CC BY
10УДК.355.7:358.33:621.3
Фоминич Э.Н, Колесник И.В., Курьяков Е.В., Толмачев В.Н.
Fominich E.N., Kolesnik I. V., Kuryakov E.V., Tolmachev V.N.
Средства защиты систем автономного электроснабжения от воздействия мощных
электромагнитных импульсов естественного и искусственного происхождения
Autonomous system protection power supply from powerful impact electromagnetic impulses of natural and artificial origin
Аннотация: В статье рассмотрены новые типы устройств защиты систем автономного электроснабжения напряжением 0,4 кВ от мощных электромагнитных импульсов естественного и искусственного происхождения на основе вакуумных управляемых разрядников и нелинейных ограничителей напряжения. Приведены основные параметры и результаты экспериментальных исследований эффективности работы данных устройств.
Abstract: The article discusses new types of devices for the protection of autonomous power supply systems with a voltage of 0.4 kV from powerful electromagnetic pulses of natural and artificial origin based on vacuum controlled arresters and nonlinear stress limits. The main parameters and the results of experimental studies of the efficiency of these devices are presented.
Ключевые слова: устройство защиты от импульсных перенапряжений, электромагнитный импульс, импульсные токи и напряжения, системы автономного электроснабжения, ограничитель напряжения нелинейный, разрядник вакуумный управляемый.
Keywords: impulse overvoltage protection device, electromagnetic pulse, pulse currents and voltages, autonomous power supply systems, non-linear voltage limiter, Vacuum-controlled discharger.
Одними из основных систем, обеспечивающих надежное функционирование и жизнедеятельность специальных сооружений, являются системы автономного электроснабжения (САЭ), автоматики и управления. Опыт разработки и эксплуатации этих систем показывает, что одной из наиболее сложных задач является обеспечение их устойчивой работы в условиях воздействия мощных электромагнитных помех искусственного происхождения. Это обстоятельство привело к необходимости уточнения требований к устройствам защиты и разработки специальных устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).
До настоящего времени защита электрооборудования систем автономного электроснабжения специальных сооружений на номинальное напряжение до 1000 вольт от воздействий мощных ЭМИ осуществлялась с помощью специальных УЗИП - нелинейных ограничителей перенапряжений «Джоуль-28», БОН-1(4) и Б0Н-20(40), нелинейных ограничителей перенапряжений с управляемыми тиристорами 15Р 169, а также с помощью молниевых вентильных разрядников РВН-0,5. Указанные типы УЗИП были разработаны в 8090-е годы и к настоящему времени, физически и морально устарели, а по своим тактико-техническим характеристикам не позволяют в полной мере обеспечить надежную и эффективную защиту от воздействий мощных ЭМИ вследствие их ограниченной пропускной способностью по току и поглощаемой энергии.
Перед научно-исследовательскими организациями Министерства обороны и оборонно-промышленного комплекса России встала задача по разработке и созданию на основе современных технологий принципиально новых типов УЗИП, которые должны удовлетворять установленным современным требованиям по защите автономных систем электроснабжения от воздействий мощных электромагнитных импульсов.
Учеными и специалистами Военного института (инженерно-технического) ВА МТО имени генерала армии А.В.Хрулева были разработаны и научно-обоснованы тактико-технические требования к новым типам УЗИП. В соответствии с данными требованиями по заказу Министерства обороны в промышленности была поставлена ОКР «Депозит» - «Разработка средств защиты специальных фортификационных сооружений в специальном исполнении». По результатам открытого конкурса головным исполнителем ОКР «Депозит» было определено ОАО «Авангард», Военно-научное сопровождение ОКР осуществлял Военный институт (инженерно-технический) ВА МТО. Разработку и изготовление опытных образцов УЗИП и их Государственные испытания осуществлял ВНИЦ - 900 ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ имени академика Е.И. Забабахина» (бывший ВЭИ имени В.И. Ленина).
При разработке технических требований к разрабатываемым УЗИП принята и реализована «зоновая» концепция защиты, приведенная в стандарте МЭК 62305-1 и ГОСТ Р 51992-2002 «Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 11. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний» [1,2].
Суть данной концепции состоит в том, что для гарантированной защиты объекта от воздействия мощных импульсов тока и напряжения «Зоновой концепцией защиты» предусмотрена трехступенчатая схема включения УЗИП. Согласно требований данных стандартов УЗИП, в зависимости от способности отводить импульсные токи и места их установки, делятся на классы: I, II, III. Основные требования к ограничителям перенапряжения разных классов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Класс устройства Назначение устройства
I Предназначены для защиты от прямых ударов молнии в систему молниезащиты здания (объекта) или воздушную линию электропередач (ЛЭП). Устанавливаются на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Нормируются импульсным током ^шр с формой волны 10/350 мкс.
II Предназначены для защиты токораспределительной сети объекта от коммутационных помех или как вторая ступень защиты при ударе молнии. Устанавливаются в распределительные щиты. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс.
III Предназначены для защиты потребителей от остаточных бросков напряжений, защиты от дифференциальных (несимметричных) перенапряжений (например, между фазой и нулевым рабочим проводником в системе фильтрации высокочастотных помех. Устанавливаются непосредственно возле потребителя. Нормируются комбинированной волной напряжения (1,2/50) мкс и тока (8/20) мкс.
В соответствии с данной концепцией на вводах питающих линий в сооружения, в которых размещается электрооборудование, устанавливаются УЗИП класса защиты 1, на сборных шинах главных распределительных щитов устанавливаются УЗИП класса 2, а на распределительных щитах (щитах питания) или на входах в электрооборудование устанавливаются УЗИП класса 3.
На основании требований технического задания на ОКР разработаны УЗИП 3 -х классов защиты:
- УЗИП класса защиты 1, тип 1 и тип 2;
- УЗИП класса защиты 2;
- УЗИП класса защиты 3.
УЗИП первого класса защиты является устройством комбинированного типа, а УЗИП 2 и 3 классов защиты устройством ограничивающего типа. УЗИП класса защиты 1 являются самыми мощными из существующих в настоящее средств защиты на напряжении 0,4 кВ и обеспечивают защиту электрооборудования при максимально возможных уровнях токов и напряжений, наводимых различными источниками естественного и искусственного происхождения. Технические характеристики УЗИП-0,4 кВ класса защиты 1, приводятся в таблице 2.
Таблица 2
Наименование параметра Количественные значения
УЗИП КЛАССА ЗАЩИТЫ 1
Номинальное рабочее напряжение (постоянное и переменное частотой до 400 Гц), кВ, не более 0,22 / 0,38
Максимальное длительное рабочее напряжение, кВ, не более 0,24 / 0,42
Остаточное напряжение, (пиковое значение напряжения, появляющееся на выводах УЗИП, вследствие прохождения разрядного тока) кВ, не более Тип УЗИП 1 Тип УЗИП 2 4 2,5
Ожидаемый ток короткого замыкания источника питания, кА 30
Параметры токов и напряжений при воздействиях мощных ЭМИ
Номинальный (многократный) разрядный ток ЭМИ, выдерживаемый каждым полюсом, кА 50
Максимальный (однократный) разрядный ток ЭМИ, выдерживаемый каждым полюсом, кА 75
Длительность фронта импульсов тока ЭМИ на входе УЗИП на уровне 0,1-0,9 амплитуды, с, не более 0,5 •10-6
Длительность импульсов тока ЭМИ на входе УЗИП на уровне 0,5 амплитуды, с, не менее. 5Т0-3
Скорость нарастания воздействующего импульса напряжения, кВ/мкс, не менее 100
Параметры токов и напряжений при воздействиях молнии и коммутационных перенапряжений
Импульсный ток, (10/350 мкс), кА 150
Номинальный разрядный ток, (8/20 мкс), кА 75
Коммутационные перенапряжения, кВ 4,5
УЗИП-0,4 класса 1 является самым энергоемким устройством защиты из трех, представленных к разработке устройств. Наибольший ток через УЗИП на волне 0,5/5000 мкс составляет 75 кА, а на волне 10/350 мкс 150 кА.
На основе результатов выполненных исследований по применению вакуумных разрядников РВУ-27 и нелинейных ограничителей напряжения МНР-57 разработана принципиальная электрическая схема фазного модуля защитного устройства от импульсных перенапряжений класса 1, приведенная на рис. 1. Устройство включается в сеть переменного тока напряжением 380/220 В и состоит из трех аналогичных однофазных модулей. Принцип их работы одинаков и не зависит друг от друга.
В состав фазного модуля входят:
- блок фильтра низких частот А1;
- блок ограничения напряжения А2;
- блок коммутации А3;
- блок запуска РВУ А4.
г Д1 "I Г Д2-! Г Г ¿4~1
1--1—I—--И---1-М-1-И*
1____J I______I I_______I I______________I
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема фазного модуля УЗИП-0,4 класса защиты 1
Защитные функции устройства выполняются в четыре этапа. На первом этапе работает блок фильтра низких частот. При поступлении импульса перенапряжения на вход ХА индуктивность Ь и емкость С, сглаживают фронт импульса и обеспечивают включение блока ограничения напряжения.
На втором этапе блоком варисторов Я], Я2 осуществляется ограничение перенапряжения до заданного уровня, не превышающего 1500В. Длительность работы блока варисторов определяется временем включения вакуумного разрядника (блока коммутации).
На третьем этапе включается вакуумный разрядник и (блок коммутации), закорачивает линию электропередачи на землю и шунтирует блок ограничения напряжения, снимая с него нагрузку. Момент включения вакуумного разрядника определяется временем подачи запускающего импульса, формируемого блоком запуска, на управляющий электрод 2 вакуумного разрядника. Время подачи запускающего импульса задается выбором параметров интегрирующей цепочки ЯзСзЯ5.
Блок запуска запускает схему задержки срабатывания вакуумного разрядника. Время задержки срабатывания РВУ регулируется блоком запуска. Для отстройки срабатывания РВУ при рабочих коммутационных перенапряжениях и небольших токах молнии время задержки в опытных образцах рекомендовано устанавливать порядка 50 мкс.
На четвертом этапе по окончанию воздействия помех, обеспечивается восстановление всех защитных функций УЗИП и подготовка к ограничению последующих воздействий.
Конструктивное исполнение разрабатываемого трехфазного УЗИП-0,4 класса защиты 1 показано на рис. 2.
Рис. 2. Конструктивное исполнение фазы УЗИП-0,4 1 класса без внешнего корпуса
В схеме УЗИП-0,4 1 класса в качестве элементов защиты ограничивающего типа используются защитные устройства на основе варисторов МНР-57, а в качестве устройств коммутирующего типа - разрядники РВУ-27. Такое решение принято из следующих соображений:
- варистор прекрасно работает при возникновении перенапряжений защищаемой цепи, время и величина напряжения срабатывания для данного устройства практически постоянные, однако варистор имеет один существенный недостаток - наличие токов утечки;
- в разрядниках токи утечки полностью отсутствуют, поэтому его устанавливают между рабочим «нулем» и защитным заземлением.
Устройство диагностики УЗИП обеспечивает выдачу информации о его состоянии и количестве срабатываний, для этого в состав УЗИП вводится дополнительный модуль, с выходных контактов разъемов которого можно снять информацию о количестве срабатываний. Диагностическая информация о состоянии УЗИП передается путем передачи сигналов тока или напряжения, а также свечением контрольного светодиода.
УЗИП 2 и 3 классов ограничивающего типа изготавливаются на основе нелинейных резисторов. Технические характеристики УЗИП-0,4 класса защиты 2, приводятся в таблице 3, а внешний вид - на рисунке 3.
Таблица 3
№ п/п Наименование параметра Количественные значения параметров
УЗИП класса защиты 2*
1 Номинальное рабочее напряжение* (постоянное и переменное частотой до 400 Гц), кВ, не более 0,22 / 0,38
2 Максимальное длительно рабочее напряжение, ис,,* кВ, не более 0,25 / 0,44
3 Ожидаемый ток короткого замыкания источника питания*, 1р , кА 20
4 Токи утечки в каждом полюсе относительно корпуса при напряжении переменного тока 220 В, частотой 50 Гц, А, не более 6 10 - 3
5 Уровень напряжения защиты* ир, ,кВ 2,5 кВ
6 Принцип действия ограничивающего типа
Параметры токов и напряжений ЭМИ
8 Номинальный (многократный) разрядный ток ЭМИ, выдерживаемый каждым полюсом, кА 5
9 Максимальный (однократный) разрядный ток ЭМИ, * выдерживаемый каждым полюсом, кА 10
№ п/п Наименование параметра Количественные значения параметров
10 Длительность фронта импульсов тока ЭМИ на входе УЗИП на уровне 0,1-0,9 амплитуды, с, не более 0,5х10 - 6
11 Длительность импульсов тока ЭМИ на входе УЗИП на уровне 0,5 амплитуды, с, не менее. 5х10-3
12 Скорость нарастания воздействующего импульса напряжения, кВ/мкс, не менее 50
13 Количество импульсов напряжения и тока, выдерживаемых устройством без нарушения функциональных способностей, не менее 10
Параметры токов и напряжений молнии и коммутационных перенапряжений
14 Максимальный разрядный ток*, 1т (8/20 мкс), кА 75
15 Номинальный разрядный ток*, 1п (8/20 мкс), кА 50
16 Коммутационные перенапряжения, кВ 4,5
Принципиальная электрическая схема фазного модуля УЗИП 2 класса защиты приведена на рис. 3а, а внешний вид - рис. 3б.
Рис. 3. УЗИП 2 класса: а - принципиальная электрическая схема фазного модуля защиты;
б - внешний вид.
Технические характеристики УЗИП-0,4 класса защиты 3 аналогичны характеристикам УЗИП 2 класса, разница в уровне остаточного напряжения, равного 1,5 кВ и номинального (многократного) разрядного тока, равного 1 кА. Принципиальная электрическая схема фазного модуля УЗИП 3 аналогична УЗИП- 2.
Предварительные и Государственные испытания разработанных устройств защиты проводились по программе испытаний, утвержденной Заказчиком ОКР, на трех комплектах каждого типа УЗИП-0,4 1, 2 и 3 классов, на стендах имитаторах ГИЛ-Л и ГИТ-50/5 на экспериментальной базе ВИ (ИТ) ВА МТО и на испытательных установках ВНИЦ - 900 ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ имени академика Е.И. Забабахина.
Генератор импульсных токов ГИТ-Л позволяет воспроизводить импульсные токи с различными амплитудами при широком регулировании временных форм. Технические характеристики ГИТ-Л, приводятся в таблице 4.
Таблица 4. Технические характеристики генератора импульсных токов ГИТ-Л
№ п/п Наименование характеристик Количественное значение
Секция 1 Секция 2
1 Запасаемая энергия, МДж до 2 до 4
2 Наибольшее рабочее напряжение, кВ 50 10 (5)
3 Номинальное напряжение, кВ 40 ± 4 8 ± 0,8
4 Диапазон регулирования напряжения, кВ 25...50 0,5. 10
5 Максимальный ток в нагрузке, кА 400 100
6 Ток короткого замыкания, кА 1000 1000
7 Время заряда, мин 3 6
Пределы изменения тока в нагрузке:
8 - по амплитуде, кА 15.400 3.100
- по длительности фронта, мкс 1.40 30.770
- по длительности полуспада, мс 0,05.3 0,1.100
9 Тип конденсаторов ИК-50-3 ИС 5-200
10 Габаритные размеры, м 14,5x4,5x7,5 14,8x6x7,5
Блок схема установки ГИТ -Л для испытаний УЗИП приведена на рис. 4, а внешний вид
приведен на рисунке 5.
Рис. 4. Блок схема установки ГИТ -Л для испытаний УЗИП.
Рис. 5. Внешний вид испытательной установки ГИТ-Л.
Функционально каждая секция ГИТ-Л содержит зарядное устройство, емкостный накопитель энергии (ЕНЭ), блок коммутаторов, формирующий блок, систему управления и контроля, систему поджига (запуска) и систему заземления. Принцип работы обеих секций аналогичен: конденсаторы ЕНЭ заряжаются от зарядного устройства до заданного напряжения. В процессе заряда ЕНЭ отделяются от нагрузки блоком коммутаторов. При поступлении на коммутаторы запускающих импульсов от системы поджига происходит разряд ЕНЭ на нагрузку через формирующий блок, задающий требуемую амплитуду и форму импульса в нагрузке.
Испытание УЗИП производилось при воздействии токов ЭМИ ЯВ с амплитудой 75 кА, фронтом нарастания 0,5 мкс и длительностью до полуспада 5 мс, а также токов молнии с параметрами амплитудой 150 кА, фронтом нарастания 10 мкс и длительностью до полуспада 350 мкс. Проводилось по три воздействия каждым импульсом.
На рисунке 6 приведена в качестве примера осциллограммы импульсов тока и остающегося напряжения на УЗИП класса защиты 1 при воздействиях токов ЭМИ С/ост = 1420 В, ток 50 кА.
Тек J~L • Acq Complete М Pos: ¿IO.OOjus КУРСОР
Тип
Источник ИЯ1
it 17.60 jus h 56.82kHz aV ЗООгпУ
Курсор 1 3.6üjus 14 2V
Курсор 2 21.2jus 13.8V
;Н1 5.007 СН2 ШШ М 10.1:1.1.15 СН1 5.004
Напряжение 0,5 кВ/дел; ток 10,0 кА/дел Рис. 6. Осциллограммы импульсов тока и остающегося напряжения на УЗИП класса защиты 1 при воздействиях токов ЭМИ. Иост = 1420 В, ток 50 кА. Результаты экспериментальных исследований макетных образцов фазных модулей устройства защиты с применением в силовых цепях вакуумных разрядников РВУ-27 и
нелинейных ограничителей напряжения МНР-57 показали, что управляемые вакуумные разрядники и блоки нелинейных резисторов сохранили свою работоспособность и обеспечили необходимые защитные функции при воздействии импульсных перенапряжений.
Проведенные приемосдаточные испытания комплекса устройств защиты от импульсных перенапряжений показали их полное соответствие требованиям технического задания и рекомендуются к применении при защите систем автономного электроснабжения специальных объектов от мощных импульсных воздействий молнии и электромагнитных излучений современного оружия. Наличие арсенала данных УЗИП позволяет реализовать регламентируемые современными нормативными документами требования по защите электрооборудования на основе «Зоновой» концепции.
Список литературы
1. IEC-61024-1 (1990): «Молниезащита строительных конструкций. Часть 1. Общие принципы».
2. ГОСТ Р 51992-2002 (IEC-61643-1,1998-02): «Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 1. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний».
3. ГОСТ Р 50571.19-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений».
4. ГОСТ Р 50571.20-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 444. Защита электроустановок от перенапряжений, вызванных электромагнитными помехами.
5. Фоминич Э.Н., Хромов В.В. Устройства защиты систем автономного электроснабжения от мощных электромагнитных воздействий. Современные проблемы создания и эксплуатации вооружения, военной и специальной техники. Сборник статей III Всероссийской научно-практической конференции. 2016. С. 474-476.
6. Фоминич Э.Н., Филиппов В.Г., Исаков А.В. Универсальное комбинированное устройство для зашиты систем электроснабжения 6(10) кВ от мощных электромагнитных воздействий. Технологии электромагнитной совместимости. 2013. № 1 (44). С.18-22.
7. Алфёров Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А. Управляемые вакуумные разрядники: основные свойства и применение.//-М., ЭЛЕКТРО. 2002. №2. -С. 31-37.
8. Устройства защиты УЗИП 3-6-50, УЗИП 3-10-50. Технические условия ПИАФ.674371.001 ТУ. Истра. 2010.
