место наложения свободных колебаний, возникающих на переднем и заднем фронтах импульса. Максимальное возрастание амплитуды суммарных колебаний происходит при длительности импульса, равной половине периода свободного колебания.
Следует отметить, что когда на заградитель воздействует импульс чередующейся полярности, то перепад напряжения на входе схемы будет равен 2Е. Тогда соответственно возрастет значение амплитуды выброса перенапряжения на элементах при переходном процессе.
В более сложном случае для анализа схемы, когда на заградитель воздействует периодическая последовательность одно- либо биполярных импульсов высокочастотных перенапряжений, защитное устройство F ограничивает их амплитуду до уровня остающегося напряжения на ОПН. Таким образом, на входе блока настройки образуется последовательность одно- либо двуполярных импульсов, по форме близких к прямоугольным. Нахождение напряжений на конденсаторах двухконтурной схемы можно осуществить методом разложения частотного спектра периодического сигнала прямоугольной формы в гармонический ряд Фурье.
Периодическая последовательность биполярных прямоугольных импульсов одинаковой длительности (рис.5) довольно часто встречается на практике и может быть представлена в следующем виде:

Из последнего выражения следует, что представленная на рис. 5 импульсная последовательность содержит лишь нечетные гармоники, а амплитуда гармоник убывает по закону :

где n – номер гармоники, а k = 1, 2, 3.
При этом амплитуда основной синусоиды превышает ординату и составляет 1,27Е. Амплитуда высших гармоник сравнительно быстро убывает: величина амплитуд третьей гармоники составляет 33%, а пятой – 20% от амплитуды основной гармоники.
На рис. 6. показаны амплитуды первых двух гармоник.
Из анализа выражения для периодической последовательности биполярных прямоугольных импульсов и графического построения основной и третьей гармоники вытекает, что гармоники низших порядков в основном формируют значение амплитуд импульса, а гармоники высших порядков играют основную роль в образовании крутизны импульсов на фронтах. Тогда отдельно взятая первая гармоника в достаточной мере дает представление о выбросе напряжения при переходном процессе от воздействия рассматриваемой функции.
Следовательно, дальнейший анализ можно проводить исходя из воздействия на контур RLC, представленный на рис.3, синусоидальных импульсов основной гармоники с неизменной амплитудой, равной 1,27Е, и частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний контура. В этом случае функция, огибающая амплитуды колебаний напряжения на конденсаторе С, изменяется по известному закону:

где Q – добротность.
Такой же амплитуда колебаний напряжения будет и на катушке индуктивности L₂. В установившемся режиме (при

) получаем: U_c=1,27EQ. Процесс установления колебаний считают закончившимся, если огибающая колебаний отличается от ее установившегося значения не более чем на 5% или не более 1%. Для этого необходимо время

согласно которому

Время установления колебаний тем больше, чем выше добротность схемы.
Начиная с момента прекращения действия синусоидальных импульсов основной гармоники происходит убывание амплитуды напряжения на конденсаторе по закону e^-at.
Полученные результаты можно распространить на случаи, когда разница между wpи w₀ мала.
Если w₀

w_p, то огибающая амплитуда колебаний напряжений на конденсаторе C₂ нарастает не монотонно, а с пульсациями. Частота этих пульсаций (биений) равна разности этих двух частот.
Практически значение добротности в последовательном RLC контуре блока настройки заградителя может достигать 5. Тогда на основании вышесказанного выброс амплитуды напряжения на конденсаторе С₂ при переходном процессе может превышать защитный уровень ОПН в 6,35 раза. Это обуславливает необходимость увеличения в таких случаях электрической прочности реактивных элементов блока настройки заградителей по сравнению с теми, которые производились на основе прежних критериев.
Нахождение точного аналитического выражения для определения напряжений на элементах схемы заградителя в трехконтурной схеме настройки при воздействии сложных периодических сигналов становится чрезмерно трудоемким. Поэтому были использованы математические методы моделирования переходных процессов в трехконтурных схемах настройки заградителя, позволяющие быстро и с достаточной точностью произвести серию однотипных импульсов и определить результаты их воздействия на различные элементы схемы. Результаты расчетов затем были подтверждены измерениями на макетах электрических схем заградителей.
В результате установлено, что в условиях возникновения резонанса максимальная амплитуда напряжений на элементах блока настройки трехконтурной схемы зависит от добротности контуров и приблизительно в 2 раза больше, чем в двухконтурной схеме.
Таким образом, необходимо повысить требования к уровню изоляции и электрической прочности элементов блока настройки заградителя, исходя из максимально возможных значений напряжений на них в условиях переходных процессов, а не по напряжению срабатывания защитного устройства с запасом в 30%, как это было принято в ранее разработанных заградителях.
В России уже освоено промышленное производство элементов настройки нового поколения для заградителей с увеличенной электрической прочностью и более высоким уровнем изоляции, с применением ОПН и высоковольтных конденсаторов с повышенной стабильностью.
При техническом перево-оружении каналов высокочастотной связи по ВЛ должны применяться современные заградители, адаптированные в части принципов и технических характеристик к условиям отечественных электрических сетей с учетом воздействия возможных перенапряжений.
Литература
1. Половой И.О., Михайлов Ю.А., Халилов Ф.Х. Внутренние перенапряжения на электрооборудовании высокого и сверхвысокого напряжения. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 152 с.
2. Методические указания по ограничению высокочастотных коммутационных перенапряжений и защите от них электротехнического оборудования в распределительных устройствах 110 кВ и выше// Энергетик. – 1995, № 11; 1996, № 4.
3. Микуцкий Г.В. Высокочастотные заградители и устройства присоединения для каналов высокочастотной связи. Вып.3. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 188 с.