АНАЛИЗ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

АНАЛИЗ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Пириева Наджиба Мелик

доц. кафедры «Электромеханика» Азербайджанского Государственного Университета Нефти и Промышленности,

Азербайджан, г. Баку

Рзаева Сона Вагиф

заведующий лабораторией кафедры «Электромеханика» Азербайджанского Государственного Университета Нефти и Промышленности,

Азербайджан, г. Баку

Талыбов Саяд Новрузали

магистр кафедры «Электромеханика»

Азербайджанского Государственного Университета Нефти и Промышленности,

Азербайджан, г. Баку

ANALYSIS OF OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICES OF ELECTRIC NETWORKS

Pirieva Najiba Melik

Associate Professor of the Department of Electromechanics, Azerbaijan State University of Oil and Industry,

Azerbaijan, Baku

Rzayeva Sona Vagif

Head of the laboratory of the department "Electromechanics", Azerbaijan State University of Oil and Industry,

Azerbaijan, Baku

Talybov Sayad Novruzali

Master of the Department "Electromechanics" Azerbaijan State University of Oil and Industry,

Azerbaijan, Baku

АННОТАЦИЯ

Во время эксплуатации электрооборудования периодически возникают по­вы­шенные напряжения (перенапряжения), оказывающие негативное влияние на изоляцию. Используемые в настоящее время устройства защиты не могут обес­пе­чить высокую скорость в сетях 0,4 кВ, что приводит к отрицательным резуль­татам. В статье рассмотрен новый вариант устройства защиты, основанный на использовании силовых полупроводниковых элементов для преодоления ряда недостатков устройств и устройств защиты от перенапряжения. Использование в конструкциях современных электронных элементов имеет существенные преи­му­щества нового устройства по сравнению с существующими аналогами. Основным преимуществом электронных быстродействующих ограничителей пе­ренапряжения является их быстродействие.

ABSTRACT

During the operation of electrical equipment, increased voltages (overvoltages) periodically occur, which have a negative effect on the insulation. Currently used protection devices cannot provide high speed in 0.4 kV networks, which leads to negative results. The article considers a new version of the protection device, based on the use of power semiconductor elements to overcome a number of shortcomings of surge protection devices and devices. The use of modern electronic elements in the designs has significant advantages of the new device in comparison with existing analogues. The main advantage of electronic high-speed surge arresters is their speed.

Ключевые слова: перенапряжения, коммутационные перенапряжения, электронные элементы, устройства защиты.

Keywords: overvoltages, switching overvoltages, electronic elements, protection devices.

Введение

Перенапряжения – это любое превышение амплитуды наибольшего ра­бо­чего напряжения в изоляции элементов электрической сети, или, проще говоря, колебания напряжения. Продолжительность перенапряжений может варьи­ро­ваться от микросекунд до нескольких часов, а по характеру возникновения раз­личаются внешние и внутренние перенапряжения [1, 2]. К внешним пере­нап­ря­жениям относятся атмосферные перенапряжения (молнии), вызванные электро­магнитными волнами. Внутренние перенапряжения вызываются резонансными явлениями, пробоями и коммутациями

В результате перенапряжений (особенно грозовых) перебои в работе электроустановок происходят довольно часто, причем последствия не всегда сразу заметны [3, 4]. Следует отметить, что перенапряжение опасно не только тем, что может повредить оборудование, но и разрушить изоляцию электроус­та­новки или ее питающей линии. Поврежденная изоляция представляет угрозу для здоровья и жизни человека и увеличивает риск возникновения аварийных си­туаций. Разрушение элементов электроизоляции часто является причиной пожаров.

Защитные устройства используются для предотвращения возникновения повышенных напряжений, способных вывести из строя защищаемые элементы сети. Эти устройства можно представить как резисторы с нелинейным сопро­тив­лением.

Основные устройства и устройства защиты от перенапряжения:

• разрядники;
• трубчатые разрядники;
• вентильные разрядники;
• нелинейные ограничители перенапряжений;
• разрядники на основе многокамерной системы и скользящего разряда;
• устройства защиты от импульсных перенапряжений.

Простейшие виды защиты от действия перенапряжений, такие как искровые промежутки и роговые разрядники в ряде случаях применения невозможно. Несмотря на предельно простую конструкцию и низкую стоимость, эти устрой­ства частично решают проблему гашения дуги и защиты изоляции. Однако в качестве положительного момента можно выделить малые ёмкости межэлек­трод­ного промежутка, что делает эти устройства достаточно безопасными в отношении высокочастотных возмущений на защищаемых объектах. Несмотря на более технологическую попытку проблемы гашения дуги, трубчатые разрядники имеют ряд недостатков. Эти недостатки выражаются в проблемах их обслуживания и замены, а также создаваемые ими выхлопа вследствие высокой степени ионизации газов.  Для защиты оборудования подстанций препятствием для применения трубчатых разрядников является их крутая вольт-секундная характеристика, но эту проблему уже решает конструкция вентильных разрядников. Одна из ключевых проблем защитных аппаратов- недостаточная скорость срабатывания.

В связи с тем, что современные устройства защиты от перенапряжений обладают недостаточным быстродействием, время их срабатывания зависит от скорости нарастания перенапряжения и сравнимо с полупериодом синусоиды. Соответственно, значение напряжения, которое превышает в 3-7 раз номи­на­ль­ное, будет оказывать воздействие на защищаемые элементы в течение этого времени. Рассмотрим устройство, которое дает возможность повысить резуль­та­тивность защиты от перенапряжения. Разрабатываемое устройство должно иметь следующие преимущества: 1) простота конструкции; 2) высокое быстро­дейст­вие; 3) надежность конструкции.

С целью устранения ряда недостатков применяемых устройств и аппаратов защиты от перенапряжения рассмотрен новый вариант устройства защиты, в основе которого лежит применение силовых полупроводниковых элементов. Из основных видов транзисторов: полевые, биполярные и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), был выбран последний.

БТИЗ, или как его еще называют IGBT транзистор (англ. Insulated Gate Bi­polar Transistor), собрал в себе комбинацию полевого и биполярного тран­зис­тора: такой транзистор на входе ведет себя как полевой, а на выходе – как биполярный [5]. Принцип работы такого транзистора заключается в том, что мощным биполярным транзистором управляет полевой. Значит, становится возможным переключение мощной нагрузки при малой мощности управляющего сигнала. Современные IGBT-транзисторы способны коммутировать токи больше 1000 А при напряжении свыше 1000 В.

Схемное решение устройства. Схематическое воплощение для данного устройства выглядит достаточно просто и представляет собой взаимо­дейст­вую­щую группу состоящая из: бестрансформаторного блока питания, управляющего блока и силового ключа. Рассмотрим более подробно каждый из блоков (рис.1).

Рисунок 1. Принципиальная электросхема электронного быстродействующего ОПН

Первый блок А1, состоит из четырех диодов VD1-VD4, которые соединены между собой по мостовой схеме, служит для выпрямления напряжения питания. На выходе диодного моста получаем двух-полупериодное выпрямленное напря­же­ние с пульсирующей составляющей. Для того чтобы сгладить эти пульсации, в схему включен соответствующий сглаживающий конденсатор C1, величина которого подбирается достаточно большой для того, чтобы сгладить изменения напряжения при работе устройства, обеспечив тем самым корректную работу.

Управляющий блок В1 (рис. 1) выполняет роль делителя напряжения и состоит из четырех резисторов R1-R4, имеющих смешанное соединение. Резис­то­ры R1 и R2 и резисторы R3 и R4 соединены между собой последовательно. Пар­ные резисторы (R1-R2 и R3-R4) подключаются параллельно контактам конденсатора C1. При этом величина сопротивления резистора R4 выбирается больше остальных на величину коэффициента запаса. В дальнейшем данное значение будет определять напряжение открытия силового ключа. С центральных точек параллельных ветвей подается управляющее напряжение на полевой транзистор. Так как сопротивление R4 выбирается больше, то у нас на транзисторе будет существовать запирающий потенциал. Параллельно резис­то­ру R4 подключается стабилитрон, ограничивающий максимальную величину падения напряжения на нем. В этом случае при увеличении напряжения в питающей сети токи и, следовательно, напряжения в ветвях R1-R2 и R3-R4 будут постепенно возрастать, но за счет стабилитрона рост напряжения на R4 будет ограничен, а на R2 будет продолжаться пропорционально уровню входного напряжения.

Таким образом, в момент, когда напряжение на R2 станет больше напря­жения на R4, силовой ключ разомкнется и сеть замкнется на землю. Закрытие транзисторного ключа произойдет в тот момент, когда синусоида тока окажется в точке перехода от положительного значения к отрицательному (точка нулевого значения). После закрытия транзистора устройство переходит в режим ожидания для следующего включения.

Блок силового ключа С1 (рис. 1) имеет биполярный транзистор с изоли­ро­ван­ным затвором VT1. Этот транзистор подключен к сети коллектором (вывод 2), а эмиттером (вывод 3) к заземляющим устройствам. Управляющее напря­же­ние, поступающее с блока В1, подается между затвором и коллектором.

Это устройство подключается практически так же, как и существующее, за исключением небольших нюансов. Таким образом, контакты 2 и 3 подклю­чают­ся по той же схеме, что и в существующих аналогах, но контакт 1, отсутст­вую­щий в других устройствах защиты, подключается к нулевому проводнику и обес­пе­чивает питание устройства.

Выводы:

Рассмотренная конструкция обещает высокую эффективность в сетях 0,4 кВ. Она предназначена для снижения опасности аварийных ситуаций, вызван­ных перенапряжением. В рамках концепции рассматриваемого устройства был рассмотрен новый подход к реализации функции защиты. Статистика аварийных ситуаций, связанных с возникновением перенапряжений, показала, что работы в этом направлении позволяют снизить количество случаев, приводящих к выходу из строя электрооборудования и его повреждению, почти до четверти от общего числа отказов. Кроме того, после соответствующей модернизации открываются перспективы использования таких устройств для более высоких классов напряжения.

Список литературы:

1. Каждан, А. Э. Выбор ограничителей перенапряжений для защиты от коммутационных перенапряжений, возникающих при отключении индук­тив­ных нагрузок / А. Э. Каждан, А. И. Кривенко. – Текст: непосред­ст­вен­ный // Известия высших учебных заведений; Южно-Российский госу­дарст­венный технический ун-т. – 2004. – № 3 – С. 63-67.
2. Митрофанова, Е. В. Причины возникновения перенапряжений в электри­чес­ких сетях и защитное оборудование от перенапряжений / Е. В. Митро­фанова. – Текст: непосредственный // Сборник статей по материалам Всероссийского научно-исследовательского конкурса. – Уфа, 2020.
3. Ravaglio, M., Küster, K., Santos, S., et al. (2019). Evaluation of lightning-related faults that lead to distribution network outages: An experimental case study. Electric Power Systems Research. 174. Doi: 10.1016/j.epsr. 2019.04.026.
4. Jiang, J., Yang,W., Ma, K., et al. (2020). Study on Lightning Protection Measures of 220 kV Transmission Line Section Across River. Gaoya Dianqi / High Voltage Apparatus. 56 (1): 141-147. Doi: 10.13296/j.1001-1609.hva. 2020.01.021.
5. Кудрявцев, И. А. Электронные ключи: учебное пособие / И. А. Кудрявцев, В. Д. Фалкин. – Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2002. – 24 с.