Импульсные напряжения в системах электроснабжения и способы ограничения их последствий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Зинчук, Дмитрий Евгеньевич

• Зинчук, Дмитрий Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зинчук, Дмитрий Евгеньевич

Введение.

В.1. Обзор научно-технической литературы по вопросам причин возникновения имг^льсов напряжения.

В.2. Выбор и обоснование темы и общая характеристика диссертационной работы.

Глава 1. Причины возникновения импульсных напряжений в системах электроснабжения.

1.1. Общие сведения.

1.2. Внутренние перенапряжения в электрических системах.

1.2.1. Общая характеристика^йнутредних.перенапряжений.

1.2.2. Классификация внутренних перенапряжений.

1.2.3. Коммутационные перенапряжения.

1.2.3.1. Перенапряжения при включении линий.

1.2.3.2. Перенапряжения при отключении линий.

1.2.3.3. Перенапряжения при отключении индуктивных нагрузок.

1.2.3.4. Перенапряжения при однофазных замыканиях.

1.2.4. Резонансные перенапряжения.

1.3. Внешние перенапряжения в электрических системах.

1.3.1. Общая характеристика внешних перенапряжений.

1.3.2. Развитие грозового разряда.

1.3.3. Характерные особенности грозового разряда.

1.3.4. Воздействия грозового разряда.

1.4. Выводы по главе 1.

Глава 2. Исследования импульсных напряжений в системах управления и защиты АЭС.

2.1. Общие сведения.

2.2. Цели исследований помеховой обстановки на АЭС.

2.3. Особенности электрооборудования АЭС и систем его электроснабжения.

2.4. Методы исследования и аппаратура для проведения измерений.

2.5. Общая характеристика системы питания и заземления аппаратуры СУЗ на исследуемом энергоблоке.

2.6. Результаты экспериментальных исследований помеховой обстановки в электросети и в помещениях СУЗ энергоблока.

2.6.1. Анализ значений параметров импульсных помех в исследуемых цепях.

2.6.2. Результаты измерений на 3 энергоблоке Смоленской АЭС.

2.6.3. Общая характеристика помеховой обстановки в СУЗ АЭС по результатам исследований на Смоленской АЭС.

2.7. Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследования распределений по частоте появления и параметрам импульсных напряжений на основе экспериментальных данных, полученных в странах ЕЭС.

3.1. Общие сведения.

3.2. Определение параметров импульсных напряжений с помощью автоматизированной измерительной системы.

3.3. Результаты измерений.

3.3.1. АмплитудаUm.

3.3.2. Скорость возрастания du/dt.

3.3.3. Измеряемая энергия S.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. Основные методы и средства защиты от импульсных напряжений в низковольтных электрических сетях.

4.1. Общие сведения.

4.2. Защита с помощью грозовых разрядников.

4.3. Устройства защиты от импульсных напряжений.

4.3.1. Общие положения.

4.3.2. Идеальное устройство защиты от импульсных напряжений.

4.3.3. Классификация устройств защиты от импульсных напряжений и их типовые компоненты.

4.3.4. Характеристика основных компонентов устройств защиты от импульсных напряжений.

4.4. Применение источников бесперебойного питания для защиты от импульсных напряжений.

4.5. Практика защиты от импульсных напряжений в США.

4.6. Проблемы защиты электрооборудования от импульсных напряжений в современных российских условиях.

4.7. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Импульсные напряжения в системах электроснабжения и способы ограничения их последствий»

Электрическая энергия, как и любой другой вид продукции, характеризуется совокупностью свойств, обусловливающих ее потребительскую пригодность для работы электрооборудования потребителя с заданными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Для обеспечения единых нормативных требований к качеству электроэнергии для всех участников процесса производства, передачи и потребления электроэнергии существует набор показателей качества электроэнергии, количественно характеризующих ее потребительские свойства. Перечень данных показателей приведен в ГОСТ 13109-97 "Качество электрической энергии. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" [22]. ГОСТом установлено 8 свойств электроэнергии, описывающихся числовыми показателями. Среди них: отклонение напряжения, колебания напряжения, несинусоидальность напряжения, несимметрия напряжения, отклонение частоты, провал напряжения, импульс напряжения, временное перенапряжение.

Приведенный перечень свойств электроэнергии широк, однако не все они хорошо изучены. Некоторые из них были давно и детально исследованы, а некоторые начинают приобретать актуальность только в последнее время в силу кардинально меняющегося характера потребителей электроэнергии. Еще несколько десятков лет назад исследование многих качественных характеристик электроэнергии имело значение, в основном, в отношении являвшейся наиболее критичной электродвигательной нагрузки. Однако, с появлением и широким развитием микропроцессорной техники и компьютерных технологий, особое значение приобрели свойства электроэнергии, являющиеся либо несущественными, либо легко отстраиваемыми для обычного электрооборудования, но являющиеся особо критичными для чувствительных электронных компонентов.

Таким свойством электроэнергии и является импульс напряжения, численно характеризуемый показателем импульсного напряжения.

Импульсные напряжения, возникающие в сети электроснабжения, могут привести к сбоям в работе систем ЭВМ, особенно опасных в режиме управления, выходу из строя различной аппаратуры, обрыву модемной связи или сбоям в срабатывании релейной защиты и автоматики. Современные системы обработки информации задействованы в выполнении широкого диапазона задач в науке, бизнесе, промышленном производстве, управлении распределением и обеспечением, а также на железных дорогах и воздушном транспорте. Компьютеры и системы под управлением компьютеров обеспечивают мгновенное реагирование при управлении процессами, что обеспечивается за счет высокой скорости обработки поступающей информации. Они сильно различаются по размерам и задачам, которые они выполняют - от больших серверов для банков и крупных промышленных комплексов до мини- и микро- компьютеров в небольших компаниях для решения ежедневных задач, а также домашних компьютеров. Не только компьютеры, но и другие высокотехнологичные устройства, такие, как телевизоры, видеомагнитофоны, стереосистемы и любые другие устройства, управляемые микропроцессорами, чрезвычайно чувствительны к импульсам напряжения.

На долю импульсных напряжений, согласно статистическим данным, взятым из отечественных и зарубежных источников, приходится около 18% всех отказов в системах электроснабжения низкого напряжения (рис. В.1) [81,82]. Поскольку импульсное напряжение по своим последствиям гораздо серьезнее, чем многие другие показатели, то его доля в суммарном ущербе, нанесенном потребителям низким качеством электроэнергии, в процентном отношении составляет гораздо большую величину.

Провалы напряжения 45%

25%

Рис В. 1. Основные ненормируемые показатели качества напряжения.

Однако, в нашей стране данному показателю качества электроэнергии вплоть до сегодняшнего дня придавалось неоправданно малое значение. У нас гораздо позже, чем за рубежом, получили широкое распространение цифровые технологии и процессы, активно использующие компоненты электронного управления, ЭВМ и другое оборудование, в состав которого входят интегральные микросхемы и другие элементы микропроцессорной техники, поэтому этой проблемой в СНГ и России практически никто вплотную не занимался. Этим объясняется отсутствие опубликованных материалов и статистики на эту тему. Поэтому при написании данной работы широко использовалась зарубежная информация, собранная в подкомитетах Международной электротехнической комиссии (МЭК), а также в органах по нормированию и стандартизации Европейского сообщества (СЕНЕЛЕК).

В.1. Обзор научно-технической литературы по вопросам причин возникновения импульсов напряжения

Явление возникновения импульсного напряжения в системах электроснабжения как параметр качества электрической энергии определено ГОСТом 13109-97 с помощью трех характеристик [22].

Импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электросети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд.

Импульсное напряжение, являющееся показателем качества электроэнергии - это величина, равная максимальному мгновенному значению напряжения в электросети в течение импульса напряжения.

Длительность импульса - интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня;

Характеристики импульсного напряжения, отраженные в ГОСТ 13109-97 определяются следующим образом (рис. В.2) [22]:

1). Импульсное напряжение Цикл в вольтах (киловольтах) находят как максимальное значение напряжения при резком его изменении (длительность фронта импульса не более 5 мс).

2). Длительность импульса напряжения по уровню половины его амплитуды 1:ИМпо,5 в микросекундах (миллисекундах) вычисляют по формуле:

0,5 ^к0,5 " ^н0,5 > (В-1) где 1„ 0,5, ^ о,5 - моменты времени, соответствующие пересечению кривой импульса напряжения горизонтальной линией, проведенной на половине амплитуды импульса.

Возникновение импульсов напряжения в низковольтных сетях происходит в результате трех типов событий:

• ударов молнии либо непосредственно в какой-либо элемент системы электроснабжения, либо путем косвенного действия, заключающегося в индуктировании импульсных напряжений электромагнитным полем, возникающим при ударе в близлежащие объекты;

• коммутаций на различных уровнях системы электроснабжения: от коммутаций энергосистемой нагрузок или батарей конденсаторов в магистральных и распределительных сетях, до действий конечного пользователя в низковольтных сетях;

• случайных событий в электросети, таких как короткие замыкания и их устранение, при замыканиях между различными системами, например, между силовыми и информационными сетями, а также резонансных явлений.

Грозовые и коммутационные импульсные напряжения, различающиеся природой возникновения и характером воздействия на устройства защиты и электрооборудование потребителя, являются основными видами импульсных напряжений в электросетях.

Грозовые импульсные напряжения, возникающие вследствие разряда молнии в элементы системы электроснабжения, а также информационные, телефонные и телевизионные сети, воздействуют на электрооборудование конечного пользователя посредством нескольких механизмов. По месту приложения удара молнии различают три типа молниеразрядов [16,34]:

1. Прямой разряд молнии в систему электроснабжения, который может произойти либо на первичной стороне распределительного трансформатора, либо на любом элементе распределительной сети низкого напряжения (как воздушной, так и кабельной).

2. "Отраженный" разряд - удар молнии в соседние объекты, который может индуктировать импульсные перенапряжения в низковольтных распределительных сетях посредством создаваемого им мощного электромагнитного поля. Величина напряжений и пиковых токов, возникающих от таких разрядов обычно меньше, чем от прямого разряда, однако частота их появления намного выше.

3. Прямой разряд в систему молниезащиты или в отдельные части здания конечного пользователя (металлоконструкции, водопроводы, трубы отопления и воздуховоды системы кондиционирования, шахты лифтов и т.д.). Такие разряды оказывают действие двух видов: индуктивное, вызванное токами разряда, протекающими в токопроводящих частях здания, и в виде импульса тока разряда молнии от здания в сеть низкого напряжения. В данном случае величина импульсного напряжения, появляющаяся на оборудовании потребителя, будет зависеть от характеристик пути тока, таких, как расстояние и природа сети между точкой удара молнии и оборудованием, применяемое заземление и полное сопротивление заземления, наличие устройств защиты от импульсных напряжений вдоль пути тока, а также разветвленность распределительной сети. Все эти факторы могут варьироваться в широких пределах в зависимости от назначения системы электроснабжения и особенностей местных условий.

Причиной возникновения коммутационных импульсных напряжений могут являться переходные явления, вызванные разного рода коммутациями в электросети: включение, выключение, устранение короткого замыкания и т.д. [17,45]. Внезапное изменение в сети может спровоцировать затухающие колебания с высокими частотами (определенными резонансными частотами сети), до тех пор, пока сеть не застабилизируется в своем новом устойчивом состоянии. Максимальное напряжение определяется главным образом моментом коммутации по отношению к напряжению питающей сети. Наибольшее перенапряжение возникает, когда включение происходит при прохождении максимума синусоидой питающего напряжения.

Величина коммутационных импульсных напряжений зависит от многих параметров: от типа сети, вида коммутационной операции (включение, выключение), характера и величины нагрузок и т.д.

В большинстве случаев максимальное напряжение не превышает двукратной амплитуды напряжения сети, но возможно появление и более высоких значений, особенно при коммутации индуктивных нагрузок (двигатели, трансформаторы, конденсаторы и т.д.). Отключение тока короткого замыкания также может вызывать большие перенапряжения. В этом случае при прерывании тока короткого замыкания, в индуктивных нагрузках запасается высокая энергия, и колебания могут происходить на нагрузочной стороне разомкнутого выключателя или предохранителя.

Частота колебаний в течение коммутаций определяется характеристиками сети и, как и в любом колебательном контуре, существует возможность возникновения резонансных явлений. В этих случаях могут возникать очень большие перенапряжения. Вероятность резонанса с гармониками, имеющими частоту питающей сети обычно низка. Однако, если характеристическая частота коммутируемой части сети близка к одной или более резонансным частотам остальной части сети, то также может возникнуть состояние переходного резонанса.

Необходимо отметить, что подавляющее большинство импульсных напряжений, зафиксированных при проведении измерений в странах ЕЭС и России, имеют коммутационную природу. Подробный анализ результатов статистических измерений импульсных напряжений в ряде европейских стран, а также на российских атомных станциях см. главу 2 и 3 данной работы.

Частота возникновения импульсов напряжения варьируется в широких пределах в зависимости от особенностей конкретной электросети. Прогнозирование частоты появления импульсов всегда сопряжено с большими сложностями, а часто просто невозможно. С уверенностью можно только утверждать, что частота появления тесно связана с величиной импульса, т.е. импульсы с малыми амплитудами возникают гораздо чаще.

Это может быть проиллюстрировано с помощью графика зависимости годовой частоты появления импульсов напряжения от амплитуды импульса, построенного по результатам измерений, проведенных в ряде европейских стран (рис. В.З) [83]. Данная зависимость может быть использована для прогнозирования в пределах трех условных разрядов электросетей, различающихся по степени подверженности воздействию импульсных напряжений: "менее опасные", "более опасные", "особо опасные".

10*

102 10' кг' 10*

0.3 0.5 1 2 5 10 20

Амплитуда импульса, кВ

Рис В.З. Зависимость годовой частоты появления импульсов напряжения от амплитуды импульса для незащищенных сетей

Принадлежность к трем условным разрядам в общих чертах может быть определена следующим образом:

Менее опасные - сети в географических районах с низкой грозовой активностью, с редкими коммуациями нагрузок.

Более опасные - сети в географических районах с высокой грозовой активностью, с частыми и серьезными коммутационными импульсами.

Особо опасные - сети, питающиеся по длинным воздушным линиям, с высоким уровнем напряжения пробоя. *

Необходимо отметить, что импульсное напряжение, возникающее в электросети, может представлять собой либо собственно амплитуду импульса, либо напряжение, ограниченное напряжением пробоя некоего промежутка в сети. Данное различие особенно важно при сравнении наружного и внутреннего электрооборудования. Наружное электрооборудование как правило имеет большие промежутки и как следствие более высокое напряжение пробоя: от ЮкВ до 20кВ. И наоборот, подавляющее большинство внутреннего электрооборудования в сетях 220/380 В, имеет напряжение пробоя 6 кВ. Таким образом, величина 6 кВ может служить границей для большинства импульсов во внутренних электросетях (штриховая линия на рис. В.З). Линия, соответствующая особо опасным электросетям характеризует крайний случай и, по определению, не может ограничиваться напряжением пробоя.

Зависимости, приведенные на рис В.З, характерны для незащищенных сетей, т.е. сетей, в которых хотя и отсутствуют устройства защиты от импульсных напряжений, но амплитудные значения напряжения могут быть ограничены напряжением пробоя.

Наиболее распространенным стандартом в области возникновения и защиты от переходных импульсных напряжений является ANSI/IEEE С62.41-1991, "IEEE Guide for Surge Voltages in Low Voltage AC Power Circuits" [81]. Этот стандарт разработан при участии специалистов института IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) и определяет как переходные условия, в которых может находиться электрооборудование, так и определенные формы волн импульсов, которые могут использоваться при испытаниях оборудования на устойчивость к импульсным напряжениям.

Измерения, проведенные в различных сетях и лабораториях, а также углубленные теоретические исследования показали, что большинство импульсных напряжений в низковольтных сетях внутри помещений имеют колебательную форму волны, в отличие от однонаправленной волны, определенной стандартом для изоляции высоковольтных электроустановок.

Импульс, воздействующий на элементы системы электроснабжения, возбуждает собственные резонансные частоты проводников сети. В результате импульсная волна не только приобретает колебательную форму, но и может иметь разную амплитуду и форму волны на различных участках сети. Частоты колебаний импульсной волны варьируются от 5 до 500 кГц, причем частоты 30100 кГц характерны для типового импульса в большинстве бытовых сетей и сетей промышленного освещения.

Импульсы, зафиксированные в наружных сетях, имели как колебательный, так и однонаправленный характер. Поскольку главной характеристикой импульса является его энергия, то выбранная форма волны должна соответствовать большей энергии, чем для внутренних импульсов.

Выбор формы волны, применяющейся в конкретных условиях для моделирования стандартных импульсов, чрезвычайно важно для правильной конструкции защитных устройств, а также их проверки на соответствие требуемым параметрам защиты.

Для внутренних условий по результатам измерений, проведенных одновременно несколькими независимыми организациями в сетях 120 и 240 В, в качестве типовой была определена круговая волна 0,5мкс-100кГц (Рис В.4). Волна возрастает от 10% до 90% в течение 0,5 мкс, а затем затухает при колебаниях с частотой 100 кГц, причем амплитуда каждого следующего пика составляет 60% предыдущего [82].

Способность противостоять импульсам у многих полупроводников увеличивается если длительность импульса намного меньше микросекунды. По этой причине первая половина цикла испытательной волны должна иметь достаточную длительность.

В соответствии стандартом АШМЕЕЕ С62.41-1991 для внешних условий в качестве типовой рекомендована волна напряжения 1,2x50 мкс и волна тока разряда 8x20 мкс (рис. В.5). В лабораторных условиях тип применяемой волны зависит от цели проводимых испытаний: волна напряжения 1,2x50 используется для испытаний на изоляционную прочность, а волна тока 8x20 -для испытаний на устойчивость к токам разряда.

0.9 Ч, о.1 V

Рис В.4. Круговая импульсная волна 0,5 мкс - 100 кГц V

Т, х 1.67-1.2 |й

Та*1.2в-вм»

Рис В.5. Однонаправленная импульсная волна 1,2x50 мкс, 8x20 мкс

Приведенные формы волн импульсов могут быть получены в лабораторных условиях с помощью стандартных высоковольтных импульсных генераторов.

Согласно стандарту АЬШЛЕЕЕ С62.41-1991, условия развития переходного процесса при воздействии импульсного напряжения являются функцией расстояния защищаемого электрооборудования или устройства защиты от импульсов напряжения от вводно-распределительного щита здания [75,94]. По этому признаку различают три категории:

1. Категория А: бытовые розетки и протяженные распред. сети здания.

2. Категория В: вторичная сторона вводно-распределительного щита здания и непротяженные распределительные сети.

3. Категория С: внешние сети здания и первичная сторона вводно-распределительного щита здания.

В таблице В.1 и на рис. В.6 представлена подробная расшифровка содержания вышеупомянутых категорий размещения электрооборудования.

Табл.В.1

Категории размещения электрооборудования

Категория Электрооборудование

А Электророзетки на расстоянии более 10 м от категории В. Электророзетки на расстоянии более 20 м от категории С.

В Распределительные электрощиты. Системы сборных шин на промышленных предприятиях. Мощные нагрузки на небольшом расстоянии от распред. щита Сети электроосвещения в коммерческих зданиях.

С Воздушная линия от опоры до ввода в здание. Кабель между счетчиком и вводно-распределительной панелью. Воздушные линии к удаленным зданиям. Кабельные линии к насосным агрегатам.

Для двух внутренних категорий размещения электрооборудования в табл. В .2 приведены характеристики волн импульсных напряжений и токов, а также их максимальные амплитуды.

Табл. В.2

Характеристики внутренних категорий размещения электрооборудования

Категория Форма волны импульса Максимальная амплитуда

А 0,5 мкс - 100 кГц 5 кВ, 200А

1,2 х 50 мкс 6 кВ

В 8 х 20 мкс ЗкА

0,5 мкс-100 кГц 6 кВ,500 А

Значения амплитуд, приведенные в таблице В.2, являются максимально возможными и соответствуют линии "особо опасные" на рис. В.З.

Величина тока разряда 3 кА для однонаправленной волны категории В получена из результатов измерений, а также при лабораторном моделировании воздействия молниеразрядов.

Различные уровни токов разряда для круговой волны 0,5 мкс - 100 кГц вызваны увеличением сопротивления источника импульса при переходе из категории В в категорию А. Как видно из таблицы В.2, подводящие провода мало ослабляют импульсное напряжение. Однако, по мере удаления точки приложения импульса от вводного электрощита здания, сопротивление источника импульса увеличивается, что и является причиной существенного уменьшения тока разряда в категории А по сравнению с категорией В.

Электрооборудование категории С в свою очередь подвергается воздействию существенно больших значений напряжений, чем оборудование категории В, поскольку здесь не работает ограничивающий эффект пробоя промежутков. В данной категории могут быть достигнуты напряжения, превышающие по величине 10 кВ, а токи - более 10 кА. Исходя из этого, категорически не рекомендуется установка в категории С незащищенного электрооборудования. В соответствии со стандартом С62.41, в категории С необходима установка защитных устройств, рассчитанных на ЮкА ток разряда.

Таким образом, с помощью экспериментальных измерений, лабораторных исследований и методов математического моделирования установлено, что подавляющее большинство импульсов напряжения, возникающих в сетях бытового, коммерческого и промышленного назначения, номинальным напряжением до 600 В, могут быть описаны двумя основными импульсными волнами: .круговой волной 0,5мкс - 1 ООкГц, и однонаправленной волной напряжения 1,2x50 мкс и тока 8x20 мкс.

Данные импульсные волны давно стали в странах ЕЭС промышленным стандартом для испытаний защитных устройств на способность подавления импульсов напряжения и позволяют заранее оценить эффективность будущей защиты.

Поскольку возникновение импульсных напряжений является серьезной проблемой, последствия которой могут быть выражены в денежном выражении размером ущерба от выхода из строя дорогостоящего оборудования и не менее дорогостоящей информации, то чрезвычайно важным становится вопрос об адекватной защите чувствительного электрооборудования.

Для защиты от импульсов напряжения применяются устройства, принцип действия которых основан на ограничении амплитудного значения импульсного напряжения и на отводе избыточной энергии в землю. Получив опасный импульс, устройство защиты от импульсных напряжений (по-английски surge protective device - SPD) заземляет входную точку защищаемого оборудования, направляя энергию импульса по пути с наименьшим сопротивлением в землю, где он и поглощается.

Выбор требуемой конструкции устройства защиты от импульсных напряжений является важной задачей, поскольку сама природа события не позволяет предсказать заранее размер предполагаемого импульса: он может иметь широкий диапазон амплитуды, длительности и энергии.

Преимущества и недостатки основных устройств и методов защиты электрооборудования см. 4 главу данной работы.

Следует заметить, что основным элементом любой защиты от импульсных напряжений является хорошее заземление, поскольку очень часто чувствительное оборудование подвергается воздействию импульсов не столько из-за отсутствия защищающего устройства, сколько вследствие плохо выполненного заземления.

Проведенный анализ существующей проблемы позволил сделать следующий вывод. Разрушающее воздействие, оказываемое импульсными напряжениями на чувствительные электронные компоненты электрооборудования, при неуклонно увеличивающемся числе таких потребителей, вызывает необходимость более детального изучения природы данного явления, а также создания адекватной защиты особо чувствительного к воздействию импульсных напряжений низковольтного электрооборудования.

В.2. Выбор и обоснование темы и общая характеристика диссертационной работы.

Диссертация как квалификационная работа должна обладать рядом формальных характеристик, которые в обобщенном виде приведены ниже.

Актуальность темы. Импульсные напряжения, возникающие в системах электроснабжения различного напряжения и назначения, являются довольно частым явлением и характерны как для крупных промышленных предприятий, так и для жилых и коммерческих объектов.

В настоящее время происходит глобальная компьютеризация всех без исключения сторон человеческой жизни, что неуклонно повышает долю чувствительных и особо чувствительных к импульсным напряжениям элементов среди всего электрооборудования систем электроснабжения. К ним относятся в первую очередь потребители, имеющие в своем составе элементы микропроцессорной техники и компьютеры управления различными технологическими процессами.

Однако, в нашей стране гораздо позже, чем за рубежом получили широкое распространение цифровые технологии и процессы, активно использующие компоненты электронного управления, поэтому этой проблемой в СНГ и России практически никто вплотную не занимался. Следовательно, задачу исследования причин возникновения и анализ методов и средств ограничения воздействия импульсных напряжений на электрооборудование потребителя следует признать актуальной.

Основная цель диссертации состоит в анализе: причин возникновения импульсных напряжений в системах электроснабжения; экспериментальной статистики распределений импульсных напряжений по их основным параметрам; методов и средств эффективной защиты электрооборудования от их воздействия.

Достижение конечной цели диссертации осуществлялось путем последовательного решения следующих задач:

• Теоретические исследования причин возникновения импульсных напряжений и их проникновения в системы электроснабжения до 1 кВ.

• Экспериментальные исследования и анализ импульсных напряжений в системах управления и защиты 3-го энергоблока Смоленской АЭС.

• Анализ результатов автоматизированных экспериментальных исследований импульсных напряжений в странах ЕЭС, изучение мировой практики в области методов и средств защиты чувствительного низковольтного оборудования от воздействия импульсных напряжений.

• Исследование и анализ устройств и способов защиты от импульсных напряжений, сравнение их технико-эксплуатационных и экономических характеристик.

• Изучение современного состояния проблемы защиты низковольтного электрооборудования в современных российских условиях.

На защиту выносится:

Классификация импульсных напряжений по природе их возникновения и описание механизмов, приводящих к появлению каждого вида импульсных напряжений на оборудовании.

Экспериментальные исследования импульсных напряжений на разных уровнях систем управления и защиты ядерных энергетических реакторов и их распределения по различным параметрам.

Результаты анализа автоматизированных экспериментальных исследований импульсных напряжений в низковольтных сетях различного назначения, проведенные в странах ЕЭС.

Классификация различных методов и средств защиты низковольтного чувствительного электрооборудования, широко применяющиеся в мировой практике, их принцип действия, технико-эксплуатационные характеристики, экономическая целесообразность установки с точки зрения потребителя.

Оценка способов и устройств защиты от импульсных напряжений в электросетях с точки зрения повышения надежности функционирования особо чувствительного к воздействию импульсных напряжений низковольтного электрооборудования.

Научная новизна положений, выводов и заключений диссертации состоит в следующем:

Выявлены закономерности распределений по частоте появления и параметрам импульсных напряжений в системах электроснабжения промышленных предприятий, офисных, бытовых и лабораторных помещений.

Выполнены экспериментальные исследования и выявлены закономерности в появлении импульсных напряжений в системах питания аппаратуры и системах управления и защиты реакторов РБМК-1000 и РБМК-1500 атомных станций. Проведен подробный анализ методов и средств защиты чувствительного электрического и электронного оборудования, имеющихся в распоряжении на сегодняшний день, произведено сравнение их технико-эксплуатационных, экономических и потребительских характеристик.

Практическая значимость работы:

Диссертация является одним из первых российских исследований актуальной в настоящее время комплексной проблемы по одному из показателей качества электроэнергии - импульсным напряжениям, возникающим в низковольтных электрических сетях различного назначения.

По результатам подробного изучения зарубежной и отечественной статистической и общетеоретической по причинам возникновения, характеру распространения и параметрам импульсных напряжений произведена классификация импульсных напряжений по природе их возникновения и дано краткое описание механизмов, приводящих к появлению каждого вида импульсов на электрооборудовании.

По результатам измерений, проведенных в цепях систем управления и защиты 3-го энергоблока Смоленской АЭС, а также автоматизированных экспериментальных исследований импульсных напряжений в низковольтных сетях различного назначения стран ЕЭС выявлено, что амплитудное распределение числа импульсных напряжений обратно пропорционально третьей степени амплитуды ит импульса.

Проведенные исследования показали, что для промышленных предприятий характерно появление свыше десятка импульсов в час, для зданий и сооружений коммерческого назначения - несколько импульсов в час, а для бытовых помещений - до одного импульса в

25 час. Полученные величины наглядно характеризуют необходимость защиты от импульсных напряжений как для крупных промышленных предприятий, использующих системы управления технологическими процессами, так и для бытовой микропроцессорной техники.

Публикация и апробация результатов диссертационной работы.

Научные и практические результаты работы отражены в пяти публикациях в научно-технических журналах и материалах конференций.

Результаты работы докладывались на трех научно-технических семинарах, совещаниях, конференциях (Новомосковск, Новочеркасск, Оренбург).

Полностью работа докладывалась на кафедре электроснабжения промышленных предприятий МЭИ в феврале 2000 года.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Зинчук, Дмитрий Евгеньевич

4.7. Выводы по главе 4.

По результатам анализа различных методов и средств защиты от импульсных напряжений в системах электроснабжения низкого напряжения можно сделать следующие выводы:

1. Проведена классификация основных методов и средств защиты чувствительного низковольтного электрооборудования, широко применяющиеся в мировой практике, их принцип действия и технико-эксплуатационные характеристики.

2. Проведено исследование характеристик компонентов устройств защиты от импульсных напряжений, их оценка с точки зрения обеспечения требуемой надежности защиты. Особое внимание было уделено металлооксидным варисторам, как наиболее дешевым и распространенным компонентам устройств защиты от импульсных напряжений.

3. Детально рассмотрена наиболее надежная комплексная система защиты чувствительного бытового электрооборудования от импульсных напряжений на примере распространенной практики защиты частных зданий и сооружений в США. Многократно апробированные принципиальные схемные решения с практической точки зрения чрезвычайно полезны для российского потребителя.

4. Рассмотрена проблема защиты оборудования от импульсных напряжений в современных российских условиях. Результаты испытаний различных устройств защиты, проведенные ведущими российскими институтами, показывают, что устройства защиты от импульсных напряжений, имеющиеся на сегодняшний день в распоряжении российского пользователя, позволяют сделать выбор в пользу отечественного производителя защитных устройств, поскольку

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации были подробно рассмотрены вопросы, связанные с возникновением и распространением импульсных напряжений в системах электроснабжения до 1 кВ различного назначения, а также защитой чувствительного электрического и электронного оборудования от импульсных напряжений.

Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Диссертация является одним из первых российских исследований актуальной в настоящее время комплексной проблемы по одному из показателей качества электроэнергии - импульсным напряжениям, возникающим в низковольтных электрических сетях различного назначения.

2. По результатам подробного изучения зарубежной и отечественной статистической и общетеоретической по причинам возникновения, характеру распространения и параметрам импульсных напряжений произведена классификация импульсных напряжений по природе их возникновения и дано краткое описание механизмов, приводящих к появлению каждого вида импульсов на электрооборудовании.

3. По результатам измерений, проведенных в цепях систем управления и защиты 3-го энергоблока Смоленской АЭС, а также автоматизированных экспериментальных исследований импульсных напряжений в низковольтных сетях различного назначения стран ЕЭС выявлено, что амплитудное распределение числа импульсных напряжений обратно пропорционально третьей степени амплитуды ит импульса.

4. Проведенные исследования показали, что для промышленных предприятий характерно появление свыше десятка импульсов в час,

117 для зданий и сооружений коммерческого назначения - несколько импульсов в час, а для бытовых помещений - до одного импульса в час. Полученные величины наглядно характеризуют необходимость защиты от импульсных напряжений как для крупных промышленных предприятий, использующих системы управления технологическими процессами, так и для бытовой микропроцессорной техники.

5. Проведен обзор и классификация основных методов и средств защиты чувствительного электрического и электронного низковольтного оборудования от импульсных напряжений, широко применяющиеся в мировой практике на сегодняшний день, произведено сравнение их технико-эксплуатационных и экономических характеристик.

6. Рассмотрена проблема защиты оборудования от импульсных напряжений в современных российских условиях. Анализ результатов испытаний различных устройств защиты от импульсных напряжений показывает, что технические средства, имеющиеся на сегодняшний день в распоряжении российского пользователя, позволяют сделать выбор в пользу отечественного производителя защитных устройств, не уступающим по своим техническим характеристикам зарубежным аналогам.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зинчук, Дмитрий Евгеньевич, 2000 год

1. Анализ опыта эксплуатации атомных станций. Разработка рекомендаций и мероприятий по повышению надежности, безопасности и устойчивости АЭС. -М.: ВНИИАЭС НПО "Энергия" 1990. - 180 с.

2. Ашнер A.M. Получение и измерение импульсных высоких напряжений: Пер. с нем. М.: Энергия. - 1979. - 120 с.

3. Барзам А.Б. Системная автоматика. М.: Энергоатомиздат. - 1989. - 352 с.

4. Борисов В.П., Вагин Г.Я. Электроснабжение электротехнологических установок. Киев: Наукова думка. - 1985. - 224 с.

5. Боровиков В.А., Косарев В.К., Ходот Г.А. Электрические сети и системы. -М.: Госэнергоиздат. 1963. - 460 с.

6. Бургсдорф В.В., Якобе А.И. Заземляющие устройства электроустановок. -М.: Энергоатомиздат. 1987. - 340 с.

7. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия. - 1983. - 468 с.

8. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа. - 1978. - 260 с.

9. Веников В.А., Строев В.А. Электрические системы и электрические сети. -М.: Высшая школа. 1998. - 512 с.

10. Гамазин С.И., Буре И.Г. Промышленное электроснабжение. М.: Издательство МЭИ. - 1987. - 164 с.

11. П.Гамазин С.И., Понаровкин Д.Б., Родина Л.С. Проектирование и расчеты режимов систем промышленного электроснабжения. М.: Издательство МЭИ. - 1988. - 144 с.

12. Гамазин С.И., Понаровкин ДБ., Цырук С.А. Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышленного электроснабжения. -М.: Издательство МЭИ. 1991. - 352 с.

13. Гамазин С.И., Семичевский П.И. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения с электродвигательной нагрузкой. М.: Издательство МЭИ. 1985. - 246 с.

14. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. М.: Издательство МЭИ. - 1997. - 424 с.

15. Гамазин С.И., Цырук С.А., Буре И.Г. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения. М.: Изд-во МЭИ. - 1988. - 342 с.

16. Гамазин С.И., Цырук С.А., Зинчук Д.Е. Грозовые импульсные напряжения в низковольтных распределительных сетях. // Промышленная энергетика. -2000.-№2.-с.26-31.

17. Гамазин С.И., Цырук С .А., Зинчук Д.Е. Коммутационные импульсные напряжения в низковольтных распределительных сетях. // Промышленная энергетика. 2000. - №3. - с.21-28.

18. Гамазин С.И., Цырук С .А., Понаровкин Д.Б. Автоматизация расчетно-экспериментальных исследований переходных процессов, обусловленных электродвигательной нагрузкой. // Промышленная энергетика. 1995. - №7. -с. 15-20.

19. Гамазин С.И., Цырук С.А., Понаровкин Д.Б. Переходные процессы в системах элетроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. М.: Издательство МЭИ. - 1995. - 352 с.

20. Горев A.A. Переходные процессы в синхронных машинах. Л.: Наука. -1985.-324 с.

21. Городецкий Г.М. Расчет электрических сетей. Киев: Государственное издательство технической литературы. -1953.-364 с.

22. ГОСТ 13109-97 Качество электрической энергии. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск.: Изд-во

23. Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации. 1997. - 62 с.

24. Гурвич И.С. Защита ЭВМ от внешних помех. М.: Энергоатомиздат. -1984. -143 с.

25. Добрынин А. Источники бесперебойного питания UPS. Hard'n'Soft. - 1995. -№9.-120 с.

26. Долгинов А.И. Перенапряжения в электрических системах. М.: Госэнергоиздат. - 1962. - 512 с.

27. Ермилов A.A. Основы электроснабжения промышленных предприятий. -М.: Энергоатомиздат. 1983. -412 с.

28. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат. - 1986. - 168 с.

29. Жежеленко И.В., Рабинович M.JL, Божко В.М. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. Киев: Техника. - 1981. - 160 с.

30. Жежеленко И.В., Шиманский О.Б. Электромагнитные помехи в сетях промышленных предприятий. Киев: Вища школа. - 1986. - 119 с.

31. Железко Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат. - 1989. - 344 с.

32. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электрической энергии. М.: Энергоатомиздат. - 1985. - 286 с.

33. Жохов Б.Д. Особенности электроснабжения технических средств вычислительных сетей // Промышленная энергетика 1995. - №4. - с. 21-24.

34. Зинчук Д.Е. Импульсные напряжения в системах электроснабжения низкого напряжения. // Энергосбережение, электроснабжение, электрооборудование:

35. Тез. докл. научно-технической конференции. Новомосковск. - 1998. -с.104-106.

36. Зинчук Д.Е. Устройства защиты от импульсных напряжений в сети. // Кибернетика электрических систем: Тез. докл. научно-технического семинара. Новочеркасск. - 1999. - с.34-35.

37. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатом-издат. - 1987. 336 с.

38. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатом-издат,- 1987.-310 с.

39. Иерусалимов М.Е., Орлов H.H. Техника высоких напряжений. Киев.: Издательство Киевского университета. - 1967. - 444 с.

40. Исследования в области применения ограничителей перенапряжений. Сборник научных трудов НИИПТ. Л.: Энергоиздат. - 1981, с. 31-38.

41. Каганов И.Л. Промышленная электроника. М.: Высшая школа. - 1968. -376 с.

42. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М.: Издательство АН СССР. - 1962. - 186 с.

43. Кнорринг Г.М. Осветительные установки. Л.: Энергоиздат. - 1981. - 288 с.

44. Коновалова Л.Л., Рожкова Л.Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. М.: Энергоатомиздат. - 254 с.

45. Костенко М.В. Перенапряжения и защита от них. Часть 1. Общая характеристика перенапряжений и координация изоляции. Л.: Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина. 1967. - 87 с.

46. Костенко М.В., Богатенков И.М., Михайлов Ю.А., Халилов Ф.Х. Коммутационные перенапряжения. // Итоги науки и техники. Электрические станции и сети. М.: Издательство ВИНИТИ. - 1990. - Том 16. - 116 с.

47. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энерго-атомиздат. - 1995. - 416 с.

48. Левин М.С., Мурадян А.Е., Сырых H.H. Качество электроэнергии в сетях сельских районов. М.: Энергия. - 1975. - 224 с.

49. Линдорф Л.С. Повышение надежности работы синхронных двигателей. -М.: Госэнергоиздат. 1960. - 440 с.

50. Маркович И.М. Режимы электрических систем. М.: Энергия. - 1969. 386 с.

51. Мельников H.A. Электрические сети и системы. М.: Энергия. - 1975. -463 с.

52. Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энергия. - 1973. - 442 с.

53. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. М.: Энергоатомиздат. - 1989. - 608 с.

54. Перенапряжения и координация изоляции. Под. ред. Лоханина A.K. М.: Энергоиздат. - 1982. - с.52-56.

55. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения с электромеханической нагрузкой / Гамазин С.И., Пупин В.М., Хомутов А.П. и др. // Промышленная энергетика. 1988. - №5. - с. 32-38.

56. Повышение качества электрической энергии / Сборник научных трудов ИЭД АН СССР. Киев: Наукова думка. - 1983. - 196 с.

57. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. -М.: Высшая школа. 1975. - 160 с.

58. Правила устройства электроустановок. М.: Главэнергонадзор России. -1998.-608 с.

59. Программа испытаний системы СУЗ реакторов РБМК при воздействии внешних электромагнитных помех. М.: ВНИИАЭС. - 1990. -61 с.

60. Радченко В.Д. Техника высоких напряжений устройств электрической тяги. М.: Траснпорт. 1975. - 360 с.

61. Рогов JI.Д., Файбисович В.А. Повышение надежности электроснабжения предприятий с непрерывным технологическим процессом. // Промышленная энергетика. 1976. - №2. - с. 15-18.

62. Рюденберг Р. Эксплуатационные режимы электроэнергетических систем и установок. JL: Энергия. - 1981. -273 с.

63. Слодарж М.Н. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М.: Энергия. - 1977. - 452 с.

64. Справочник по электроснабжению в промышленности. Под ред. Минина Г.И. иКопытова Ю.В. М.: Энергия. - 1978. - 496 с.

65. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию / Под. ред. Федорова А. А. -М.: Энергоатомиздат. 1986. -Т1.Электроснабжение. - 534 с.

66. Техника высоких напряжений. Под. ред. Костенко М.В. М.: Высшая школа. - 1973. - 528 с.

67. Трещев И.И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия. 1980. - 364 с.

68. Уинн Л. Рош. Устройства бесперебойного питания для вычислительных сетей // PC Magazine/Russian edition. 1994. - №2. - с. 35-49.

69. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. М.: Энергия. - 1970. - 346 с.

70. Федоров А.А., Каменев В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергия. - 1979. - 408 с.

71. Федоров А.А., Попов Ю.П. Эксплуатация электрооборудования промышленных предприятий. -М.: Энергоатомиздат. 1986. -415 с.

72. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. М.: Государственное энергетическое издательство. - 1952. - 480 с.

73. Шидловский А.К., Гринберг И.П., Железко Ю.С. Контроль качества электроэнергии и требования к средствам измерения // Электричество. -1982.-№12.-с 22-28.

74. Эдельман В.И. Надежность технических систем: экономическая оценка. -М.: Экономика. 1989.-293 с.

75. Электрические системы и сети / Буслова Н.В., Винославский В.Н., Денисенко Г.И., Перхач B.C. Киев: Вища школа. - 1986. - 530 с.

76. Boyd Michael. Powering and Protecting the Modern Facility. Current Technology Inc. - Power Quality Assurance. - 1998. - 13 p.

77. Champiot Gerard, Agostini Jean Claude. Electromagnetic environment in a PWR Power Plant. Direction des etudes et recherches electricite de France chatou. -1987, pp. 113-145.

78. Cirillo I., Prussel M. Electromagnetic compatibility in nuclear power plants. -IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol.33, No.l. - February, 1986, pp. 3139.

79. Clark O. Melville. Transient Susceptibility: Your Computer's Achilles Heel Power Quality. USA Official Proceedings of the First International Power Quality Conference October 15-20,1989. pp. 197-201.

80. Cohan Richard L., United States Practices to Protect People and Equipment Against Lightning. Power Quality Assurance Magazine. - September 1997.

81. Domijan A., Heydt G.T., Meliopoulos A.P.S., Venkata S.S., West S. Directions of Research on Electric Power Quality. // IEEE Transactions on Power Delivery. January 1993. - Vol.8, № 1 - pp. 165-172.

82. General Basic Information Regarding Surge Overvoltages and Surge Protection. Draft Technical Report. - IEC - February 1996. - 77 p.

83. Goedbloed Jasper J. Transients in Low-Voltage Supply Networks. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, №2 - May 1987.

84. Goedbloed Jasper J. Transients in Low-Voltage Supply Networks. // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 1987. - vol. emc-29. no 2. -pp. 19-30.

85. Goldbach William. Lightning: Some of the Physics and Effects. Advanced Protection Technologies. Clearwater. Florida. January 2, 1996. - pp. 1-3.

86. Laidley Wendell H., Harford J. Rudy. Powerline Surge Suppresion: Why You Want (and Need) More Than MOV'S. Power Quality. USA Official Proceedings of the First International Power Quality Conference October 15-20, 1989. - pp. 270-281.

87. Lawrence L.A.I., Fowler E.P. A UK Approach to the Design Implementation and Testing of Selfdiagnostic Scram Systems. Conference Nucl. React. Systems. Paris. - 1987. - pp. 374-385.

88. Malcom G. Microprocessor Control of Energy Demand. Electrical India. -1982. - v.21,7. - pp. 7-10.

89. Martzloff Francois D., Lai Jih-Sheng. Cascading Surge-Protective Devices: Options for Effective Implementations. 1EC. - 1992. - pp. 1-7.

90. Mauro George. Transient Voltage Surge Suppressors Does the zap stop here. -Underwriters Laboratories Inc., 1996.

91. Mehta H., Tahiliani V.H. Custom Power: An Opportunity for Energy Conservation. EPRI. - 1992. - pp. 1-6.

92. Millbank P. Step Foward for Load Management. Elecrical Review. - 1982. -v.211,7 - pp. 14-15.

93. Oughton George. Power Converter Survives High-Energy, Low-Frequency Surges. Exide Electronics Group Inc. - PCIM online, pp. 1-2.

94. Oughton George. The Need for Rugged Power Protection. Exide Electronics Group Inc. - 1995. - pp. 1-5.

95. Surge Protective Devices Connected to Low-Voltage Power Distribution Systems. Draft. IEC. - March 1995. - 73 p.

96. World's First FlyweelUPS. // Asean. Elec. V.3,1985. - №1. -pp. 35.42.

97. Цапенко Е.Ф. Причиной пожаров в зданиях могут быть перенапряжения в сетях 0,4 кВ. // Промышленная энергетика. 2000. - №1. - с. 34-35.