Системы оперативного тока

Публикация Алексея Николаевича Ворошилова посвящена исследованию влияния на электромагнитную обстановку в СОПТ низкоомных балансировочных резисторов, используемых для борьбы с некорректной работой микропроцессорных терминалов РЗА. В первой части статьи («Новости ЭлектроТехники» № 1(97) 2016) речь шла о синфазном перенапряжении и модели сети СОПТ, принятой для анализа и расчетов.
Во второй части статьи основное внимание автор уделяет факторам, способствующим появлению в СОПТ опасных перенапряжений.

Алексей Ворошилов, технический директор ООО «Отечественные аккумуляторы», г. Новосибирск

ВЛИЯНИЕ СИНФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ
НА РАБОТУ РЗА В СОПТ
Борьба с ложными срабатываниями

ПАРАМЕТРЫ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

Для определения параметров схемы проводились измерения значений емкости между полюсами СОПТ и заземляющим проводником для различных видов оборудования (рис. 1). Емкости С₁ и С₂ измерялись методом, аналогичным тому, который применяется для определения общей емкости сети СОПТ [1].

Рис. 1. Типовая схема измерения электрической емкости сети СОПТ

Осциллограф подключался между полюсом и заземляющим проводником (корпусом шкафа), измерялась постоянная времени перезарядки емкостей С₁ и С₂ при замыкании тестового сопротивления R_test номиналом 1 кОм на положительный или отрицательный полюсы. По величине постоянной времени перезаряда устанавливалась суммарная емкость С₁ и С₂.

Измерения показали, что наибольший вклад в значения С₁ и С₂ дают, как правило, зарядно-подзарядные устройства (ЗПУ), на выходе которых между шинами и заземляющим проводником установлены емкости номиналом примерно по 1 мкФ. При отключении ЗПУ значения емкостей С₁ и С₂ составляют примерно 20–200 нФ. Основной вклад в значения этих емкостей вносят устройства ограничения перенапряжения, устройство контроля изоляции, щитовые приборы, реле. Монтаж проводов значительного влияния не оказывает.

Значения емкостей С₊ и С_– (емкости сети СОПТ относительно точки нулевого потенциала) определяются электрической емкостью кабельных линий на землю. Эта величина существенно зависит от расположения кабелей (определяется расстоянием от кабелей до земли и до заземляющих проводников, а также расстоянием между жилами). При отсутствии данных погонная емкость кабелей принимается равной 0,3 мкФ/км [1]. Обычно суммарная электрическая емкость полюсов кабелей СОПТ относительно земли на подстанциях с разветвленной сетью составляет примерно 1–10 мкФ, при этом С₊ равна С_– с хорошей точностью, поскольку емкость полюсов кабелей СОПТ относительно земли определяется кабельной трассой, образованной двужильными кабелями, имеющими общую изоляцию.

Значения сопротивлений R₁ и R₂ равны между собой с хорошей точностью (в нашем случае – 10 кОм). Их номиналы могут быть подобраны с точностью не хуже 1%, например при использовании прецизионных резисторов типа С2-23.

Номиналы емкостей С₁ и С₂, определяемые схемами применяющихся устройств, могут существенно различаться, поскольку их равенство не регламентируется нормативными документами. Более того, используемые сегодня методы диагностики [1] не позволяют установить разницу между С₁ и С₂. Постоянная времени на рис. 2, измеряемая для определения емкости, принципиально зависит от суммы емкостей С₁ и С₂.

Рис. 2. Типичная осциллограмма переходного процесса, возникающего в сети при замыкании тестового резистора R_test на какой-либо полюс

Оценим величину импедансов. Поскольку тестовый импульс напряжения имеет длительность порядка 1 мс, нас интересуют частоты от нескольких кГц и выше. На частоте 10 кГц импеданс емкостей С₁ и С₂ X_c ≈ 1 / (jω · C) ≈ 160 Ом; при С₁ = С₂ = 100 нФ импеданс емкостей X_c+ и X_c– равен примерно 1,6–16 Ом. То есть значение номиналов резисторов R₁ и R₂ много больше номиналов X_c1 и X_c2. Соответственно коэффициент синфазно-противофазного преобразования K_sd определяется разностью значений емкостей С₁ и С₂, а также величиной емкостей С₊ и С_– и не зависит от номиналов R₁ и R₂.

Таким образом, можно сделать важные выводы:

1. Снижение номиналов балансировочных резисторов R₁ и R₂ до 10 кОм не окажет влияния на величину коэффициента K_sd.
2. Величина коэффициента K_sd определяется разностью емкостей С₁ и С₂. Данная величина (разность емкостей) в настоящее время никак не контролируется. Возможна ситуация, при которой напряжения полюсов сети относительно заземляющего проводника, определяемые балансировочными резисторами, равны между собой, но при появлении синфазной помехи в сети СОПТ может появиться значительное дифференциальное перенапряжение. Это перенапряжение обусловлено протеканием нескомпенсированных емкостных токов в контурах «полюс–земля–заземляющий проводник–полюс».

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА СИНФАЗНО-ПРОТИВОФАЗНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Расчет K_sd делался для тестового импульса E_s формы 10/350 мкс, использовалась линейная аппроксимация импульса. Рассчитывалась схема замещения, представленная на рис. 3 с параметрами, приведенными в табл. 1. Параметры нагрузки менялись от 5 до 500 Ом, что соответствует току нагрузки СОПТ от 0,44 до 44 А.
Учитывалось влияние АБ. Как было показано в [2, 3, 4], АБ в режиме разряда и поддерживающего заряда на переменном токе представляет собой последовательно соединенные низкоомное сопротивление (величиной примерно 0,01–0,04 Ом) и индуктивность, определяемую параметрами кабеля, через который АБ подключается к ЩПТ, и пространственным расположением аккумуляторов. Величина индуктивности равна примерно 40–60 мкГн. Сопротивления кабелей (R_к1 и R_к2) и заземляющего проводника R_t имеют малые величины (порядка 0,1 Ом), поскольку представляют собой множество кабелей, подключенных параллельно. Величины индуктивностей L_к1, L_к2 и L_t приняты равными 1 мкГн.

Рис. 3. Схема замещения сети СОПТ

Таблица 1. Параметры схемы замещения сети СОПТ

Сопротивление, Ом				Емкость, мкФ		Индуктивность, мкГн
Rк1	0,1	R1	104	С+	1	Lк1	1
Rк2	0,1	R2	104	С–	1	Lк2	1
Rt	0,1	RАБ	0,02	С1	0,1	Lt	1
		RДВ	5–500	С2	0,1–0,4	LАБ	40

Для расчета K_sd использовался программный пакет NL5 [5]. ПО позволяет редактировать цепи, рассчитывать переходные процессы, возникающие в них при воздействии возмущений, проводить частотный анализ схемы. Генераторы тока и напряжения могут выражаться периодическими функциями или представлять собой одиночные импульсы произвольной формы, задаваемой аналитически или по таблицам значений.

Была найдена зависимость K_sd от d (коэффициента несимметрии емкостей С₁ и С₂) при сопротивлении дискретного входа (ДВ) МП РЗА R_ДВ = 500 Ом. Здесь d = 1 – C₂ / C₁. При этом d = 0, если С₁ = С₂; d = 3, если С₂ / С₁ = 4. Было найдено отношение действующего значения U_ДВ (среднеквадратичного) к амплитуде импульса E_s на промежутке 200 мкс.

При приложении синфазного импульса перенапряжения E_s в сети возникают резонансные колебания, частота которых определяется соотношением индуктивности кабелей и АБ и емкости сети (рис. 4). В данном случае частота резонансного колебания равна примерно 17 кГц, мощность пика – примерно 15 Дб (соответствует усилению гармонического сигнала на резонансной частоте примерно в 5,6 раза). Постоянная времени затухания τ ≈ R_ДВ · С₁ / С₂. Из графика видно, что при пиковом значении E_s = 100 кВ действующее значение U_дв = 7,9 кВ (K_sd = 0,079), пиковое значение ~ 15 кВ, что опасно для чувствительного оборудования (согласно [6] оборудование испытывается импульсным напряжением 2–4 кВ).

Рис. 4. Амплитудочастотная и фазочастотная характеристики, а также переходный процесс, возникающий в сети при подаче импульса E_s (R_ДВ = 500 Ом)

На рис. 5 представлена зависимость K_sd от коэффициента несимметрии d. Видно, что при изменении d в диапазоне от 0,7 до 3,0 дифференциальное напряжение в сети СОПТ изменяется в диапазоне от 2 до 8 кВ при амплитуде импульса синфазного перенапряжения 100 кВ. Таким образом, если величины электрических емкостей между положительным и отрицательным проводниками оборудования ЩПТ относительно заземленного корпуса шкафа, в котором располагается это оборудование, различаются в 4 раза, то перенапряжение между полюсами СОПТ при грозовом разряде может достигать 8 кВ и выше, что достаточно для вывода из строя вторичного оборудования.

Рис. 5. Зависимость K_sd от коэффициента несимметрии d

Как уже говорилось, разность величин С₁ и С₂ в настоящее время не контролируется, что может привести к ситуации, когда вторичное оборудование выйдет из строя при грозовом разряде «по непонятной причине».

На рис. 6а и 6б представлены осциллограммы переходного процесса при сопротивлении нагрузки 50 и 5 Ом соответ- ственно. Видно, что при уменьшении сопротивления нагрузки постоянная времени затухания импульса дифференциального перенапряжения пропорционально падает, соответственно уменьшается действующее значение напряжения и коэффициент K_sd (рис. 7). Зависимость мощности, выделяемой на нагрузке, от величины сопротивления нагрузки выглядит сложнее, так как при уменьшении нагрузки возрастает мощность, P_ДВ ~1 / R_ДВ. На рис. 8 представлен график зависимости мощности, выделяющейся на нагрузке, от величины R_дв. Видно, что пиковая мощность, выделяющаяся на нагрузке, может достигать нескольких сотен киловатт.

Рис. 6. Переходный процесс: а) при нагрузке 50 Ом; б) при нагрузке 5 Ом

а)	б)

Рис. 7. Зависимость K_sd от сопротивления нагрузки R_ДВ

Если АБ отсутствует, происходит адиабатический процесс отклика на ступеньку возмущения, при котором K_sd ~ 0,1–0,2. При этом нужно более внимательно учитывать влияние индуктивностей кабелей сети СОПТ, поскольку они будут определять резонансную частоту колебаний, возмущаемых в сети СОПТ. Как показано в [2], погонная индуктивность кабеля L_k ≈ 0,5 мкГн/м, соответственно индуктивность кабеля может составлять десятки мкГн и колебательный процесс при ступенчатом воздействии будет определяться уже конфигурацией кабельных трасс.

ВЫВОДЫ

На основании проведенного исследования можно утверждать:

1. Снижение номиналов балансировочных резисторов, выравнивающих потенциалы положительного и отрицательного полюсов СОПТ относительно потенциала земли до величины порядка 10 кОм, не влияет на процесс преобразования синфазного перенапряжения в сети СОПТ в дифференциальное, прикладываемое непосредственно между полюсами СОПТ, то есть не ухудшает электромагнитную обстановку.
2. Для уменьшения вероятности ложного срабатывания МП РЗА можно рекомендовать снизить номиналы балансировочных резисторов примерно до 10 кОм. При этом можно существенно смягчить требования к порогу срабатывания дискретных входов МП РЗА и минимальному напряжению АБ.
3. Величина коэффициента синфазно-противофазного преобразования K_sd определяется разностью электрических емкостей между положительным и отрицательным проводниками оборудования ЩПТ относительно заземленного корпуса шкафа, в котором располагается это оборудование.
4. Разность емкостей в настоящее время никак не контролируется. При типичных значениях емкостей и параметрах СОПТ дифференциальное перенапряжение, возникающее в сети постоянного тока при грозовом разряде, может достигать опасной величины. При этом вероятен выход из строя чувствительного оборудования РЗА.
5. Необходимо принять меры для снижения емкости полюсов цепей оборудования ЩПТ на землю и их балансировки.Желательно провести натурные испытания на ПС, по результатам которых можно будет составить техническое задание на доработку системы контроля изоляции, включающей в свой состав балансировочные устройства, в т. ч. низкоомные балансировочные резисторы и устройство выравнивания емкостей полюсов цепей оборудования ЩПТ на землю.
6. Нужно разработать методы для диагностики степени несимметрии емкостей полюсов цепей оборудования ЩПТ на землю и определить в отраслевых стандартах необходимость такой диагностики при производстве оборудования СОПТ.

ЛИТЕРАТУРА

1. СТО 56947007-29.120.40.102-2011. Методические указания по инженерным расчетам в системах оперативного постоянного тока для предотвращения неправильной работы дискретных входов микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики при замыканиях на землю в цепях оперативного постоянного тока подстанций ЕНЭС: Стандарт организации. ОАО «ФСК ЕЭС», 2011.
2. Антонов Л.И., Ворошилов А.Н., Смирнов П.Н. Аккумуляторные батареи. Влияние на распространение электромагнитных помех в сети оперативного постоянного тока // Новости ЭлектроТехники. 2015. № 2(92).
3. Стационарные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи: Exide Handbook.
4. Albér G. Ohmic measurements: the history and the facts. [http://www.alber.com/docs/Brochure_WhitePaperG_Alber.pdf]
5. NL5 Circuit Simulator: [http://nl5.sidelinesoft.com]
6. ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанциях. Требования и методы испытаний.