CC BY
29обеспечение надежности специальной электронной аппаратуры
Буханец Д.И., Борзиков В.Б., Васильев В.К.
краткая характеристика функционирования автономных электроэнергетических систем с электроприемниками на базе микропроцессорной техники
оценка параметров импульсных коммутационных перенапряжений
современные объекты электроснабжения представляют из себя комплексные системные устройства, объединенные по функциональному назначению элементами системы высокого напряжения (магистрали линий электропередач, трансформаторные подстанции, распределительные устройства и т.д.), а также низкого напряжения (цепи управления приводов, пульты управления и диспетчеризации, релейная защита и автоматика, автоматизация систем управления, устройства телеметрии, измерения и контроля технологических параметров, сигнализации и многое другое).
Эти различные устройства функционально связаны между собой многочисленными линиями связи, снабжающими питанием исполнительные механизмы, информационные и измерительные сигналы и т.д. На всех указанных объектах обязательными являются системы молниезащиты и заземления, защищающие электроустановку от опасных перенапряжений, а личный состав от опасных напряжений прикосновения и шаговых напряжений. системы защиты в том числе выполняют функции обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМс) оборудования и обеспечивают его нормальное функционирование (без сбоев, потери информации, повреждений при воздействии перенапряжений и помех и т.д.) в условиях заданной электромагнитной обстановки и отсутствие эмиссии помех, опасных для другого оборудования, установленного вблизи или подключенного к общим электрическим коммуникациям, включая контуры заземления, зануления, шин опорного потенциала.
Функциональная сложность и многоступенчатость схем электроснабжения (не только первичных, но и вторичных цепей, схем электрических присоединений оборудования к заземляющему устройству и др.), а также расширяющееся использование микропроцессорной техники для автоматизации технологических
процессов, измерений, релейной защиты и пр., имеющей гораздо меньшие уровни рабочих напряжений и токов по сравнению с более распространенной техникой (электромеханические реле, контакторы, счетчики электрической энергии и пр.), а, следовательно, и меньшие пороги помехоустойчивости, обостряют проблемы электромагнитной совместимости на объектах электроэнергетики.
Вместе с тем от нормальной и безаварийной работы современных электронных элементов на базе микропроцессорной техники все больше зависит управление целыми системами сложных технических комплексов. Характерной особенностью современных энергетических систем становиться все более широкое использование микропроцессорной техники в условиях мощных электрических и магнитных полей. Неуклонное возрастание использования в быту и повседневной деятельности многочисленных источников электромагнитных воздействий и общая картина «электромагнитного загрязнения», сложившаяся в последнее время, так же накладывает свой отпечаток на работу вышеуказанных систем.
В сложившихся условиях постоянно возникающих электромагнитных воздействий природного и техногенного характера возможны нарушения режимов эксплуатации, сопровождающиеся отключениями в подаче электроснабжения.
Таким образом, одним из основных условий создания предпосылок нормального функционирования сложных технических комплексов является оценка воздействий и подбор необходимых защитных средств против электромагнитных воздействий природного и техногенного характера путем подавления импульсных перенапряжений.
Рассмотрим некоторые современные технические способы решения по обеспечению электромагнитной совместимости оборудования СЭС и электрооборудования потребителей с использованием защитных устройств в виде ступенчатых ограничителей перенапряжения и рассмотрим общие сведения и принципы зонной концепции защиты от перенапряжений.
ступенчатые ограничители перенапряжений
Зачастую при защите от перенапряжений требуется, с одной стороны, поглотить большие импульсные токи, а с другой - быстро ограничивать перенапряжения до уровней, близких по значению к рабочим напряжениям [1]. Эти требования могут оказаться невыполнимыми для одного защитного элемента, что приводит к необходимости создания ступенчатых схем ограничения перенапряжений. На основании анализа защитных элементов выявлены наиболее приемлемые места установки каждого защитного элемента в ступенчатой схеме ограничения перенапряжений, которые сведены в таблицу 1. ступени защиты в этой таблице разделены на три:
1 ступень (грубая защита) - очень большие импульсные токи, очень большая энергоемкость, большое время срабатывания (мкс), невысокий уровень ограничения перенапряжения;
2 ступень (средняя защита) - большие импульсные токи, большая энергоемкость, малое время срабатывания (нс), высокий уровень ограничения перенапряжения;
3 ступень (тонкая защита) - малые импульсные токи, маленькая энергоемкость, сверхбыстродействие (пс), уровень ограничения перенапряжения, близкий к рабочему напряжению.
Таблица 1
Параметры защитных элементов
Параметры Варисторы Газонаполненные разрядники Ограничительные диоды
Напряжение ограничения, В 6-2000 70-12000 5-440
Импульсный ток 8/20 мкс, А до 100000 до 60000 до 200
Энергоемкость, Дж 0,1-15000 до 60 до 15
Время срабатывания, нс менее 25 менее1000 менее 1
Ступень защиты 1,2,3 1 3
На рис. 1 показан пример схемы устройства, реализующего ступенчатое ограничение перенапряжения. Устройство состоит из газонаполненного разрядника (1 ступень), варистора (2 ступень) и ограничительного диода (3 ступень).
при появлении импульса перенапряжения сначала срабатывает ограничительный диод. Ток, протекающий через него, вызывает падение напряжения на индуктивности, что приводит к срабатыванию варистора. Таким образом, приходящий импульс 10 кВ со скоростью изменения напряжения 1 кВ/мкс ступенчато ограничивается до напряжения менее 50 В.
кВ В В В
Рис. 1. Трехступенчатый ограничитель перенапряжения
Ступенчатые ограничители перенапряжений (СОПН) имеют большую область применения, т.к. постоянно растущее использование микропроцессорной техники требует ограничение значительных ИКП до значений, близких к рабочим напряжениям оборудования. Кроме того, данные ограничители могут одновременно служить и защитой от кондуктивных электромагнитных помех, улучшая
электромагнитную обстановку защищаемых объектов.
На рис. 2 показан трехступенчатый СОПН фирмы «WeidMuПer», состоящий из двух разрядников, двух варисторов и одного супресдиода [2].
Рис. 2 Ступенчатый ограничитель перенапряжений фирмы «WeidMuller»
зонная концепция защиты от импульсных коммутационных
перенапряжений
Суть зонной концепции
В основу защиты электроустановок от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений может быть положена так называемая зонная концепция, регламентированная стандартами Международной электротехнической комиссии (МЭК) [3, 4]. Суть данной концепции заключается в том, что объект, подлежащий защите от перенапряжений, разбивается на определенное количество зон от источника перенапряжений до защищаемого оборудования. В каждой из этих зон предусматривается последовательное снижение уровня перенапряжений до значения, устраивающего защищаемое оборудование. Границами защитных зон служат стены зданий (металлические фасады, арматуры несущих стен и др.), внутренние экранированные помещения, измерительные камеры, корпуса электроприборов. Микропроцессорная аппаратура размещается в наиболее защищенных зонах.
Основное отличие зонной защиты от ступенчатой заключается в том, что защитные устройства устанавливаются в разных местах защищаемой схемы, а роль разделительных индуктивностей (рис. 3) играют индуктивности проводов. МЭК разработана классификация защитных элементов по назначению и параметрам, соответствующая их установкам в различных зонах:
Класс А. Предназначены для установки в распределительных воздушных сетях низкого напряжения. Испытываются ударным током 3 (табл. 2).
Класс В. предназначены для систем уравнивания грозовых перенапряжений и защиты от прямых ударов молнии. Испытываются ударным током 1 (табл. 2).
Класс С. Предназначены для защиты от импульсных перенапряжений в стационарных электроустановках и устанавливаются во вводных распределительных
щитах. Испытываются ударным током 3 (табл. 2).
Класс D. предназначены для защиты от импульсных перенапряжений в стационарных и передвижных электроустановках и устанавливаются в розеточ-ных блоках или непосредственно у потребителя. Испытываются комплексными импульсами напряжения 1,2/50 и тока 8/20 мкс.
Таблица 2
параметры испытательных импульсов МЭК
Параметр/импульс 1 1 3
imax, кА 100 100 5
W/R (удельная энергия), Дж/Ом 2,5-106 5-10J 0,4-Ю3
Qmax, Кл 50 10 0,1
Форма импульса, мкс 10/350 8/80 8/20
/.кл II» -
so -
Ы] - so - 40 г 1
10 ■ Lt
80 »я ЮЙ 11МЮ г. мкс
рис. 3. Испытательные импульсы, соответствующие таблице 2
Известны места установки защитных элементов при зонной защите от импульсных перенапряжений в зависимости от используемой системы заземления нейтрали TN-C-S, TN-S, П). В качестве примера на рис. 4 приведена
установка защитных устройств классов В, с и D в сети TN-C-S 220/380 В.
применение зонной защиты в указанных сетях, несмотря на небольшой срок использования, доказало эффективность ограничения грозовых и коммутационных импульсных перенапряжений.
рис. 4 Зонная защита в сети TN-C-S 220/380 В
Зонная концепция защиты сформирована на основании требований, изложенных в стандартах. Основными принципами защиты являются:
• применение строительных конструкций с металлическими элементами (арматурой, каркасами, несущими элементами и т.п.), электрически связанными между собой и системой заземления, и образующими экранирующую среду для уменьшения воздействия внешних электромагнитных влияний внутри объекта («клетка Фарадея»);
• наличие правильно выполненной системы заземления и выравнивания;
• деление объекта на условные защитные зоны и применение специальных устройств защиты от перенапряжений (УЗИЛ);
• соблюдение правил размещения защищаемого оборудования и подключенных к нему проводников относительно другого оборудования и проводников, способных оказывать опасное воздействие или вызвать наводки.
Железобетонные конструкции зданий, выполняющие функцию естественного заземляющего устройства и имеющие электрическое соединение с системой выравнивания потенциалов, достаточно хорошо экранируют находящуюся внутри технику от электромагнитных воздействий (клеть Фарадея), отводя большую опасную часть тока молнии при прямом попадании в объект на землю (рис. 5) [5].
Рис. 5. Структура здания (клеть Фарадея) и растекание токов по металлоконструкциям при прямом ударе молнии
Стандарт 1ЕС 61312-1 определяет зоны молниезащиты с точки зрения прямого и непрямого воздействия молнии.
На рис. 6 приводится пример разделения защищаемого объекта на несколько
зон.
рис. 6. Защитные зоны объекта Зона 0 характеризуется оригинальными электромагнитными помехами. В зоне 1, окруженной электромагнитным экраном, помехи ослаблены. В качестве экрана зоны 1 может выступать, например, каркас здания. В зоне 2 помехи еще более ослаблены экраном зоны 2. В зоне 3, содержащей, например, чувствительное оборудование, помехи ослаблены до безопасного уровня экраном этой зоны. при этом экраны частично принимают на себя кондуктивные помехи (перенапряжения), поступающие по проводам питания.
Из рисунка ясно, что все проводники, пересекающие границы зон, должны быть снабжены элементами, снижающими перенапряжения.
Указанные меры направлены на то, чтобы ступенчато от зоны к зоне снизить энергию и амплитуду перенапряжения (рис. 7).
Необходимым условием правильной работы схемы защиты от перенапряжений, реализующей зонную концепцию, является координация защитных средств по напряжению срабатывания, а также по времени срабатывания, с тем, чтобы энергия импульсов ослаблялась от ступени к ступени.
д . ^ .
Ф'
V,
я
V
%
V
я
-Ме
рис. 7. принцип ступенчатого ограничения перенапряжений
'
'
'
2
3
MP
Зона 0
Зона 1
Зона 2
Зона 3
В качестве разделительных индуктивностей, как правило, используются собственные индуктивности проводов. Однако иногда, в случае коротких участков пересекающих зоны, используются дополнительные разделительные индуктивности.
Значение необходимой разделительной индуктивности, например, при защите от грозового импульса (1,2/50 мкс), составляет 10 мкГн. Этой индуктивности приблизительно соответствует длина провода 10 м.
Для ступенчатости поглощения энергии наиболее значима длительность переднего фронта импульса. Поэтому внутренние (коммутационные) перенапряжения, с характерной длительностью переднего фронта импульса 100...300 мкс можно ограничить ступенчато только в случае, если значительно увеличить разделительные индуктивности до сотен - тысяч мкГн или длины проводов между ступенями до нескольких десятков - сотен метров. В автономных объектах обеспечить выполнение указанных условий практически сложно и применение зонной концепции только для ограничения ИКП нецелесообразно.
Зонная концепция ориентируется на предельные электромагнитные источники помех, а именно, на прямой удар молнии в защищаемый объект с электронным оборудованием, и поэтому предусматривает всеобъемлющие мероприятия по защите от перенапряжений. Одновременно при выполнении требований по защите при ударе молнии обеспечивается защита от ядерного электромагнитного импульса.
Уравнивание потенциалов в защитных зонах
Основным принципом зонной защиты от перенапряжений является уравнивание потенциалов, которое реализуется соединением электрически проводящих частей объекта проводниками уравнивания потенциалов.
Уравнивание потенциалов может быть сеточным, звездообразным и смешанным с конструкцией объекта.
Прибор, изолированный от металлической структуры, соединен с центральной точкой уравнивания потенциалов. Провод системы уравнивания потенциалов представлен на схеме замещения П - образным четырехполюсником. Здесь C и L - емкость и индуктивность линии соответственно. Для заданной длины линии
I они определяются по формулам: C = Col; L = L0l, где C0 и L0 - погонные емкость и индуктивность линии. Прибор на схеме замещения представлен своей емкостью Ñg .
В проводах системы уравнивания потенциалов и на приборе относительно металлической структуры защитной зоны индуктируется напряжение помехи за счет изменения магнитного поля тока молнии. Это вызывает протекание импульсных токов в рассматриваемом контуре. Необходимо, чтобы емкостное сопротивление в конце провода было меньше индуктивного сопротивления провода. Это обеспечит то, что индуктированное напряжение будет приложено к индуктивному сопротивлению проводов, а не к прибору.
Указанное условие может быть выражено в следующем виде
2п fL0l <<-г—1-г ,
0 2nf (Col/2 + Cg )
где f - частота индуктированных помех.
Решение этого неравенства относительно l имеет следующий вид
l <<
C
- + ■
1
C
Co 2п f L0C0 C
Если принять типичную индуктивность провода 1 мкГн/м, типичную емкость провода - 7 пФ/м а емкость прибора 100 пФ, граничная частота выше 10 МГц, то длина будет I << 2.3 м.
Так как размеры автономных объектов зачастую имеют линейные размеры всего в несколько метров, то звездообразную и древовидную системы уравнивая потенциалов можно рекомендовать для многих автономных ЭЭС.
Смешанная система уравнивания потенциалов характеризуется наличием большого числа замкнутых контуров, что способствует ослаблению магнитных полей как тока молнии, так и полей силовых и сигнальных проводов.
Провода, идущие в защитную зону и выходящие из нее, могут пересекать экран в любых точках. Однако каждый проводник, пересекающий защитную зону, необходимо в точке пересечения снабжать ограничителем перенапряжений.
На рис. 8 показана возможность объединения двух пространственно разделенных зон в одну с помощью проводящего экрана.
Рис. 8 Объединение двух защитных зон проводящим экраном
Из изложенного выше можно сделать вывод, что в общем случае СОЛН могут реализовать требования, которые не могут быть выполнены одним защитным элементом. Вариант СОЛН может состоять из газонаполненного разрядника (1-ая ступень), варистора (2-ая ступень) и ограничительного диода (3-я ступень). Достоинством СОЛН является возможность обеспечения защитой от кондуктивных электромагнитных помех. Недостатком СОЛН считается невысокий срок службы варисторов и ограничительных диодов при частом воздействии ИКЛ [6].
Зонная концепция защиты от перенапряжений (в соответствии с установленными зонами по рекомендациям МЭК) применима при защите объектов (электропитающих сетей до 1 кВ, линий связи и передачи данных, компьютерных сетей и других коммуникаций технических объектов) от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений. В настоящее время применяют различные варианты реализации зонной концепции ограничения перенапряжений с использованием принципов ступенчатого ограничения перенапряжений и уравнивания потенциалов (сеточным, звездообразным и смешанным способом с конструкцией объекта).
ЛИТЕРАТУРА
1. Кужеков С.Л., Буханец Д.И., Васильев В.К., Влащицкий А.В., Долгих В.В., Кривенко А.И., Шуляк В.Г. Импульсные коммутационные перенапряжения в автономных электроэнергетических системах. Новочеркасск: ЮРГТУ 2007 г. - 87 с.
2. Материалы интернет-сайта www.WeidMuller.de.
3. 1ЕС 61024.
4. 1ЕС 61312.
5. И.Л.Кужекин, В.Л.Ларионов, Е.Н.Лрохоров. Молния и молниезащита., М.: «Знак». 2003 г. - 330 с.
6. Корчак В.Ю., Васильев В.К., Буханец Д.И., Борзиков В.Б., Жуков А.О., Козлов В.Л. Использование защитных устройств поглощающего типа с варисто-рами в автономных электроэнергетических системах с электроприёмникам на базе микропроцессорной техники. Теоретические и прикладные проблемы развития систем внутреннего и автономного электроснабжения специальных объектов, М.: ВА РВСН, с. 158-171, 2015.
