Защита от коммутационных перенапряжений: Защита от внутренних перенапряжений / ПУЭ 7 / Библиотека / Элек.ру

Содержание

Защита от внутренних перенапряжений / ПУЭ 7 / Библиотека / Элек.ру

4.2.166. Электрические сети 3-35 кВ должны работать с изолированной, заземленной через резистор или дугогасящий реактор нейтралью. В электрических сетях 3-35 кВ с компенсацией емкостного тока однофазного замыкания на землю степень несимметрии емкостей фаз относительно земли не должна превышать 0,75%. Выравнивание емкостей фаз относительно земли должно осуществляться транспозицией проводов и распределением конденсаторов высокочастотной связи. Число дугогасящих реакторов и места их установки должны определяться для нормального режима работы сети с учетом возможных делений ее части и вероятных аварийных режимов.

Дугогасящие реакторы могут устанавливаться на всех ПС, кроме тупиковых, связанных с электрической сетью не менее чем двумя линиями электропередачи. Установка реакторов на тупиковых ПС не допускается. Дугогасящие реакторы не допускается включать в нейтрали трансформаторов, присоединенных к шинам через предохранители. Мощность дугогасящих реакторов выбирается по значению полного емкостного тока замыкания на землю с учетом развития сети в ближайшие 10 лет. Рекомендуется использование автоматически настраиваемой компенсации емкостного тока замыкания на землю.

4.2.167. В электрических сетях 3-35 кВ следует принимать меры для предотвращения феррорезонансных процессов и самопроизвольных смещений нейтрали.

В электрических схемах 3-35 кВ, в которых имеются генераторы (синхронные компенсаторы) с непосредственным водяным охлаждением обмотки статора, вследствие значительной активной проводимости изоляции генератора на землю защита от феррорезонансных процессов не требуется.

4.2.168. Обмотки трансформаторов (автотрансформаторов) должны быть защищены от коммутационных перенапряжений с помощью РВ или ОПН, установленными в соответствии с требованиями 4.2.153.

4.2.169. В сетях 330, 500 и 750 кВ в зависимости от схемы сети, количества линий и трансформаторов следует предусматривать меры по ограничению длительных повышений напряжения и внутренних перенапряжений.

Необходимость ограничения квазиустановившихся и внутренних перенапряжений и параметры средств защиты от них определяются на основании расчетов перенапряжений.

4.2.170. С целью ограничения опасных для оборудования коммутационных перенапряжений следует применять комбинированные РВ или ОПН, выключатели с предвключаемыми резисторами, элетромагнитные трансформаторы напряжения или другие средства, а также сочетания их с мероприятиями по ограничению длительных повышений напряжения (установка шунтирующих и компенсационных реакторов, схемные мероприятия, системной и противоаварийная автоматики, в частности автоматики от повышения напряжения).

Коммутационные перенапряжения на шинах ПС 330,500 и 750 кВ должны быть ограничены в зависимости от уровня изоляции оборудования.

4.2.171. Для РУ 110-500 кВ должны предусматриваться технические решения, исключающие появление феррорезонансных перенапряжений, возникающих при последовательных включениях электромагнитных трансформаторов напряжения и емкостных делителей напряжения выключателей.

К этим решениям относится в частности:

  • применение выключателей без емкостных делителей напряжения;
  • применение вместо электромагнитных трансформаторов емкостных;
  • применение антирезонансных трансформаторов напряжения;
  • увеличение в 1,5-2 раза емкости ошиновки РУ путем установки на шинах дополнительных конденсаторов, например связи.

Защита электрооборудования от импульсных перенапряжений

Перенапряжением, в том числе импульсным перенапряжением, называется любое превышение напряжения относительно максимально допустимого для данной сети.

К этому виду сетевых помех относятся как перенапряжения связанные с перекосом фаз достаточно большой длительности, так и перенапряжения, вызванные грозовыми разрядами с длительностью от десятков до сотен микросекунд. Методы и средства борьбы зависят от длительности и амплитуды перенапряжений. В этом отношении импульсные перенапряжения можно выделить в отдельную группу.

Под импульсным перенапряжением понимается кратковременное, чрезвычайно высокое напряжение между фазами или фазой и землей с длительностью, как правило, до 1 мс.

Грозовые разряды – мощные импульсные перенапряжения, возникающие в результате прямого попадания молнии в сеть электропитания, громоотвод или импульс от разряда молнии на расстоянии до 1,5 км, приводящий к выходу из строя электрооборудования или сбою в работе аппаратуры. Прямое попадание характеризуется мгновенными импульсными токами до 100 кА с длительностью разряда до 1 мС.

При наличии системы громоотвода импульс разряда распределяется между громоотводом, сетью питания, линиями связи и бытовыми коммуникациями. Харакер распределения во многом зависит от конструкции здания, прокладки линий и коммуникаций.
Переключения в энергосети вызывают серию импульсных перенапряжений различной мощности, сопровождающуюся радиочастотными помехами широкого спектра. Природа возникновения помех приведена на примере ниже.
Пример природы возникновения помех

Например, при отключении разделительного трансформатора мощностью 1кВА 220/220 В от сети вся запасенная трансформатором энергия «выбрасывается» в нагрузку в виде высоковольтного импульса напряжением до 2 кВ.

Мощности трансформаторов в энергосети значительно больше, мощнее и выбросы. Кроме того переключения сопровождаются возникновением дуги, являющейся источником радиочастотных помех.

Электростатический заряд, накапливающийся при работе технологического оборудования интересен тем, что хоть и имеет небольшую энергию, но разряжается в непредсказуемом месте.

Форма и амплитуда импульсного перенапряжения зависят не только от источника помехи, но и от параметров самой сети. Не существует два одинаковых случая импульсного перенапряжения, но для производства и испытания устройств защиты введена стандартизация ряда характеристик тока, напряжения и формы перенапряжения для различных случаев применения.

Так для имитации тока разряда молнии применяется импульс тока 10/350 мкс, а для имитации косвенного воздействия молнии и различных коммутационных перенапряжений импульс тока с временными характеристиками 8/20 мкс.

Таким образом, если сравнить два устройства с максимальным импульсным током разряда 20 кА при 10/350 мкс и 20 кА при импульсе 8/20 мкс у второго, то реальная «мощность» первого примерно в 20 раз больше.

Существует четыре основных типа устройств защиты от импульсных перенапряжений:
Разрядник.
Представляет собой устройство из двух токопроводящих пластин с калиброванным зазором. При существенном повышении напряжения между пластинами возникает дуговой разряд, обеспечивающий сброс высоковольтного импульса на землю.
По исполнению разрядники делятся на: воздушные, воздушные многоэлектродные и газовые. В газовом разряднике дуговая камера заполнена инертным газом низкого давления. Благодаря этому их параметры мало зависят от внешних условий (влажность, температура, запыленность и т.д.), кроме этого газовые разрядники имеют экстремально высокое сопротивление (около 10 ГОм), что позволяет их применять для защиты высокочастотных устройств до нескольких ГГц.

При установке воздушных разрядников следует учитывать выброс горячего ионизированного газа из дуговой камеры, что особенно важно при установке в пластиковые щитовые конструкции. В общем, эти правила сводятся к схеме установки представленной на рис. 1
.
Рисунок 1 – Схема установки разрядников.

Силовое напряжение срабатывания в для разрядников составляет 1,5 – 4 кВ (для сети 220/380 В 50 Гц).
Время срабатывания порядка 100 нс. Максимальный ток при разряде для различных исполнений от 45 до 60 кА при длительности импульса 10/350 мкс. Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в щиты, так и в виде модуля для установки на DIN-рейку.

Отдельную группу составляют разрядники в виде элементов для установки на платы с токами разряда от 1 до 20 кА (8/20 мкс).

Варистор.
Керамический элемент, у которого резко падает сопротивление при превышении определенного напряжения.
Напряжение срабатывания 470 – 560 В (для сети 220/380 В 50 Гц).
Время срабатывания менее 25 нс.
Максимальный импульсный ток от 2 до 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс.

Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в радиоаппаратуру, так и в виде DIN-модуля для установки в силовые щиты.

Разделительный трансформатор.
Силовой 50 герцовый трансформатор с раздельными обмотками и равными входным и выходным напряжениями.
Трансформатор просто не способен передать столь короткий высоковольтный импульс во вторичную обмотку и благодаря этому свойству является, в некоторой степени, идеальной защитой от импульсных перенапряжений. Однако при прямом попадании молнии в электросеть может нарушиться целостность изоляции первичной обмотки, и трансформатор выходит из строя.

Защитный диод.
Применяется, как правило, для защиты аппаратуры связи. Обладает высокой скоростью срабатывания (менее 1 нс) и разрядным током 1 кА при токовом импульсе 8/20 мкс.

Из четырех выше описанных устройств каждое имеет свои достоинства и недостатки. Если сравнить разрядник и варистор с одинаковым максимальным импульсным током и обратить внимание на длительность тестового импульса, то становится ясно, что разрядник способен поглотить энергию на два порядка больше, чем варистор.

Зато варистор срабатывает быстрее, напряжение срабатывания существенно ниже и гораздо меньше помех при работе.

Разделительный трансформатор, при определенных условиях, имеет безграничный ресурс по защите нагрузки от импульсных перенапряжений (у варисторов и разрядников при срабатывании происходит постепенное разрушение материала элемента), но для сети 100 кВА требуется трансформатор 100кВА (тяжелый, габаритный и довольно дорогой).
Следует помнить, что при отключении первичной сети трансформатор сам по себе генерирует высоковольтный выброс, что требует установки варисторов на выходе трансформатора.

Одной из серьезных проблем в процессе организации защиты оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений является то, что нормативная база в этой области до настоящего времени разработана недостаточно. Существующие нормативные документы либо содержат в себе устаревшие, не соответствующие современным условиям требования, либо рассматривают их частично, в то время как решение данного вопроса требует комплексного подхода. Некоторые документы в данный момент находятся в стадии разработки и есть надежда, что они вскоре выйдут в свет. В их основу положены основные стандарты и рекомендации Международной Электротехнической Комиссии (МЭК).

В настоящее время существуют следующие нормативные документы, которые в той или иной мере рассматривают вопросы защиты электропитающих установок от импульсных перенапряжений:

  • Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений (РД 34.21.122-87).
  • Временные указаниях по применению УЗО в электроустановках зданий (Письмо Госэнергонадзора России от 29.04.97 № 42-6/9-ЭТ разд.6, п. 6.3).
  • ПУЭ (7-е изд., п. 7.1.22)
  • ГОСТ Р 50571.18-2000, ГОСТ Р 50571.19-2000, ГОСТ Р 50571.20-2000.
Ниже представлены типовые схемы защиты от импульсных перенапряжений. Как правило, это комбинация различных устройств защиты реализующих концепцию зонной защиты широко распространенную за рубежом.

Основные ее положения приведены в стандартах IEC-1024-1 (1990-03) «Защита сооружений от удара молний. Часть 1. Общие принципы» и IEC-1312-1 (1995-02) «Защита от электромагнитного импульса молнии. Часть 1. Общие принципы».
Суть данной концепции заключается в том, что объект, подлежащий молниезащите (защите от перенапряжений), разбивается на три условных зоны. Предусматривается последовательное снижение уровня перенапряжений от зоны 0 к зоне 1 и далее к зоне 2, в которой устанавливается оборудование. Границей зоны 0 и зоны 1 служит внешний контур заземления и стены здания.
Для систем электропитания границей этих зон является ГРЩ здания. Границей зон 1 и 2, как правило, является токораспределительный щит.

Современная классификация защитных устройств строится в соответствии с зоновой концепцией молниезащиты (IEC-1024-1, IEC-1312-1). Основные классы защитных устройств приведены в IEC 1643-1 (37A/44/CDV: 1996-03) «Устройства защиты от волн перенапряжения для низковольтных систем распределения электроэнергии. Эксплуатационные требования и методы испытания».

В зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токи устройства защиты от перенапряжений делятся на следующие классы — A, B, C, и D.

Класс Назначение защитного устройства Место установки Основные требования, предъявляемые к устройству Импульсный ток, пропускаемый устройством при срабатывании
В Для защиты от прямых ударов молнии в здание, мачту, ЛЭП. (Категория перенапряжения IV) На вводе в здание (во вводном щите) или в главном распределительном щите. – Защита от импульсных перенапряжений с большой энергией (прямых ударов молний, мощных бросков напряжений в режимах короткого замыкания).
– Требуется защита от прямого прикосновения.
– Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки.
В соответствии с требованиями
— E DIN VDE 0675-6/А1/ 03-96 (таблица 4)
(при импульсе10/350 мкС Iimp = 0,5 — 50 кА)
— IEC 1643 — 1 (37A/44/CDV:1996-03)
C Для защиты электросети от коммутационных помех, как вторая ступень защиты при ударе молнии. (Категория перенапряжения III) Распределительные щиты. – Защита от синфазных перенапряжений (между фазой и землей, нейтралью и землей).
– Требуется защита от прямого прикосновения.
– Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки.
В соответствии с требованиями:
— E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкС Isn = 5 кА)
— IEC 1643-1 (37A/44/CDV:1996-03)
D Для защиты потребителей от остаточных бросков напряжений, фильтрация помех (Категория перенапряжения II) Розетки, оконечные защитные устройства (фильтры и т. п.) – Защита от дифференциальных перенапряжений (между фазой и нейтралью).
– Требуется защита от прямого прикосновения.
– Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки.
В соответствии с требованиями:
— E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкС Isn = 1,5 кА)
— IEC 1643-1 (37A/44/CDV:1996-03)
Основой любой системы защиты являются системы заземления и выравнивания потенциалов внутри здания, поэтому любые мероприятия по защите должны начинаться с проверки этих систем.

Обязателен переход на системы электропитания TN-S или TN-C-S с разделёнными нулевым рабочим и нулевым защитным проводниками.
Этот переход важен не только с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений, но и для защиты от поражения электрическим током обслуживающего персонала и повышения противопожарной безопасности объекта (возможно применение устройств УЗО).

Типовая схема установки защитных элементов зонной защиты представлена на рисунке 2.

Защитные устройства класса В, газовые или воздушные разрядники с током разряда от 45 до 60 кА (10/350 мкс), устанавливаются на вводе в здание (во вводном щите, в ГРЩ или же в специальном боксе). Защитные устройства класса С в виде мощных варисторных модулей с токами разряда порядка 40 кА (8/20 мкс) – на других подраспределительных щитах. Защита класса D, варисторные модули с током разряда 6 – 8 кА или всевозможные фильтры со встроенной варисторной защитой, устанавливается непосредственно возле потребителя.

Защита класса В должна устанавливаться обязательно на объектах имеющих воздушный ввод и соответственно чья сеть может быть подвержена грозовому разряду.
В случае подземного кабельного ввода достаточна установка защит класса С и D.

Приведенные цифры по токам для защит по данной схеме существенно превышают требования норматива, однако разумное усиление всех рубежей защиты дает гарантию многолетней безаварийной работы элементов и обеспечивает существенно меньшие остаточные напряжения.

Установка разрядника в первой ступени защиты между нулевым рабочим (N) и нулевым защитным (PE) проводниками необязательна, так как защитные устройства расположены непосредственно возле точки разделения PEN проводника на N и PE проводники. Во второй ступени защиты между N и PE проводниками устанавливаться ограничитель перенапряжения, так как при удалении от точки разделения PE-N проводника и увеличении длины электрических кабелей индуктивность и, соответственно, индуктивное сопротивление жил кабелей току разряда молнии резко возрастает. В результате этого возможно возникновение разности потенциалов между элементами оборудования, подключенного к N и PE проводникам.

Так же при установке защитных устройств очень важно, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 7–10 метров по кабелю электропитания. Выполнение этого требования необходимо для правильной работы защитных устройств.
В момент возникновения в силовом кабеле импульсного перенапряжения, за счет увеличения индуктивного сопротивления металлических жил кабеля, обеспечивается необходимая временная задержка в росте импульса перенапряжения на следующей ступени защиты, что позволяет обеспечить поочерёдное срабатывание ограничителей перенапряжения от более мощных к менее мощным. В случае необходимости размещения защитных устройств на более близком расстоянии или рядом (в одном щите) необходимо использовать искусственную линию задержки в виде дросселя с номинальным током сети.

Подключение устройств защиты к РЕ рекомендуется делать отдельным проводником и сводить шине выравнивания потенциала (ШВП). Такое подключение позволяет свести к минимуму бросок потенциала в результате срабатывания устройств защиты от импульсного перенапряжения.

В случае применения устройств УЗО, ограничители перенапряжений классов В и С необходимо размещать на линейной стороне УЗО, чтобы токи разряда и токи утечки, протекающие через них на РЕ проводник, не вызывали срабатывания УЗО. К тому же в случае установки ограничителей перенапряжения классов В и С на сторону нагрузки УЗО, последнее может быть выведено из строя током разряда молнии, что недопустимо с точки зрения обеспечения электробезопасности. Ограничители перенапряжений класса D можно устанавливать после УЗО на стороне нагрузки для защиты оборудования от дифференциальных перенапряжений между фазным проводником L и нейтралью N. В этом случае импульсные токи разряда будут протекать между L и N проводниками, не отводясь на защитный РЕ проводник.

При данной схеме средняя точка двух варисторов подключается к РЕ проводнику через разрядник, который не позволит токам утечки варисторов вызвать ложное срабатывание УЗО. В данной схеме необходимо применение УЗО типа S с временной задержкой срабатывания. Однако следует отметить, что вопрос применения УЗО на объектах, где необходимо обеспечение электропитания по первой категории, на данный момент времени остается не решенным. ПУЭ издание 7-е 1999 года предусматривает применение УЗО в электроустановках жилых, общественных, административных и бытовых зданий. Документы, определяющие область применения УЗО в электрических сетях промышленных предприятий, в настоящее время отсутствуют.

Наличие предохранителей F2 – F4 и F5 – F7 является обязательным, в случае если номинал предохранителей F1 превышает значение, указанное в паспорте на данный тип защиты.
Например для разрядников FLT – PLUS CTRL 1. 5 это 250 А., т.е. если линейный предохранитель F1 400 А, то F4 – F6 не более 250 А , а для варисторного модуля PIV 230 это значение составляет 160 А. Однако в случае аварии защитных устройств существует вероятность потери питания в сети.
Во многих случаях для обеспечения непрерывности питания устанавливаются защитные автоматы (F2 – F4 и F5 – F6) с номиналом тока меньше линейного автомата защиты. В этом случае возникает необходимость дополнительного контроля за состоянием устройств защиты и в первую очередь варисторных блоков.

При соблюдении всех правил установки зонной защиты срок службы защитных элементов составляет в среднем 15 – 17 лет.

Типовая схема защиты ЛВС
В данной схеме защиты потребители делятся на две группы.
Потребитель первой категории – сервера, бухгалтерия, связь и тд – те, для которых потеря питания приводит к серьезным экономическим последствиям.

Источник бесперебойного питания желательно типа on – line так, как при необходимости он обеспечит стабилизацию напряжения и имеет надежность существенно выше, чем ИБП типа оff – line.

Способы защиты от перенапряжений в квартирах и частных домах

Перенапряжения – это нарушения в нормальном режиме работы электросети, связанные с увеличением напряженности электрического поля до значений, опасных для элементов электроустановок и проводящих линий. В момент перенапряжения на номинальное сетевое напряжение накладывается мгновенный импульс или дополнительная волна напряжения. Такие явления могут стать причиной повреждения изоляции и вызвать пожар, могут создать серьезную угрозу для работоспособности оборудования, а порой и для жизни и здоровья людей. Перенапряжения имеют разную природу. Однако современное защитное оборудование позволяет нейтрализовать последствия всех видов нарушений в работе сети.

Причины перенапряжений

В зависимости от источника возникновения, можно выделить четыре типа перенапряжений: атмосферные, коммутационные, переходные перенапряжения промышленной частоты и перенапряжения, вызванные электростатическим разрядом. Все они нарушают работу электросети и представляют опасность для оборудования на стороне потребителя.

Атмосферные перенапряжения связаны с грозовыми явлениями. Во время грозы в атмосфере происходит до 30-100 разрядов в секунду, при этом ежегодно земля испытывает около 3 миллиардов ударов молнии. Согласно данным комитета по молниезащите МЭК, порядка 50% разрядов молнии имеют силу свыше 33 кА, а 5% — свыше 85 кА. Вероятность поражения молнией зависит от климатической зоны, в которой расположен объект, а также от конкретного ландшафта. В частности, с повышенным вниманием надо относиться к молниезащите отдельно стоящих на равнине домов. Еще большую опасность создают расположенные поблизости от дома высокие деревья или сооружения (мачты, трубы). Также к зонам повышенных рисков относят горы, влажные участки возле водоемов, железистые почвы.

Прямой удар молнии опасен для человека и может стать причиной пожара. Нередко молния напрямую поражает трансформаторы, счетчики электроэнергии и бытовые электроприборы. Она служит причиной возникновения перенапряжений во всех проводящих элементах. Ток молнии вызывает тепловой эффект и расплавление изоляции в точках воздействия. Электродинамический эффект, возникающий при циркуляции токов молнии в параллельных проводниках, приводит к разрывам или сплющиванию проводов. Молния может вызывать даже эффект взрыва и ударной волны. Канал молнии, при прохождении по нему сильного импульсного тока, действует как антенна, вызывая перенапряжения в радиусе нескольких километров. Также во время грозы повышается потенциал земли из-за циркуляции тока молнии в грунте. Это объясняет непрямые разряды молнии из-за образующегося шагового напряжения и связанные с этим повреждения оборудования.

Таким образом, последствия грозовых явлений не менее опасны, чем прямой удар молнии. Именно поэтому важно обеспечивать не только первичную защиту зданий (молниеотводы), но и продумывать вторичную защиту внутреннего оборудования, в частности питающих и телекоммуникационных сетей. Это касается не только частных домов, но и городских квартир, которые защищены от прямого удара молниеотводами, устанавливаемыми на крыше здания, однако могут подвергаться импульсным скачкам напряжения, распространяющимся по сети.

Коммутационные перенапряжения возникают непосредственно в электрических сетях, поэтому их иногда называют «внутренними». Они представляют собой волны перенапряжения высокой частоты — от нескольких десятков до нескольких сотен кГц. Коммутационные перенапряжения могут быть обусловлены резкими перепадами нагрузки на линиях электропередачи (к примеру, из-за отключения понижающих трансформаторов подстанции), феррорезонансными явлениями и другими аварийными режимами работы распределительных сетей.

Причины коммутационных перенапряжений также могут быть связаны и с функционированием оборудования на стороне потребителя. К примеру, с отключением устройств защиты (плавких предохранителей, выключателей), отключением или включением аппаратуры управления (реле, контакторов), пуском или остановом мощных двигателей. По большому счету источниками коммутационных перенапряжений могут быть любые устройства, имеющие в своем составе катушку, конденсатор или трансформатор на входе питания, в том числе телевизоры, принтеры, компьютеры, электропечи, фильтры и т. д.

В отличие от атмосферных, коммутационные перенапряжения развиваются не так быстро и могут не иметь столь мощного разрушающего воздействия. Однако нередко они носят повторяющийся характер и тем самым вызывают преждевременное старение оборудования.

Переходные перенапряжения промышленной частоты характеризуются тем, что имеют такую же частоту, как и сеть (50, 60 или 400 Гц). Они возникают из-за повреждения изоляции между фазой и корпусом или фазой и землей (в сетях с заземленной нейтралью), а также из-за разрыва нейтрального проводника; при этом однофазные устройства получают напряжение 400 В. Другая причина переходных перенапряжений связана с пробоем проводника, например, при падении кабеля высокого напряжения на низковольтную линию. Третья причина — образование дуги при срабатывании защитного искрового разрядника высокого или среднего напряжения, вызывающее повышение потенциала земли.

Перенапряжения из-за электростатического разряда опасны главным образом для высокочувствительных электронных устройств. Они могут возникать в сухой среде, где накапливается сильное электростатическое поле. К примеру, человек, идущий по ковру в изолирующей обуви, становится электрически заряженным до напряжения нескольких киловольт. Когда он прикасается к проводящей конструкции, возникает электрический разряд в несколько ампер с очень коротким временем нарастания (несколько наносекунд).

Способы защиты от перенапряжений

Устройства первичной защиты от перенапряжения необходимы для предотвращения прямых ударов молнии — они улавливают и отводят ее ток на землю. Такие устройства располагают выше уровня всех остальных конструкций, причем их высота зависит от размера защищаемой зоны. Как правило, для защиты жилых объектов используется стержневые молниеотводы, снабженные проводниками-токоотводами. Проектировать систему первичной молниезащиты на конкретном объекте должны специалисты в этой области.

Устройства вторичной защиты позволяют обеспечить нормальную работу оборудования и сетей внутри здания в условиях атмосферных и коммутационных перенапряжений. Их можно разделить на две большие группы — устройства последовательной и параллельной защиты. К первой группе относятся:

Трансформаторы, устраняющие определенные гармоники за счет соответствующего соединения первичной и вторичной обмоток; такая защита не очень эффективна.

Фильтры, служащие для ограничения коммутационных перенапряжений в четко заданном диапазоне частот. Такие устройства не подходят для ограничения атмосферных перенапряжений.

Ограничители перенапряжений, состоящие из воздушных катушек индуктивности, ограничивающих перенапряжения, и разрядников, отводящих токи. Наиболее подходят для защиты чувствительного электронного оборудования, но защищают только от перенапряжений. Представляют собой громоздкие и дорогостоящие устройства.

Сетевой фильтр – надежное устройство для защиты компьютеров, ноутбуков и электронной техники от перепадов напряжения – одной из причин выхода их из рабочего состояния и утери персональных данных. Обеспечивает эффективное электропитание и подавляет импульсные и высокочастотные помехи в электрической сети.

Сетевой фильтр PM6U-RS APC by Schneider Electric

Стабилизаторы напряжения служат для нормализации сетей переменного тока и устраняют проблему колебания напряжения. В частности, анализируют входное напряжение, а затем, переключая обмотки своего трансформатора, поддерживают необходимый диапазон напряжения на выходе.

Стабилизатор напряжения LS1500-RS APC by Schneider Electric

Источники бесперебойного питания служат для поддержки работы оборудования в автономном режиме за счет энергии батарей в случаях несанкционированного ее отключения.

Источник бесперебойного питания BR1500G-RS APC by Schneider Electric

Куда более популярны устройства параллельной защиты, которые могут использоваться в установках любой мощности. Важно знать, что номинальное напряжение такого устройства должно соответствовать сетевому напряжению на вводах установки. В режиме «ожидания» (при отсутствии перенапряжений) ток утечки не должен протекать через устройство защиты, но при возникновении перенапряжения, превышающего допустимое значение, устройство должно моментально отводить вызванный перенапряжением ток на землю. Важной характеристикой такого оборудования является его быстродействие.

В жилых домах для защиты от перенапряжений чаще всего применяется модульное оборудование, устанавливаемое в распределительных щитах. В частности, это устройства защиты от импульсных перенапряжений — УЗИП и дифференциальные выключатели нагрузки с защитой от превышения напряжения — УЗО. Также существуют сменные ограничители перенапряжений и ограничители перенапряжений для защиты силовых розеток, обеспечивающие вторичную защиту подключенного оборудования. Некоторые ограничители встраиваются непосредственно в устройства, потребляющие электроэнергию, однако они не могут защитить от больших перенапряжений. Для защиты телефонных и коммутационных сетей от перенапряжений используются слаботочные разрядники, которые также устанавливаются в распределительных щитах или встраиваются в устройства, потребляющие электроэнергию.

Оборудование Schneider Electric для защиты от перенапряжений

Наиболее эффективными средствами для обеспечения защиты от перенапряжений в квартирах и частных домах служат модульные аппараты, устанавливаемые в распределительные щиты. Также с целью частичной защиты могут использоваться сетевые фильтры.

Дифференциальные выключатели нагрузки (УЗО) предназначены в первую очередь для защиты людей от поражения электрическим током и предотвращения возгораний. Однако в линейке модульного оборудования Easy9, разработанного компанией Schneider Electric, также есть УЗО, совмещающие защиту от утечки тока и от превышения напряжения. Если в сети возникнет переходное напряжение промышленной частоты, к примеру, из-за обрыва нейтрального провода в подъезде многоквартирного дома, питание будет отключено. Такое устройство позволит защитить и проводку, и оборудование, и человеческую жизнь.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) помогают предотвратить последствия от непрямых ударов молний и аварийных скачков напряжения, губительных для дорогостоящей электроники; они компенсируют сильные броски напряжения, с которыми УЗО справиться не в состоянии. Как правило, электроника может выдержать перенапряжения до 1300-1500 В, в том время, как скачки напряжения при ударе молнии могут достигать 10 000 В. Задача УЗИП — сгладить импульсные перенапряжения до приемлемого уровня в 1000-1300 В.

Наиболее распространенный вариант УЗИП — это сетевые фильтры (удлинители с кнопкой), однако УЗИП в модульном исполнении (к примеру, Easy9 от Schneider Electric) обеспечивает значительно более надежную и качественную защиту от перенапряжений. К тому же, размещение аппарата в распределительном щитке на входе в квартиру позволяет защитить не только компьютер, но и кухонные приборы, климатическое оборудование, охранную сигнализацию, мультимедийные системы, поставленные на зарядку смартфоны и т.д. К сожалению, пока модульными аппаратами УЗИП оснащено не более 1 % российских домохозяйств.

Смотреть видеосюжет об основных преимуществах автоматов Easy9, Домовой и Acti 9

При выборе устройств защиты от импульсных перенапряжений важно учитывать наличие молниеотвода, организацию системы заземления, информацию о токах короткого замыкания (КЗ). К примеру, если на здании или в 50 метрах от него установлен молниеотвод, можно использовать УЗИП класса I, в остальных случаях — класса II. Поскольку УЗИП не рассчитан на длительное пребывание под действием высокого напряжения, его следует защищать от КЗ с помощью автоматического выключателя.

Наличие УЗИП в электроустановке низкого напряжения обеспечивает полную защиту системы электроснабжения квартиры или частного дома и гарантирует сохранность всех видов дорогостоящей бытовой техники и электроники. При этом защитное оборудование линейки Easy9 характеризует доступная цена.

Ограничители перенапряжений Acti 9 предназначены в первую очередь для промышленных и административных зданий. Однако и в этой серии есть оборудование, которое при необходимости можно применять в жилых помещениях для надежной защиты от атмосферных перенапряжений. Это ограничители перенапряжения типа 2 со встроенным разъединителем — iQuick-PF, iQuick-PRD и модульные ограничители перенапряжений типа 2 — iPF & iPRD. В оборудовании Acti 9 предусмотрена сертифицированная координация срабатывания с автоматическими выключателями, кроме того, аппараты очень легко монтировать на объекте, а их состояние можно отслеживать удаленно с помощью системы мониторинга. Для телекоммуникационных сетей могут использоваться устройства защиты iPRC и iPRI.

Помимо этого в продуктовом портфеле Schneider Electric есть бытовые устройства защиты от всплесков напряжения APC SurgeArrest Performance. Сетевые фильтры этой серии предназначены для обеспечения минимально необходимой защиты компьютеров, бытовых электронных приборов и телефонных линий от импульсных помех.

При выборе решений для защиты от перенапряжений, важно учитывать несколько факторов. Во-первых, стоимость защищаемого оборудования и последствия его выхода из строя. Во-вторых, риски возникновения перенапряжений, которые напрямую связаны с состоянием сети и грозовой активностью в конкретной местности. Продумывая защиту электрооборудования, важно не забывать и о телекоммуникационных сетях (телефонные сети, пожарные и охранные сигнализации, системы «умный дом» и т.д.), которые также могут пострадать от перенапряжений.

4. Защита от грозовых и коммутационных перенапряжений с помощью опн.

4.1. Общие положения.

В настоящее время основным защитным аппаратом от грозовых и коммутационных перенапряжений является нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН).

Отсутствие искровых промежутков и высокая нелинейность варисторов ОПН приводит к тому, что ОПН ограничивает все виды перенапряжений от которых разрядник отстроен высоким пробивным напряжением. Поэтому ОПН должен надежно работать как при рабочем напряжении, так и при различного вида повышений напряжений. Отсюда следует, что важнейшими характеристиками ОПН, которые обеспечивают его надежную работу в эксплуатации являются следующие:

  • наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, которое недолжно быть ниже наибольшего рабочего напряжения сети,

  • характеристика «напряжение-время», т.е. характеристика, нормирующая допустимые повышения напряжения и их длительность,

  • энергоемкость, т.е. нормируемая энергия, которую ОПН способен рассеить в любых эксплуатационных режимах без нарушения его термической устойчивости.

Как основной защитный аппарат, ОПН должен ограничить грозовые и коммутационные перенапряжения при нормируемых токах. Защитный уровень грозовых перенапряжений соответствует напряжению на ОПН при номинальном разрядном токе (напряжение на импульсе тока 8/20 мкс). Для ОПН класса 110-220 кВ амплитуда номинального разрядного тока составляет 10 кА, для 330-500 кВ амплитуда номинального разрядного тока составляет 20 кА.

Защитный уровень ОПН при коммутационном перенапряжении нормируется при токе 30/60 мкс с амплитудой 500 А для ОПН класса 110-220 кВ и 1000 А для ОПН классов 330-500 кВ. Защитный уровень при грозовых и коммутационных перенапряжениях должен быть на 15-20% ниже испытательных напряжений защищаемого оборудования.

В настоящее время на энергетическом рынке России имеется большой выбор ограничителей перенапряжений как отечественного, так и зарубежного производства. На один класс напряжения имеется несколько вариантов типов ограничителей с различными значениями наибольшего рабочего напряжения, защитными характеристиками, пропускной способностью и т.п. Это позволяет подобрать наиболее оптимальные параметры ограничителя в зависимости от схемы сети и ее параметров.

4.2. Место установки ОПН.

Защита электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений должна соответствовать рекомендациям гл.4.2. ПУЭ.

4.2.1. Места установки ОПН определяются функциональным назначением соответствующего ограничителя:

    • в цепи трансформатора, автотрансформатора или шунтирующего реактора – для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений при их включении или отключении;

    • на линии за линейным выключателем – для защиты электрооборудования, подключаемого к ВЛ за линейным выключателем, от коммутационных перенапряжений и набегающих с ВЛ на РУ волн грозовых перенапряжений.

4.3. Выбор основных параметров ОПН

К основным параметрам ОПН относятся:

  • наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (Uнр),

  • номинальное напряжение (Uн),

  • номинальный разрядный ток (Iн)

  • защитный уровень при грозовых и коммутационных перенапряжениях,

  • характеристика «напряжение-время», т.е. характеристика, нормирующая допустимые повышения напряжения и их длительность,

  • пропускная способность, энергоемкость, т.е. нормируемая энергия, которую ОПН способен рассеить в любых эксплуатационных режимах без нарушения его термической устойчивости.

4.3.1. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ОПН должно быть не ниже наибольшего рабочего фазного напряжения сети нормируемого ГОСТ 721.

Для повышения надежности работы ОПН Uнр ограничителя выбирают не менее, чем на 2-5% выше наибольшего уровня напряжения сети в точке установки ОПН.

При устойчивом существовании в нормальных режимах работы в месте установки ОПН высших гармоник Uнр выбирают на 10% выше наибольшего рабочего напряжения сети.

4.3.2. Номинальное напряжение ОПН принимают равным 1,25 Uнр.

4.3.3. Номинальный разрядный ток (Iн) в соответствии с рекомендациями МЭК 60099-5 сдует принимать 10 и 20 кА соответственно для классов напряжения 110-220 кВ и 330 кВ и выше.

4.3.4. Защитный уровень ОПН при грозовых и коммутационных перенапряжениях с учетом удаленности ОПН от защищаемого оборудования должен быть не менее чем на 15-20% ниже испытательных напряжений защищаемого электрооборудования.

4.3.5. Расчетная величина повышения напряжения в месте установки ОПН в нормальных и аварийных режимах с учетом работы релейной защиты и автоматики следует сопоставить с характеристикой «напряжение-время». Если расчетные повышения напряжения превышают нормированные для ОПН, то следует выбрать ОПН с более высоким значением наибольшего рабочего длительно допустимого напряжения.

Расчетными режимами для определения повышений напряжений являются следующие:

  • повышение напряжения в режиме одностороннего включения ВЛ.

  • повышение напряжения при одно- и двухфазных КЗ,

  • повышения напряжения при включении блока линия-трансформатор,

  • повышения напряжения при отключении системы шин с электромагнитными трансформаторами напряжения типа НКФ выключателями, имеющими шунтирующие емкости,

  • повышение напряжения при неполнофазных коммутациях,

  • повышения напряжения на отключенной в цикле ОАПВ фазе после погасания дуги подпитки.

4.4. Дополнительные требования к выбору параметров ОПН.

4.4.1. Требования к климатическим условиям эксплуатации. Ограничители наружной установки должны работать в районах с умеренным или (и) холодным климатом в условиях, предусмотренных для климатического исполнения У или (и) ХЛ с указанием категории размещения по ГОСТ 15150 и должны удовлетворять в части воздействия климатических факторов требованиям ГОСТ 15150 и ГОСТ 15543.1.

Ограничители должны быть предназначены для эксплуатации на высоте не более 1000 м над уровнем моря.

Ограничители должны допускать смену температур в диапазоне, указанном в ГОСТ 15150 для соответствующего исполнения аппарата, т.е. от -60оС до +45оС.

4.4.2. Изоляция ограничителей, изготовленная с применением органических (полимерных) материалов, должна быть трекинг-эрозионностойкой и стойкой к проникновению влаги.

Длина пути утечки внешней изоляции ограничителя должна обеспечивать работу в условиях соответствующих степени загрязнения II-IV — не ниже требований ГОСТ 9920.

4.4.3. Уровень частичных разрядов при напряжении 1,05Uнр должен быть не выше 10 пКл.

4.4.4. Ограничители наружной установки и опорного исполнения должны выдерживать механическую нагрузку от тяжения проводов в горизонтальном направлении (табл.4.4.1.) и ветровых и гололедно-ветровых нагрузок для следующих случаев:

  • при гололеде с толщиной стенки льда до 20 мм и ветра со скоростью 15 м/с

  • при ветре со скоростью 40 м/с и отсутствии гололеда.

Значения механических нагрузок от тяжения проводов в горизонтальном

направлении.

Таблица 4.4.1.

Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, кВ

Механическая нагрузка от тяжения проводов в горизонтальном направлении, Н, не менее

73-156

500

210-333

1000

455-475

1500

4.4.5. Ограничители должны быть взрывобезопасны. Изготовитель должен указать максимальное действующее значение установившегося большого и малого (800А) тока КЗ, который ограничитель должен выдерживать без опасного взрывного разрушения. Токи КЗ в месте установки ОПН должны быть не более нормированных токов предохранительного устройства для ОПН.

4.4.6. Ограничители с полимерной внешней изоляции должны быть пожаробезопасны.

4.5. Выбор параметров ОПН, устанавливаемого взамен вентильного

разрядника.

Ниже приведены рекомендации, которые позволяют выбрать основные параметры нелинейных ограничителей перенапряжений, устанавливаемых взамен вентильных разрядников на то же самое место, где ранее были установлены вентильные разрядники. В этом случае сохраняется расстояние между защищаемым объектом и защитным аппаратом, которое нормируется ПУЭ. Поскольку ограничитель имеет защитные характеристики ниже, чем вентильные разрядники, то такой подход обеспечивает более надежную защиту объекта.

4.5.1. Испытательное напряжение современного оборудования координируется с остающимся напряжением вентильного разрядника РВМГ при токе 5 кА. Поэтому, устанавливаемый вместо вентильного разрядника ОПН должен иметь остающееся напряжение при грозовом импульсе тока с амплитудой 5 кА не выше, чем у вентильного разрядника при том же токе.

4.5.2. Необходимо сопоставить возможные в эксплуатации повышения напряжения с допустимой для ограничителя такого напряжения.

В зависимости от места установки ограничителя и схемы подстанции возможны различные повышения напряжения как по величине, так и по длительности. Ограничители при замене вентильных разрядников могут быть установлены либо в ячейке трансформатора до коммутационного аппарата, либо на шинах ПС.

При установке ограничителя в ячейке трансформатора в нормальных, ремонтных или аварийных режимах возможны:

  • временные повышения напряжения (UВР) в случае коммутации блока линия трансформатор,

  • повышения напряжения на здоровых фазах при однофазном К.З. на землю.

Коммутация блока линия-трансформатор возможна при схеме ПС “мостик” или “четырехугольник”. При двойной системе шин с большим числом отходящих линий коммутация блока линия-трансформатор практически невозможна.

Если схема ПС допускает возможность коммутации блока линия- трансформатор, то необходимо провести расчеты по определению величины (UВР) и длительности (tВР) временных перенапряжений и сопоставить их с допустимыми для ограничителя величинами. Если при длительности временных перенапряжений tВР величина допустимого повышения напряжения Ut оказывается ниже величины расчетных временных перенапряжений, то следует выбрать ограничитель с более высоким наибольшим рабочим длительно допустимым напряжением (UН.Р) в UВР/Ut раз.

Повышение напряжения на здоровых фазах при однофазных К.З. и время ликвидации его релейной защитой также должно быть сопоставлено с характеристикой напряжение-время ОПН. Если время отключения К.З. релейной защитой превышает время, допустимое для ОПН для повышения напряжения на здоровых фазах в этом режиме, то необходимо выбрать ограничитель с большим значением UН.Р.

4.5.3. Если на ПС используются как вентильные разрядники, так и ОПН, то ОПН подвергаются большому числу токовых грозовых воздействий, чем вентильные разрядники, поскольку ОПН имеет более низкий защитный уровень, чем вентильный разрядник, и не имеет искрового промежутка. Однако ОПН имеют большой номинальный разрядный ток и пропускную способность, чем РВ

Неравномерность в распределении токов между разноименными защитными аппаратами на ПС определяется расстояниями защитного аппарата до ВЛ, по которой приходит грозовая волна, а также от расстояния между защитными аппаратами.

Неравномерность в распределении токов между защитными аппаратами 110-220 кВ проявляется при расстояниях по ошиновке менее 25 м, что ниже реальных и нормированных ПУЭ расстояний для РВ. Поэтому в РУ 110-500 кВ возможна защита от перенапряжений различными типами защитных аппаратов (РВ и ОПН) без снижения надежности работы, как самого защитного аппарата, так и защищаемого оборудования

4.6. Основные рекомендуемые параметры ОПН.

В табл.4.6.1 приведены основные параметры ОПН, на которые необходимо ориентироваться при замене вентильных разрядников на ОПН в РУ 110-750 кВ.

Таблица 4.6.1

Класс напряжения, кВ

110

220

330

500

750

Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, кВ

73, 78, 83, 88

100, 105,110

210, 220, 230

303,313, 323, 333

455,465475

Номинальный разрядный ток, кА

10

10

10, 20

20

20

Напряжение на импульсе тока 8/20 мкс с амплитудой 5 кА, кВ, не более

265

515

725

1070

Пропускная способность на прямоугольном импульсе тока длительностью 2000 мкс, А,

не менее

500

500

700

1200

1700

Защита от временных перенапряжений в электроустановках зданий — Энергетика и промышленность России — № 4 (32) апрель 2003 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 4 (32) апрель 2003 года

Временное перенапряжение в ГОСТ 13109 [1] определено, как «повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1 Uном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях». Оно характеризуется коэффициентом временного перенапряжения — отношением максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети и длительностью временного перенапряжения — интервалом времени между начальным моментом возникновения временного перенапряжения и моментом его исчезновения. В стандартах по электромагнитной совместимости технических средств и в некоторых публикациях вместо термина «временное перенапряжение» использован термин «выброс напряжения». Временное перенапряжение (выброс напряжения) необходимо отличать от импульсного напряжения (грозового и коммутационного), являющегося резким изменением напряжения, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд. В распределительных сетях электроустановок зданий защита от импульсных напряжений осуществляется, как правило, с помощью разрядников и ограничителей импульсных напряжений, а от временных перенапряжений — путем отключения питания защищаемой цепи.

Временные перенапряжения могут приводить как к пробою изоляции электрооборудования, так и к повреждению элементов электроприемников, подключенных к питающей сети. Особенно чувствительны к выбросам напряжения электронные элементы персональных компьютеров, телевизоров и других бытовых радиоэлектронных и электрических приборов. Временные перенапряжения, воздействующие только на изоляцию электроустановок, в данной работе не учитываются.

В ряде публикаций рассмотрены вопросы ограничения отклонений напряжения в точках присоединения потребителей путем регулирования напряжения распределительных трансформаторов или высоковольтных трансформаторов с регулированием под нагрузкой [2], но этот метод не может быть использован для ограничения временных перенапряжений небольшой продолжительности или при повреждениях в сети. В ПУЭ [3] рекомендуется «предусматривать защитное отключение потребителей при превышении напряжения выше допустимого, возникающего из-за несимметрии нагрузки при обрыве PEN проводника», однако величина допустимого временного перенапряжения не указана.

Электроприемники обладают определенной стойкостью к воздействию временных перенапряжений и допускают в течение некоторого времени работу при повышенном напряжении без повреждения элементов. В [4] для испытаний электротехнических, электронных и радиоэлектронных изделий и оборудования на воздействие выбросов напряжения предусмотрено четыре степени жесткости испытаний, которые характеризуются коэффициентом временного перенапряжения, равным 1,2, и отличаются длительностью перенапряжения от 0,2 с (1 степень) до 2 с (4 степень). Для электроприемников, предназначенных для применения в жилых и коммерческих зонах, а также в производственных зонах с малым энергопотреблением, установлена 1 степень жесткости испытаний [5], то есть испытание при повышенном напряжения электропитания на 20 % от номинального напряжения длительностью 0,2 с. В соответствии с этим электропотребители с номинальным напряжением 220 В должны в течение 0,2 с выдерживать воздействие напряжения 264 В. При превышении этого допустимого напряжения возможно осуществление защитного отключения, однако выполнять его следует с выдержкой времени для предотвращения нежелательных отключений при появлении импульсных напряжений или при временных перенапряжениях небольшой продолжительности. К сожалению, отсутствует достоверная информация о способности электроприемников выдерживать временные перенапряжения выше 264 В, поэтому допустимые значения времени отключения устройств защиты от временных перенапряжений могут быть выбраны с учетом процессов, происходящих в сети питания, и возможностей коммутационных аппаратов. В связи с этим необходимо произвести оценку возможных показателей временного перенапряжения.

В сетях 380/220 В с системами заземления TN-S или TN-C-S, разрешенными для питания электроприемников жилых, общественных, административных и бытовых зданий, возможен ряд аварийных режимов [6], приводящих к появлению временных перенапряжений. Большую опасность для электроприемников представляет обрыв нулевого (рабочего или совмещенного) проводника в трехфазных сетях, когда при значительной несимметрии фазных нагрузок уровень временных перенапряжений может достигать значений междуфазного напряжения (380 В), а длительность — нескольких часов [1]. В этом случае целесообразно производить быстрое отключение защищаемой цепи, однако выдержка времени отключения не должна быть меньше 0,01с для предотвращения нежелательных отключений при появлении грозовых или коммутационных импульсных напряжений.

Временные перенапряжения появляются и при однофазных коротких замыканиях в цепях «фаза-нуль» трехфазных сетей. В этом случае наибольшая величина временного перенапряжения может иметь величину 1,32 Uном при сечении нулевых рабочих проводников, равном сечению фазных проводников, или 1,45 Uном при сечении нулевых рабочих проводников, равном половине сечения фазных проводников. В электроустановках зданий могут быть использованы нулевые рабочие проводники с сечением до 50% сечения фазных проводников, поэтому расчетный коэффициент временного перенапряжения обычно принимают равным 1,45, то есть временные перенапряжения могут достигать 320 В при фазном напряжении 220 В.

Длительность временных перенапряжений при коротких замыканиях зависит от времени срабатывания устройств защиты от сверхтоков. В электроустановках зданий в цепях с номинальным током до 125 А для защиты от сверхтоков используют автоматические выключатели по ГОСТ Р50345-99, время срабатывания мгновенного расцепителя которых не должно превышать 0,1 с, а фактическое время отключения выключателей при токах короткого замыкания обычно составляет 0,01-0,02 с.

В соответствии с изложенным можно сформулировать следующие требования к устройствам защиты от превышения напряжения электроприемников квартир и электроустановок зданий аналогичного назначения:

1 напряжение срабатывания должно быть в диапазоне от 255 до 264 В. Это требование учитывает возможный разброс настройки устройства защиты от превышения напряжения и изменение настройки при старении элементов устройства в процессе эксплуатации;

2 время отключения при напряжении 264 В (1,2 Uном) не должно быть более 0,2 с. Это требование учитывает как нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выводах электроприемников, так и длительность допустимых временных перенапряжений, нормированных для электроприемников;

3 время неотключения (время выдержки) при напряжении 264 В должно быть не меньше 0,02 с. Это требование учитывает недопустимость отключений при появлении в сети временных перенапряжений при коротких замыканиях в трехфазной сети, отключаемых устройствами защиты от сверхтоков за время не более 0,02 с;

4 время неотключения при напряжении 380 В (1,73 Uном) должно быть не меньше 0,01 с. Это требование учитывает возможность появления в сети импульсных напряжений, на которые устройства защиты от превышения напряжения не должны реагировать;

5 время отключения при напряжении 380 В должно быть минимально возможным с учетом п.4;

6 время отключения при напряжении 320 В (1,45 Uном) должно быть не более 0,1 с, а время выдержки не должно быть меньше 0, 02 с. Это требование учитывает возможность появления при коротких замыканиях в трехфазной сети временных перенапряжений небольшой продолжительности, на которые устройства защиты от превышения напряжения не должны реагировать. Однако если устройства защиты от сверхтоков будут производить отключение за время большее 0,02 с (до 0,1 с, а в некоторых случаях даже до 5 с), то возможны нежелательные отключения защищаемой цепи. Эти отключения будут относительно редким явлением, так как короткие замыкания в трехфазной сети происходят нечасто (особенно при питании кабельными линиями), при этом не каждое короткое замыкание сопровождается повышением напряжения до 320 В (не будет выброса напряжения в фазе, в которой произошло короткое замыкание; временные перенапряжения могут быть значительно меньше 320 В, если защищаемая цепь находится ближе к источнику питания, чем место короткого замыкания).

В таблице 1 приведены рекомендуемые времена отключения и неотключения для устройств защиты от превышения напряжения в зависимости от величины коэффициента временного перенапряжения.

Таблица 1

Коэффициент
временного
перенапряжения Время, с
неотключения
(минимальное) отключения
(максимальное)
1,2 0,02 0,2
1,45 0,02 0,1
1,73 0,01 0,04

Для сопоставления в таблице 2 приведены значения времени отключения и времени неотключения, определенные по кривым, представленным на рисунке 1 ГОСТ Р 51321.1 [7].

Таблица 2

Коэффициент
временного
перенапряжения Время, с
неотключения
(минимальное) отключения
(максимальное)
1,2 0,01 0,2
1,45 0,004 0,04
1,73 0,002 0,02

Значения времени отключения по ГОСТ Р 51321.1 близки к значениям, приведенным в таблице 1, но при больших коэффициентах временного перенапряжения значения времени неотключения по ГОСТ Р 51321.1 значительно меньше рекомендуемых. Это может быть объяснено стремлением обеспечить сохранность электрооборудования при временных перенапряжениях, несмотря на возможность нежелательных отключений.

В качестве устройств защиты от временных перенапряжений целесообразно использовать устройства защитного отключения с дополнительной функцией защиты от превышения напряжения. Такие многофункциональные устройства защитного отключения типа УЗО-ВАД 2 «Энергомера», выпускаемые концерном «Энергомера», могут быть установлены или на вводе в квартиру (при этом будет защищена вся электроустановка) или в цепи розеток, к которым подключается переносное оборудование, в наибольшей степени чувствительное к повышению напряжения.

Более подробно с номенклатурой выпускаемых изделий ОАО «Концерна Энергомера» можно ознакомиться на нашем сайте: .

ГОСТ 27863-88 Устройства защиты от коммутационных перенапряжений подземных электрических сетей угольных шахт

Текст ГОСТ 27863-88 Устройства защиты от коммутационных перенапряжений подземных электрических сетей угольных шахт

Группа Е76

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

УСТРОЙСТВА защиты от коммутационных

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Switching surges protection devices of coal mines underground electrical networks

ГОСТ

27863-88

МКС 29.260.20 ОКП 31 4873

Дата введения 01.07.89

Настоящий стандарт распространяется на устройства защиты от коммутационных перенапряжений подземных электрических трехфазных сетей напряжением 0,4—10,0 кВ частотой 50 Гц (далее — устройства защиты), применяемые в угольных шахтах всех категорий по газу и пыли, и устанавливает технические требования, правила приемки, методы испытаний и маркировку.

Стандарт не распространяется на устройства защиты от атмосферных перенапряжений.

Термины, применяемые в стандарте, и пояснения к ним приведены в приложении.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1Л. Общие требования

1.1.1. Устройства защиты должны ограничивать коммутационные перенапряжения до уровней, обеспечивающих надежную и безопасную эксплуатацию шахтных электрических сетей с установленным в них оборудованием.

1.1.2. Допустимые кратности ограничения коммутационных перенапряжений устройств защиты независимо от типа применяемого коммутационного аппарата должны соответствовать указанным в табл. 1.

Таблица 1

Тип оборудования

Допустимые кратности при напряжении, кВ

0,38

0,50; 0,66

1,00; 1,14

6,00

10,00

Коммутационнные аппараты

7,3

5,2

4,0

4,8

4,4

Силовые трансформаторы

6,2

5,0

4,0

3,3

Электродвигатели

5,5

4,2

3,5

3,0

2,8

1.1.3. Устройства защиты не должны вызывать ложных срабатываний защиты от замыканий (утечек) на землю и влиять на выбор установок блокировочных реле утечки.

1.1.4. Активные составляющие токов проводимости одной фазы защиты при наибольшем рабочем напряжении не должны превышать 0,2 и 0,6 мА (эффективные значения) соответственно для элементов устройств защиты на нелинейных резисторах и емкостях.

1.1.5. Устройства защиты должны выдерживать 20 импульсов тока 8/20 мкс (длительность фронта и хвоста волны соответственно) с амплитудой не менее чем в два раза превышающей максимальный рабочий ток.

1.1.6. Устройства защиты должны выдерживать без повреждений режим металлического однофазного замыкания на землю в течение не менее 2 ч с момента его возникновения.

1.1.7. Устройства защиты должны быть работоспособными в условиях окружающей среды по ГОСТ 24754.

1.1.8. Устройства защиты не должны иметь нормально искрящих элементов. При наличии же искровых промежутков они должны располагаться в корпусах, не допускающих образования влаги.

При установке устройства защиты во взрывоопасной среде оно должно располагаться во взрыво-безопасной оболочке.

1.2. Требования к изоляции

1.2.1. Изоляция устройств защиты должна соответствовать требованиям, предъявляемым к изоляционным материалам по ГОСТ 24754.

1.2.2. Пути утечки и электрические зазоры устройств защиты должны соответствовать требованиям ГОСТ 24754.

1.3. Требования к токовым цепям

Контактные и присоединительные элементы устройств защиты должны быть выполнены из меди, латуни, бронзы.

1.4. Требования безопасности

1.4.1. Конструкцией устройств защиты должна быть исключена возможность случайного прикасания к частям, находящимся под напряжением.

1.4.2. Электробезопасность устройства защиты при эксплуатации обеспечивают надежным ее заземлением, выполнением зажимов из проводящих материалов (медь, латунь).

2. ПРАВИЛА ПРИЕМКИ

2.1. Устройства защиты новых конструкций перед началом их производства подвергают типовым испытаниям. Испытания проводят на одном комплекте устройства защиты.

В случае конструктивного изменения, замены материала или технологического процесса типовые испытания проводят по пунктам требований настоящего стандарта, к которым относятся указанные изменения.

2.2. Приемосдаточным испытаниям подвергают все выпускаемые устройства защиты.

2.3. Испытания проводят в объеме, указанном в табл. 2.

Таблица 2

Вид проверок и испытаний

Пункты настоящего стандарта

Необходимость проведения испытаний

технических

требований

методов

испытаний

приемо

сдаточных

типовых

1. Внешний осмотр

1.1.8, 1.2.1, 1.2.2, 1.3.4

3.1

+

+

2. Проверка на соответствие технической документации

1.1.8, 1.2.1, 1.2.2, 1.3.4

3.2

+

+

3. Проверка токов проводимости при наибольшем рабочем напряжении

1.1.4

3.3

+

+

4. Испытание на соответствие защитному уровню и отсутствие ложных срабатываний защиты от замыкания на землю

1.1.2, 1.1.3

3.4

+

5. Испытание на пропускную способность

1.1.5

3.5

+

6. Испытание на термостойкость

1.1.7

3.6

+

7. Низкотемпературные испытания

1.1.7

3.7

+

8. Испытание на возникновение внутреннего конденсата

1.1.7

3.8

+

9. Испытание на воздействие линейного напряжения

1.1.6

3.9

+

3. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИИ

3.1. Внешний осмотр осуществляют визуально.

3.2. Соответствие образца защиты требованиям технической документации устанавливают проверкой наличия всех сборочных единиц и деталей, креплений, контролем правильности монтажа электрических соединений и маркировки.

Установочные и габаритные размеры устройств защиты проверяют измерительным инструментом соответствующего класса точности.

3.3. Проверку токов проводимости осуществляют подачей на устройство защиты наибольшего фазного напряжения промышленной частоты, составляющего 1,15 Щ. Для измерения этих токов используют приборы постоянного тока класса точности не более 1,0, подключаемые через двухполупери-одный выпрямитель.

Результат испытаний считают положительным, если токи проводимости не превышают указанных в и. 1.1.4.

3.4. Испытание на соответствие устройства защиты допустимому защитному уровню и отсутствие ложных срабатываний защит от замыканий на землю при нормируемом времени осуществляют выполнением не менее чем 60 трехфазных коммутаций (включений и отключений) по приведенной схеме (см. чертеж). Выбор точек подключения испытуемых устройств защиты осуществляют в соответствии с местом их установки.

Схема коммутации высокого напряжения Схема коммутации низкого напряжения

1, 2, 3 — возможные точки подключения устройств защиты; КТП — комплектная трансформаторная подстанция;

КА — коммутационный аппарат; АД — асинхронный двигатель; ЭО — электронный осциллограф

При испытании устройств защиты высоковольтной сети (свыше 1200 В) нагрузкой должна быть комплектная трансформаторная подстанция (КТП) мощностью 400—630 кВ • А, подключаемая к коммутационному аппарату (КА) кабелем длиной 20 м.

Примечание. Мощность уточняют по мере разработки КТП более высоких мощностей.

При испытании устройств защиты низковольтной сети (до 1200 В) нагрузкой должен быть заторможенный асинхронный двигатель (АД) суммарной мощностью 0,1—0,3 мощности КТП, подключаемый к КА кабелем длиной 300 м или емкости соответствующих значений.

Регистрацию перенапряжений осуществляют осциллографированием или амплитудными вольтметрами при помощи активноемкостных делителей напряжения, подключаемых между фазой и землей. Емкость и сопротивление делителя должны составлять 50—1000 пФ и 3—6 МОм на фазу. Согласование делителя с измерительным кабелем проводят активным сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля.

Экран измерительного кабеля заземляют с одной стороны у делителя напряжения. Измерительный тракт калибруют импульсами напряжения прямоугольной формы частотой 1000 Гц, длительностью не более 2 мкс и синусоидальной формы частотой 100 кГц. Нестабильность коэффициента деления делителя не должна превышать 5 %, фазовая погрешность — 5°.

При испытаниях обеспечивают регистрацию напряжений во всех фазах.

Результат испытаний считают положительным, если амплитуда перенапряжений не превышает допустимый по и. 1.1.2 уровень и отсутствуют ложные срабатывания защиты от замыканий на землю.

3.5. Испытание на пропускную способность проводят путем подачи на каждую из фаз испытуемого устройства защиты импульсов тока в соответствии с п. 1.1.5. Интервал между подачей импульсов должен составлять не менее 5 мин.

ЛТ/7

3 7

3-2-2237

Результат испытания считают положительным, если токи проводимости, измеренные до и после испытания, отличаются не более чем на ±10 %.

3.6. Испытание на воздействие повышенной температуры проводят при температуре 60 °С при воздействии на образец фазного напряжения. Время выдержки — 4 ч.

3.7. Испытания на воздействие пониженной температуры проводят при температуре минус 5 °С. Время выдержки — 8 ч.

3.8. Испытание на невозникновение внутреннего конденсата проводят в камере влажности при температуре 35 °С и относительной влажности (98±2) %. Время выдержки — 8 ч.

3.9. Испытание на воздействие линейного напряжения проводят в камере тепла при температуре 60 °С и подаче на устройство защиты линейного напряжения, равного 1,15 t/H0M. Время воздействия — 2 ч.

3.10. Результаты испытаний по пп. 3.6—3.9 считают положительными, если токи, проходящие через объекты испытаний, измеренные до и после испытаний, отличаются не более чем на ±5 %.

4. МАРКИРОВКА

4.1. Маркировка должна содержать:

— товарный знак изготовителя;

— дату выпуска;

— порядковый номер по системе нумерации;

— наименование устройства защиты и тип;

— номинальное напряжение в киловольтах;

— обозначение настоящего стандарта.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Справочное

ПОЯСНЕНИЯ ТЕРМИНОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В НАСТОЯЩЕМ СТАНДАРТЕ

Термин

Пояснение

Устройство зашиты от коммутационных перенапряжений

Коммутационные перенапряжения Максимальный рабочий ток

Устройство, предназначенное для ограничения перенапряжений до допустимого уровня По СТ СЭВ 2725

Ток, протекающий через устройство защиты при воздействии на нее перенапряжений предельного уровня

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. ВНЕСЕН Министерством угольной промышленности СССР

2. Постановлением Государственного комитета СССР нестандартам от26.10.88№ 3524стандарт Совета Экономической Взаимопомощи СТ СЭВ 6041—87 «Устройства защиты от коммутационных перенапряжений подземных электрических сетей угольных шахт» введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта СССР с 01.07.89

3. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

Обозначение НТД, на который дана ссылка

Номер пункта, приложения

ГОСТ 24754-81

1.1.7, 1.2.1, 1.2.2

СТ СЭВ 2725-80

Приложение

5. Ограничение срока действия снято по протоколу № 3—93 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 5-6—93)

6. ПЕРЕИЗДАНИЕ

3 9

3-2*

6. Защита электрооборудования от внутренних перенапряжений. / Характеристики ограничителей перенапряжений 0,22÷220 кВ для защиты электрооборудования, необходимого для добычи и транспортировки нефти. / Статьи / ЗАО «ПОЛИМЕР-АППАРАТ» производитель ограничителей перенапряжения (ОПНп) от 0,4 до 750 кВ, ОПН, ОПНп, грозозащита.

К сетям средних классов напряжения обычно относятся сети от 3 до 35 кВ. Здесь с методической точки зрения удобно рассмотреть вопросы внутренних перенапряжений, возникающих в сетях 0,4 кВ станков — качалок и 0,5 -3 кВ погружных электродвигателей.

 

Проблема перенапряжений в цепях трансформатора 6/0,4 (станка — качалки) или 6/Ураб (погружные электродвигатели) — коммутационный аппарат — кабель — электродвигатель весьма условно делится на две проблемы: в цепях стороны 6 кВ питающих трансформатор 6/0,4 и б/Uраб, в цепях электродвигателей станков — качалок (0,4 кВ) и погружных электроцентробежных насосов (500 — 3000 В). На изоляцию любого электрооборудования в эксплуатации могут воздействовать перенапряжения трех видов, имеющих различную физическую природу: дуговые, коммутационные и феррорезонансные. Однако для системы электроснабжения электродвигателей станков — качалок со стороны 0,4 кВ наиболее актуальными являются коммутационные перенапряжения. Они возникают при различных оперативных и аварийных коммутациях отключения и включения цепи 0,4 кВ системы ‘кабель — электродвигатель’ станка — качалки с помощью контактора (автомата, пускателя).

 

Рис.11. Схема измерений коммутационных перенапряжений в сети 0,4 кВ эелектродвигателей станков — качалок.

 

Схема измерений перенапряжений, возникающих между фазами и землей электродвигателей станков — качалок, и токов через основные защитные аппараты (FV) приведена на рисунке 11. В этой схеме:

Т — трансформатор связи 6/0,4 кВ;

 

К — питающий кабель;

 

М — электродвигатель станка — качалки;

 

АД- активный делитель напряжения с высоковольтным R1 и низковольтным R2 плечами;

 

Q — коммутационный аппарат;

 

Р — трехфазный разъединитель, отключающий или включающий ограничители перенапряжений;

 

Rш- шунт для измерения токов через ОПН;

 

ИА — измерительная аппаратура (многоканальный осциллограф с цифровым воспроизведением формы изучаемых явлений или светолучевой осциллограф с записью явлений на фотобумаге ультрафиолетовой реакции).

 

При измерениях междуфазных перенапряжений измерительная аппаратура включалась между фазами и имела дифференциальные выходы. При записи явлений, независимо от места их возникновения за единицу напряжения принималось 60 В.

Кратности перенапряжений ‘фаза — земля’ и фаза ‘фаза — фаза’ определялись по формулам:

 

где:

 

Umax — соответствующая максимальная амплитуда перенапряжений;

 

Uнф и Uн — фазное и номинальное напряжения при измерениях соответственно.

 

Измерения проводились на зажимах шести электродвигателей мощностью от 9 до 23 кВ. Результаты исследований приведены на рисунках 12 и 13.

Сопоставляя кратности Кt из рисунка 13 с уровнем изоляции электродвигателей 0,4 кВ (~2 кВ, если к сети не подключено электронное оборудование, и ~ 1 кВ, если последнее подключено к сети), можно сделать вывод о том, что упомянутые выше перенапряжения должны быть принудительно ограничены.

 

По данным мировой литературы, в схемах электроснабжения погружных электродвигателей (ПЭД) могут иметь место коммутационные перенапряжения с кратностью 6-7, которые представляют опасность для изоляции.

 

В цепях трансформатор связи 6/Uраб  — кабель — ПЭД дуговые и феррорезонансные перенапряжения не имеют существенного значения, так как:

1. существует защита от замыкания на землю, которая срабатывает при снижении изоляции фаз относительно земли и не допускает длительного повышения напряжения до линейного;

 

2. индуктивность статорной обмотки ПЭД и емкость питающего кабеля не представляют собой феррорезонансный колебательный контур, и поэтому нет актуальности их ограничения.

 

Рис.12. Распределение кратностей перенапряжений Кф-о (1)и Кф-ф (2) при коммутации станков — качалок.

 

Рис.13. Зависимость Кt=f(t) для неограниченных перенапряжений между фазами и землей (1) и (2) при коммутациях электродвигателей станков-качалок.

 

Поэтому для изоляции ПЭД важное значение имеют коммутационные перенапряжения. Результаты исследований приведены на рисунке 14, из которого видно, что большинство коммутаций погружных электродвигателей приводит к перенапряжениям, амплитуда которых значительно превосходит амплитуду испытательного напряжения. Поэтому для принудительного ограничения  перенапряжений,  практически вызванных  вакуумными контакторами, необходимо разработать и изготовить специальные нелинейные ограничители перенапряжений.

Внутренние перенапряжения в сетях средних классов напряжения (особенно в сетях 6 и 10 кВ) имеют характеристики, в значительной степени отличающиеся в зависимости от потребителя. С этой точки зрения сети 6 — 35 кВ условно подразделяются на:

 

— сети 6 кВ буровых становок;

 

— сети 6 и 10 кВ компрессорных и насосных станций;

 

— общие сети 6-35 кВ нефтедобычи.

 

В сети 6 кВ буровых установок в эксплуатации могут иметь место дуговые, коммутационные и в ряде случаев феррорезонансные перенапряжения.

Результаты исследования приведены на рисунке 15 и 16, где 1 и 2, соответственно, — отключение и включение двухфазной системы силовой трансформатор — кабель;

 

3 и 4, соответственно, — отключение и включение однофазной системы силовой трансформатор — кабель;

5 — отключение и включение в трехфазном режиме при замыкании одной фазы на землю со стороны питания.

На рисунках 7 и 18 приведены характеристики перенапряжений в сетях 6-35 кВ, где 1 — включения трансформаторов без кабеля, 2 — отключения трансформаторов без кабеля, 3 — включения трансформаторов с кабелем, 4 — отключения трансформаторов с кабелем, 5 — отключения воздушных линий, 6 — включения воздушных линий, 8 — включение кабельных линий. Как видно из этого рисунка, коммутации включения трансформаторов, включения и отключения трансформаторов с кабелем, а также включения воздушных и кабельных линий вызывают умеренные перенапряжения. Максимальная кратность этих перенапряжений на 30 — 40 % превосходит кратность линейного перенапряжения УЗ . В этих сетях наибольшие перенапряжения возникают при отключении линий выключателями, допускающими опасные поворотные зажигания дуги, и ненагруженных трансформаторов без кабелей (с кабелями небольшой длины).

Аналогичные данные для объектов 110 — 220 кВ отрасли приведены на рисунках 19 и 20, где 1. группа А — подстанции с числом отходящих линий от 2 до 4, работающие в сетях без специальных средств для ограничения внутренних перенапряжений и оснащенные выключателями, дающими повторные пробои дуги при отключении ненагруженных линий;

2. группа Б — подстанции с числом отходящих линий от 2 до 4, работающие в сетях без специальных средств для ограничения перенапряжений и оснащенные выключателями, практически исключающими повторные зажигания дуги при отключении ненагруженных линий;

 

3. группа В — подстанции с числом отходящих линий не более четырех.

 

Таким образом, и объекты 110 — 220 кВ предприятий нефти и газа требуют защиты от внутренних перенапряжений. Для этого наилучшим средством является ограничитель перенапряжений.

 

Рис.14. Зависимость Kt=f(t) для перенапряжений при коммутациях ПЭД без средств защиты.

 

Рис.15. Зависимость Kt=f(t) для дуговых перенапряжений в сети 6 кВ буровой установки.

 

Рис.16. Зависимость Kt=f(t) для феррорезонансных перенапряжений в цепи трансформатора собственных нужд буровой установки.

 

Рис.17. Зависимость Kt=f(t) для перенапряжений при коммутациях электродвигателей 6 и 10 кВ.

 

Рис.18. Зависимость Kt=f(t) для коммутационных перенапряжений в сетях 6-35 кВ.

 

Рис.19. Зависимость Kt=f(t) для подстанций 110-220 кВ.

 

Рис.20. Зависимость Kt=f(t) для коммутаций отключений (О) и включений (В) силовых трансформаторов.

 

Защита от перенапряжения из-за молнии и коммутации — Электротехника 123

Что такое перенапряжение: внезапное кратковременное повышение напряжения в энергосистеме известно как перенапряжение или скачок напряжения. Перенапряжение всегда носит временный характер и существует непродолжительное время, но может вызвать повреждение энергосистемы из-за скачков напряжения. Существует множество причин возникновения состояния перенапряжения, некоторые из них являются внутренними по отношению к самой энергосистеме, а молния является одной из основных внешних причин перенапряжения.Внутренние причины могут включать в себя коммутационные скачки, нарушение изоляции, искрение заземления, резонанс и т. Д.

Всегда существует вероятность повреждения системы электроснабжения от аномальных перенапряжений. Эти аномальные перенапряжения могут быть вызваны различными причинами, такими как внезапное прерывание большой нагрузки, импульсы молнии, импульсы переключения и т. Д. Эти перенапряжения могут повредить изоляцию различного оборудования и изоляторы энергосистемы. Хотя все перенапряжения недостаточно сильны, чтобы повредить изоляцию системы, тем не менее, этих перенапряжений также следует избегать, чтобы обеспечить бесперебойную работу системы электроснабжения.

Перенапряжение или скачок напряжения

Перенапряжения, прикладываемые к энергосистеме, обычно носят временный характер. Переходное напряжение или скачок напряжения определяется как резкое увеличение напряжения до высокого пика за очень короткое время. Скачки напряжения носят временный характер, что означает, что они существуют в течение очень короткого времени. Основная причина этих скачков напряжения в энергосистеме связана с грозовыми импульсами и импульсами переключения системы. Но перенапряжение в энергосистеме также может быть вызвано нарушением изоляции, замыканием на землю, резонансом и т. Д.

Скачки напряжения, возникающие в системе электроснабжения из-за коммутационного перенапряжения, нарушения изоляции, искрения заземления и резонанса, не очень велики по величине. Эти перенапряжения едва ли вдвое превышают нормальный уровень напряжения. Как правило, надлежащая изоляция различного оборудования энергосистемы достаточна для предотвращения любого повреждения из-за этих перенапряжений. Но перенапряжения, возникающие в энергосистеме из-за молнии, очень высоки. Если в энергосистеме не предусмотрена защита от перенапряжения, высока вероятность серьезного повреждения.Следовательно, все устройства защиты от перенапряжения, используемые в энергосистемах, в основном из-за грозовых скачков.

Различные причины перенапряжения

Коммутационный импульс или коммутационный скачок: Когда линия передачи без нагрузки внезапно включается, напряжение на линии становится вдвое выше нормального напряжения системы. Это напряжение носит переходный характер. Когда нагруженная линия внезапно отключается или прерывается, напряжение на линии также становится достаточно высоким, прерывание тока в системе в основном во время операции размыкания воздушного выключателя вызывает перенапряжение в системе.

Нарушение изоляции: Во время нарушения изоляции провод под напряжением внезапно заземляется. Это также может вызвать внезапное перенапряжение в системе. Если волна ЭДС, создаваемая генератором переменного тока, искажена, проблема резонанса может возникнуть из-за 5-й или более высокой гармоники. Фактически для частот 5-й и более высоких гармоник в системе возникает критическая ситуация, когда индуктивное реактивное сопротивление системы становится как раз равным емкостному реактивному сопротивлению системы. Поскольку оба этих реактивных сопротивления компенсируют друг друга, система становится чисто резистивной.Это явление называется резонансом, и при резонансе напряжение в системе может быть достаточно увеличено.

Вышеупомянутые причины создают в системе не очень высокие напряжения в системе. Но перенапряжения скачков напряжения, которые возникают в системе из-за грозовых импульсов, очень велики по амплитуде и очень разрушительны. Следовательно, следует избегать воздействия грозового импульса для защиты энергосистемы от перенапряжения.

Мощность удара молнии может достигать 100 миллионов вольт электричества и тока около 100 000 ампер, поэтому важность и использование грозового разрядника очень важны для защиты дорогостоящих распределительных структур.

Методы защиты от молнии

Это в основном три основных метода, обычно используемых для защиты от молнии. Это экран заземления, воздушный провод заземления и грозозащитный разрядник или делители перенапряжения. Ниже они обсуждаются один за другим.

Экран заземления: Экран заземления обычно используется на электрических подстанциях. В этом случае над подстанцией монтируется сетка из проводов GI. Провода GI, используемые для заземляющего экрана, должным образом заземлены через различные конструкции подстанции.Эта сеть заземленных проводов заземления над электрической подстанцией обеспечивает путь к земле с очень низким сопротивлением для ударов молнии. Этот способ защиты от повышенного напряжения очень прост и экономичен, но его главный недостаток заключается в том, что он не может защитить систему от бегущей волны, которая может достигать подстанции через разные фидеры.

Воздушный провод заземления: Этот метод защиты от перенапряжения аналогичен заземляющему экрану. Единственное отличие состоит в том, что заземляющий экран размещается над электрической подстанцией, тогда как воздушный провод заземления размещается над сетью электропередачи.Один или два многожильных провода GI подходящего сечения помещаются поверх проводников передачи. Эти провода GI должным образом заземлены на каждой опоре передачи. Эти воздушные провода заземления или заземляющий провод отводят все удары молнии к земле, вместо того, чтобы позволять им поражать непосредственно проводники передачи.

Защита от перенапряжения грозозащитным разрядником

Два ранее обсуждавшихся метода, т.е. заземляющий экран и провод заземления над головой, очень подходят для защиты системы электроснабжения от направленных ударов молнии, но системы от направленных ударов молнии, но эти методы могут не обеспечивать никакой защиты от бегущей волны высокого напряжения, которая может распространяться по линии к оборудованию подстанции.

Грозозащитный разрядник — это устройство, которое обеспечивает путь к земле с очень низким импедансом для бегущих волн высокого напряжения. Концепция грозозащитного разрядника очень проста. Это устройство ведет себя как нелинейное электрическое сопротивление. Сопротивление уменьшается по мере увеличения напряжения и наоборот, после определенного уровня напряжения.

Функции грозозащитного разрядника

Функции грозозащитного разрядника или ограничителя перенапряжения могут быть перечислены ниже.

  • При нормальном уровне напряжения эти устройства легко выдерживают напряжение системы как электрический изолятор и не обеспечивают токопроводящей дорожки для системного тока.
  • При возникновении скачка напряжения в системе эти устройства обеспечивают путь с очень низким импедансом для избыточного заряда скачка напряжения на землю.
  • После проведения скачка заряда на землю напряжение становится нормальным. Тогда молниеотвод должным образом восстанавливает свою изоляцию и предотвращает восстановление своих изоляционных свойств и предотвращает дальнейшее прохождение тока к земле.

В энергосистеме используются молниеотводы различных типов, такие как разрядник со стержневым зазором, роговой разрядник, многощелевой разрядник, тип выталкивания LA, тип значения LA.В дополнение к этому наиболее часто используемым молниеотводом для защиты от перенапряжения является беззазорный молниеотвод из ZnO .

Коммутационный импульс — обзор

Коммутационный импульс в индуктивной цепи

Когда на катушку индуктивности L , состоящую из числа витков Z , подается напряжение посредством напряжения e , магнитный поток ϕ, связывающий индуктивная цепь будет претерпевать быстрое изменение от одного пика (+ ve) к другому (-ve) в пределах половины цикла волны напряжения (Рисунок 1.3), т.е.

(17,4) e = −Z (dϕ / dt = −L (di / dt)

Знак минус указывает направление ЭДС, которая препятствует изменению потока и, следовательно, тока.

Ссылаясь на нормальную кривую намагничивания индуктивного сердечника, можно заметить, что нормальный пиковый поток возникает около точки насыщения (рисунок 17.12). В момент переключения поток может достигать 2ϕ м (рисунок 1.3). и вызвать чрезмерное насыщение магнитопровода, в результате чего индуцированная эл.м.ф. повышаются непропорционально. Отсюда явление коммутационных скачков. Если сердечник уже имеет некоторый остаточный поток в его магнитной цепи, в момент переключения импульсное напряжение достигнет еще более высоких значений и еще больше усилит импульсные перенапряжения.

Рисунок 17.12. Нормальная характеристика намагничивания катушки индуктивности

Чрезмерное насыщение магнитопровода снижает значение L и непропорционально увеличивает ток намагничивания, скажем, до десяти раз по сравнению с нормальным значением или даже больше, как обсуждалось в разделе 1.2.

Для анализа коммутационных перенапряжений мы можем рассмотреть следующие две возможности:

Скачки, генерируемые при включении или замыкании контактов, и

Скачки, генерируемые при выключении или замыкании контактов. контакт-прерывание.

(ii) Скачки, генерируемые во время операции «ВКЛ»

Полевые данные, собранные из различных источников, выявили отказ обмоток двигателя даже во время процесса подачи питания.Было показано, что двигатель может подвергаться перенапряжению 3–5 о.е. с временем фронта « t 1 » всего 1 мкс или даже меньше (что означает крутизну TRV) во время включения. Явление коммутационного перенапряжения, таким образом, составляет всего несколько микросекунд и является результатом повторного пробоя переходного восстанавливающегося напряжения (TRV) только во время его первых нескольких циклов при очень высокой переходной частоте в диапазоне 5–100 кГц. .

Чтобы объяснить это, представьте, что на двигателе замыкается выключатель.Подвижные контакты будут приближаться к неподвижным контактам переключающего устройства, и, прежде чем они замкнутся, возникнет стадия, когда диэлектрическая прочность постепенно уменьшающегося зазора между замыкающими контактами больше не сможет выдерживать напряжение системы и пробой, вызывая дугу. между замыкающими контактами. В этом случае напряжение на зазоре и, следовательно, на клеммах двигателя может возрасти следующим образом:

К первому предварительному зажиганию дугового промежутка TRV может достигнуть 1 p.u., когда предполагается, что двигатель остановлен без какой-либо э.д.с. перед замыканием контактов.

При этом TRV 1 о.е. достигает клемм двигателя, он будет отражать скачок и почти вдвое, подвергая обмотки двигателя напряжению почти 2 о.е. (более подходяще 1,5–1,8 о.е.), как измерено во время реальных испытаний (см. Pretorius and Eriksson, 1982). Оно меньше 2 из-за импеданса цепи и обеспечивает эффект демпфирования (раздел 18.5.1), а также другие эффекты, такие как более одного соединения соединительных кабелей от коммутирующего устройства до клемм двигателя, что также будет гасить квант отраженной волны.

Сделать одновременно все три полюса переключающего устройства во время последовательности включения довольно непрактично, какая бы точность механизма включения переключающего устройства ни была достигнута. Это происходит из-за возможных отклонений, даже незначительных, в трех перемещениях контакта или фактическом замыкании контакта.Обычно сначала образует один полюс устройства, а затем — два других полюса. Между первым и вторым контактами может быть промежуток в несколько миллисекунд. Этот аспект очень важен при анализе условий помпажа во время включения.

Замыкание одного полюса вызывает колебания в соответствующей фазе обмотки двигателя, что приводит к колебаниям в двух других фазах, которые все еще открыты. Было замечено, что если первый полюс имеет предварительное зажигание при максимальном напряжении, т.е.е. за 1 ед. На замыкающих контактах пиковое напряжение на двух других полюсах может достигать значения

0,5 о.е. + (1,5–1,8 о.е.)

или до 2,0–2,3 о.е. (См. Cormick and Thompson, 1982)

При таком напряжении, когда эти два полюса срабатывают до разряда, они вызывают скачок напряжения на клеммах двигателя

в 1,5–1,8 раза больше 2,0–2,3 о.е. 1,5 × 2 о.е. или 3 ед. до 1,8 × 2,3 о.е. или 4,14 о.е.

Вышесказанное будет верным, если предполагается, что двигатель остановлен.Если бы двигатель работал почти на полной скорости, это напряжение приняло бы еще более высокие пропорции, скажем, до 5 о.е. из-за собственной ЭДС двигателя, которая может выпадать по фазе вместе с напряжением системы. Такая ситуация может возникнуть во время быстрого переключения шины, когда работающий двигатель переключается с одного источника на другой, или во время периода повторного ускорения после кратковременного сбоя питания. Но поскольку на амплитуду и скорость нарастания восстанавливающегося напряжения (rrrv) при включении влияет импульсное сопротивление замыкающей цепи, которое формируется импульсным сопротивлением двигателя и соединительных кабелей, время нарастания составляет t 1 (рисунок 17.6), а амплитуда импульсного напряжения В t будет расти с увеличением длины кабеля между коммутирующим устройством и выводами двигателя (раздел 18.6.2). Такие переходные напряжения будут существовать в системе только до замыкания контакта и, следовательно, имеют чрезвычайно короткую продолжительность (в мкс).

Такие предварительные срабатывания перед замыканием контакта являются естественным явлением и могут возникать во всех типах коммутационных устройств, таких как OCB, MOCB, ABCB, SF 6 или вакуумные прерыватели.Но сила предварительных ударов и величина переходных напряжений будут зависеть от среды гашения, которая будет определять зазор между контактами до того, как произойдет предварительный удар (рисунок 19.1), и от скорости его замыкания.

Рассмотрим вакуумный прерыватель с диэлектрической прочностью 50 кВ при контактном зазоре примерно 1,2 мм (рисунок 19.1). Если предположить, что диэлектрические свойства в этой области почти линейны, контактный зазор, например, при переключении двигателя 6,0 кВ, выйдет из строя, когда контакты будут иметь размер:

6 × 1.250 или 0,144 мм друг от друга

Принимая во внимание скорость подвижного контакта, равную 0,6 м / с (типичная), то продолжительность предварительных ударов до того, как этот контакт коснется неподвижного контакта, будет

= 0,144103 × 10,6 × 106 мкс = 240 мкс

Для параметров цепи двигателя, если частота TRV считается равной 17 кГц, возникающей из-за предварительных ударов, то количество предварительных ударов на переходной частоте до замыкания контактов будет

2 * × 17 × 103 × 240 × 10-6

или 8 (* каждый цикл вызывает два забастовки).Предварительные удары вызовут скачки напряжения от 3 до 5 о.е. как описано выше и для которого должны подходить все клеммы и соединительные кабели. Ниже приведены полевые данные, собранные в ходе реальных операций, чтобы проиллюстрировать это явление:

При включении двигателя 6,0 кВ, время фронта всего 0,5 мкс и переходное пиковое напряжение В t , до 15 кВ, т.е. 3 о.е.

(1 о.е. = 23 × 6 кВ)

было измерено.

Переходные напряжения до 3,5 о.е. с временами фронта всего 0,2 мкс упоминаются в Рабочей группе 13.02 Исследовательского комитета 13 (1981) и Slamecka (1983).

Таким образом, явление включения может привести к появлению волн с крутым фронтом, с временем фронта всего 0,2 мкс и высокими или очень высокими значениями TRV ( В, t ) с амплитудой до 3,0– 5 о.е. Оба являются причинами повреждения изоляции обмоток двигателя.

Примечание

Выше мы проанализировали случай асинхронного двигателя во время последовательности переключения для систем из двух.4 кВ и выше. Явление скачков напряжения в трансформаторах, конденсаторах, соединительных кабелях или воздушных линиях и т. Д. Ничем не отличается, поскольку условия цепи и последовательность переключения останутся одинаковыми для всех.

Другое дело, что все такое оборудование будет иметь лучший уровень изоляции (BIL) по сравнению с асинхронным двигателем и может не подвергаться такой опасности от скачков, как двигатель. В последующем тексте мы уделяем больше внимания двигателям, которые являются типичными для всех.

Что такое защита от перенапряжения? — Устройства защиты от перенапряжения

Когда напряжение в системе превышает номинальное, это называется перенапряжением.Это перенапряжение может быть кратковременным или постоянным. Основную причину, из-за которой возникает перенапряжение в энергосистеме, можно удобно разделить на две категории: внутреннюю и внешнюю. Внутреннее перенапряжение возникает внутри самой системы, тогда как внешнее перенапряжение возникает из-за молнии на линиях.

Это перенапряжение может вызвать повреждение изоляторов и оборудования подстанции. Следовательно, необходимо обеспечить средства защиты изоляторов и другого оборудования от вредного воздействия перенапряжения.Доступны некоторые устройства для уменьшения амплитуды и крутизны фронта выбросов. Следующее будет описано здесь

  1. Зазор стержня
  2. Перенапряжение
  3. Воздушный провод заземления

Воздушный провод заземления

Воздушный заземляющий провод или заземляющий провод — одно из наиболее распространенных устройств, используемых для защиты линий от молнии. Это провод, который проходит через опоры линии и проходит по фазным проводам. Заземляющий провод предназначен для защиты от прямых ударов молнии, которые в противном случае могли бы ударить по фазным проводам.Волны молний достигают соседних башен, которые безопасно спускают их на землю.

В случае, если сопротивление электрической опоры или заземления мало, освещение будет повышено до очень высокого напряжения, что вызовет мигание от опоры к одному или нескольким фазным проводам. Такая вспышка известна как черная вспышка. Обратную вспышку на линии можно свести к минимуму, уменьшив сопротивление опоры опоры с помощью приводных штанг и противовеса, если удельное сопротивление грунта велико.

Зазор тяги

Штанговый зазор — одна из самых распространенных рам защитных устройств.Это воздушный зазор между концами двух стержней. Настройка зазора должна быть такой, чтобы он разрывался при любых условиях до того, как будет повреждено защищаемое оборудование. Основные достоинства этого устройства — простота, надежность и дешевизна.

Зазор стержня имеет некоторые ограничения, например, они не могут предотвратить поток энергии, который течет в зазоре после пробоя. Применяется там, где бесперебойность электроснабжения не имеет большого значения. В таких случаях (когда важна непрерывность) используются автоматические выключатели с повторным включением.

Устройства защиты от перенапряжения

Ограничители перенапряжения или грозозащитный разрядник — это устройство, используемое для отвлечения аномально высокого напряжения на землю без нарушения непрерывности электроснабжения. Делители перенапряжения бывают трех типов

  1. Переключатель перенапряжения вытяжного типа
  2. Клапанный переключатель перенапряжения
  3. Металлооксидный переключатель перенапряжения

Название устройства защиты от перенапряжения кажется более правильным, чем грозозащитный разрядник.

Аналоговые переключатели с защитой от перенапряжения

Аннотация

Задача разработки надежной электронной схемы часто приводит к разработке с множеством дискретных компонентов защиты с соответствующими затратами, временем разработки и дополнительными площадями.В этой статье обсуждается архитектура коммутатора с защитой от сбоев, а также преимущества производительности и другие преимущества, которые она предлагает по сравнению с традиционными решениями для дискретной защиты. Обсуждается новая новая архитектура коммутатора и запатентованный процесс высокого напряжения, который обеспечивает лучшую в отрасли защиту от неисправностей наряду с характеристиками, необходимыми для прецизионных сигнальных цепей. В новом портфеле отказоустойчивых коммутаторов и мультиплексоров ADI (ADG52xxF и ADG54xxF) используется эта технология.

Защита аналоговых входов для высокопроизводительных сигнальных цепей часто является проблемой для разработчиков систем.Обычно существует значительный компромисс между аналоговыми характеристиками (такими как утечка и сопротивление) и уровнем защиты, которую могут обеспечить дискретные компоненты.

Замена дискретных компонентов защиты переключателями и мультиплексорами с защитой от перенапряжения может дать значительные преимущества с точки зрения аналоговых характеристик, надежности и размера решения. Компонент с защитой от перенапряжения находится между чувствительной цепью, расположенной ниже по потоку, и входом, который подвергается внешним воздействиям.Примером этого может быть входной терминал датчика в цепочке сигналов управления технологическим процессом.

В этой статье подробно описаны проблемы, вызванные событиями перенапряжения, обсуждаются традиционные решения для дискретной защиты и связанные с ними недостатки, представлено решение, предлагаемое аналоговыми переключателями с защитой от перенапряжения, включая функции и преимущества системы, и, наконец, представлен ведущий в отрасли портфель аналоговых переключателей с защитой от отказов ADI.

Проблемы перенапряжения — возвращение к основам

Когда входной сигнал, подаваемый на переключатель, превышает мощность источников питания (V DD или V SS ) более чем на диодное падение, диоды защиты от электростатического разряда внутри ИС становятся смещенными в прямом направлении, и ток течет от входного сигнала к расходные материалы, как показано на рисунке 1.Этот ток может повредить деталь и вызвать событие фиксации, если ток не ограничен.

Рисунок 1. Путь тока перенапряжения.

Если коммутатор обесточен, может произойти несколько сценариев:

  1. Если источники питания «плавающие», входной сигнал может привести к питанию шины V DD через диоды ESD. В этом случае вывод V DD попадает в диодное падение входного сигнала. Это означает, что коммутатор будет эффективно получать питание, как и любые другие компоненты, использующие ту же шину V DD .Это может привести к неизвестной и неконтролируемой работе устройств в сигнальной цепи.
  2. Если источники питания заземлены, устройство PMOS включится с отрицательным напряжением V. GS , поэтому коммутатор будет передавать ограниченный сигнал на выход, что может привести к повреждению последующих компонентов, которые также будут отключены (см. Рисунок 2). Примечание: если в питании есть диоды, они будут направлять смещение и ограничивать сигнал до +0,7 В.
Рисунок 2. Сигнал перенапряжения при заземленном источнике питания.

Решение для дискретной защиты

Разработчики

традиционно решают проблемы защиты входа с помощью дискретных компонентов защиты.

Резисторы большой серии используются для ограничения тока во время повреждения, а диоды Шоттки или стабилитроны на шинах питания ограничивают любые сигналы перенапряжения. Пример такой схемы защиты в мультиплексированной сигнальной цепи показан на рисунке 3.

Однако у этих дискретных компонентов защиты есть много недостатков.

  1. Последовательный резистор увеличивает время установления мультиплексора и замедляет общее время установления.
  2. Защитные диоды вносят дополнительный ток утечки и изменяющуюся емкость, что влияет на точность и линейность измерения.
  3. В состоянии «плавающего» источника питания защиты не будет, поскольку антистатические диоды источников питания не будут обеспечивать защиту от зажима.
Рисунок 3. Дискретное решение защиты.

Традиционная архитектура коммутатора

Схема на рисунке 4 дает обзор традиционной архитектуры коммутатора.Компонент переключателя (с правой стороны рисунка 4) имеет диоды ESD на каждой из шин питания, как на входе, так и на выходе элемента переключения. Здесь также показаны внешние дискретные компоненты защиты — последовательный резистор для ограничения тока и диоды Шоттки для источников питания для ограничения перенапряжения. Часто требуется двунаправленный TVS для дополнительной защиты в более суровых условиях.

Рисунок 4. Традиционная архитектура коммутатора с внешней дискретной защитой.

Архитектура коммутатора с защитой от сбоев

Архитектура переключателя с защитой от сбоев показана на рисунке 5. Антистатические диоды на входе заменены двунаправленными антистатическими ячейками, поэтому диапазон входного напряжения больше не ограничивается антистатическими диодами на шинах питания. Таким образом, вход может видеть напряжения вплоть до ограничения процесса (которое составляет ± 55 В для новых переключателей с защитой от неисправностей от ADI).

В большинстве случаев антистатические диоды остаются на выходной стороне, поскольку обычно не требуется защиты от перенапряжения со стороны выхода.

Ячейка ESD на входе по-прежнему может обеспечить отличную защиту от ESD. Четырехкратный переключатель SPST с защитой от перенапряжения ADG5412F, в котором используется этот тип ячейки ESD, обеспечивает номинальное сопротивление HBM ESD 5,5 кВ.

По-прежнему может потребоваться внешний TVS или ограничительный резистор меньшего размера для более строгих случаев, таких как IEC ESD (IEC 61000-4-2), EFT или защита от перенапряжения.

Рисунок 5. Архитектура переключателя с защитой от сбоев.

В случае возникновения перенапряжения на одном из входов переключателя, затронутый канал отключается, и на входе устанавливается высокий импеданс.Утечка будет оставаться низкой на других каналах, поэтому оставшиеся каналы могут продолжать работать в обычном режиме с минимальным влиянием на производительность. Это позволяет найти очень небольшой компромисс между скоростью / производительностью системы и защитой от перенапряжения.

Таким образом, переключатель с защитой от неисправности может значительно упростить решение для сигнальной цепи. Защита от перенапряжения переключателя устраняет необходимость в токоограничивающих резисторах и диодах Шоттки во многих случаях. Общая производительность системы больше не ограничивается внешними дискретными компонентами, которые обычно вносят утечку и искажение в сигнальную цепь.

Характеристики переключателя ADI Fault Protected Switch

Новый портфель переключателей с защитой от отказов от ADI основан на запатентованном высоковольтном процессе, который обеспечивает защиту от перенапряжения до ± 55 В как во включенном, так и в отключенном состоянии. Эти детали обеспечивают лучшие в отрасли характеристики для защищенных от сбоев переключателей для прецизионных сигнальных цепей.

Рисунок 6. Изолированный процесс в траншее.

Иммунитет к защелкиванию

Запатентованный процесс высокого напряжения также изолирован от траншеи.Изолирующий оксидный слой помещен между NDMOS и PDMOS транзисторами каждого переключателя. Паразитные переходы, которые возникают между транзисторами в переключателях с изолированными переходами, устраняются, и в результате получается переключатель, устойчивый к защелкиванию при любых обстоятельствах. ADG5412F, например, проходит тест с фиксацией JESD78D на ± 500 мА для длительности импульса в 1 секунду, что является самым строгим тестом в спецификации.

Аналоговая производительность

Новые переключатели с защитой от неисправностей ADI не только обеспечивают лучшую в отрасли надежность (защита от перенапряжения, высокий рейтинг ESD, известное состояние при включении питания при отсутствии цифровых входов), но и обладают лучшими в отрасли аналоговыми характеристиками.Производительность переключателя, как всегда, является компромиссом между низким сопротивлением и низкой емкостью / инжекцией заряда. Выбор переключателя обычно зависит от того, имеет ли нагрузка высокий импеданс или низкий импеданс.

Системы с низким сопротивлением

Детали с низким сопротивлением в открытом состоянии обычно используются в системах с низким сопротивлением, где сопротивление переключателя должно быть минимальным. В системах с низким импедансом, таких как источник питания или каскад усиления, включенное сопротивление и полное сопротивление источника параллельно нагрузке могут вызвать ошибки усиления.Несмотря на то, что ошибки усиления во многих случаях можно откалибровать, изменение сопротивления включения (R ON ) в диапазоне сигнала или между каналами приводит к искажению, которое невозможно откалибровать. Следовательно, цепи с низким сопротивлением более подвержены ошибкам искажения из-за неравномерности R ON и изменения R ON по каналам.

График на Рисунке 7 показывает сопротивление включения одного из новых переключателей с защитой от неисправности во всем диапазоне сигналов. R ON обеспечивает не только очень низкое сопротивление, но и превосходную плоскостность и согласованность между каналами.Детали имеют запатентованную конструкцию драйвера переключателя, которая гарантирует постоянное напряжение V GS и обеспечивает стабильную производительность R ON во всем диапазоне входного напряжения. Компромисс — это немного уменьшенный диапазон сигнала, в котором может быть достигнута оптимальная производительность, что видно по форме графиков R ON . Благодаря такой производительности R ON можно получить значительные системные преимущества в приложениях, чувствительных к изменению R ON или THD.

Рисунок 7.Отказоустойчивый переключатель на сопротивлении.

ADG5404F — это новый устойчивый к защелкиванию и защищенный от перенапряжения мультиплексор. Детали с защитой от защелкивания и детали с защитой от перенапряжения обычно имеют более высокое сопротивление и худшую плоскостность сопротивления по сравнению со стандартными деталями. Однако из-за постоянной схемы V GS , используемой в конструкции ADG5404F, плоскостность R ON на самом деле лучше, чем у ADG1404 (лучшее в отрасли низкое сопротивление) и ADG5404 (устойчивость к защелкиванию, но без защиты от перенапряжения. ).Во многих приложениях, таких как измерения температуры RTD, плоскостность R ON на самом деле более важна, чем абсолютное значение сопротивления, поэтому переключатель с защитой от неисправности обеспечивает потенциал для повышения производительности в этих системах.

Типичный режим неисправности для системы с низким импедансом заключается в том, что выход стока размыкается в случае неисправности.

Системы с высоким сопротивлением

Переключатели с малой утечкой, малой емкостью и инжекцией заряда обычно используются в системах с высоким импедансом.Системы сбора данных обычно имеют высокий импеданс из-за нагрузок усилителя на выходе мультиплексора.

  • Утечка — основной источник ошибок в цепях с высоким импедансом. Любые токи утечки могут привести к значительным ошибкам измерения.
  • Низкая емкость и низкий уровень инжекции заряда также важны для более быстрого установления. Это обеспечивает максимальную пропускную способность данных в системе сбора данных.

Новые переключатели с защитой от неисправностей ADI обладают превосходными характеристиками утечки.При нормальной работе ток утечки находится в диапазоне низких нА, что критично для точных измерений во многих приложениях.

Важно отметить, что характеристики утечки также очень хороши, даже когда один из входных каналов неисправен. Это означает, что измерения могут продолжаться на других каналах до устранения неисправности, что сокращает время простоя системы. Ток утечки перенапряжения для мультиплексора ADG5248F 8: 1 показан на рисунке 8.

Типичный режим неисправности для системы с высоким импедансом заключается в том, что выход стока подтягивается к шине питания в случае неисправности.

Рис. 8. Зависимость тока утечки от перенапряжения ADG5248F от температуры.

Диагностика неисправностей

Большинство новых переключателей ADI с защитой от сбоев также имеют цифровые контакты сбоя. Вывод FF — это общий флаг неисправности, который указывает на неисправность одного из входных каналов. Конкретный вывод неисправности (или вывод SF) — это вывод, который можно использовать для отладки того, какой конкретный вход неисправен.

Эти контакты могут быть полезны для диагностики неисправностей в системе. Контакт FF сначала предупреждает пользователя о неисправности.Затем пользователь может циклически переключать цифровые входы, и вывод SF будет определять, какой именно переключатель или переключатели неисправны.

Преимущества системы

Системные преимущества нового портфеля переключателей с защитой от сбоев отражены на рисунке 9. Преимущества для разработчика системы огромны как с точки зрения обеспечения оптимальных аналоговых характеристик в прецизионной сигнальной цепи, так и с точки зрения устойчивости системы.

Рис. 9. Отказоустойчивый коммутатор ADI — особенности и преимущества системы.

Преимущества по сравнению с дискретными компонентами защиты очевидны и уже подробно описаны. Запатентованный высоковольтный процесс и новая архитектура переключателей также дают новой линейке переключателей с защитой от отказов ADI ряд преимуществ по сравнению с решениями конкурентов.

  • Лучший в отрасли R ON Плоскостность для прецизионных измерений
  • Лучший в отрасли ток утечки при коротком замыкании, позволяющий продолжать работу на других каналах, не затронутых отказом (в 10 раз лучше, чем у конкурирующих решений)
  • Детали со вторичными источниками неисправностей для точного определения пороговых значений неисправностей при сохранении оптимальной производительности аналогового переключателя
  • Интеллектуальные флаги неисправностей для диагностики неисправностей системы

Примеры применения

Этот первый пример приложения, показанный на рисунке 10, представляет собой цепочку сигналов управления технологическим процессом, в которой микроконтроллер контролирует ряд датчиков, таких как датчики RTD или термопары, датчики давления и датчики влажности.В приложении для управления технологическим процессом датчик может быть подключен к концу очень длинного кабеля на заводе, что может привести к неисправности по всей длине кабеля.

Мультиплексором в данном случае является ADG5249F, который оптимизирован для малой емкости и малой утечки. Низкая утечка важна для такого типа измерений датчиков слабого сигнала.

Коммутатор работает от источников питания ± 15 В, в то время как вторичные источники аварийного сигнала настроены на 5 В и заземление для защиты выходных PGA и АЦП.

Сигнал основного датчика проходит через мультиплексор на PGA и АЦП, в то время как данные диагностики неисправностей отправляются непосредственно в микроконтроллер, чтобы обеспечить прерывание в случае неисправности. Таким образом, пользователь может быть предупрежден о состоянии неисправности и может определить, какой из датчиков неисправен. Затем может быть отправлен технический специалист для устранения неисправности и, при необходимости, замены неисправного датчика или кабеля.

Благодаря лидирующей в отрасли спецификации на низкую утечку при неисправностях, другие датчики можно продолжать контролировать, даже если один из датчиков не работает и ожидает замены.Без такой низкой утечки неисправности неисправность в одном канале может сделать все другие каналы непригодными для использования до тех пор, пока неисправность не будет устранена.

Рисунок 10. Пример приложения для управления технологическим процессом.

Второй пример приложения на рисунке 11 — это часть цепочки сигналов сбора данных, в которой устройство защиты канала ADG5462F может добавить ценность. В этом случае используется PGA с шинами питания ± 15 В, а входной сигнал АЦП ниже по потоку имеет диапазон входного сигнала от 0 В до 5 В.

Устройство защиты канала находится между PGA и ADC.Он использует шины питания ± 15 В в качестве основных источников питания для достижения оптимального сопротивления и использует шины питания 0 В и 5 В для вторичных шин питания. ADG5462F позволяет сигналу проходить в нормальном режиме работы, но ограничивает любые выходы перенапряжения от PGA в диапазоне от 0 В до 5 В для защиты АЦП. Следовательно, как и в предыдущем примере применения, интересующий сигнал смещается в плоской области работы R ON .

Рисунок 11. Пример приложения для сбора данных.

Резюме

Замена традиционных дискретных компонентов защиты переключателями и мультиплексорами с защитой от перенапряжения может обеспечить множество преимуществ системы в прецизионной сигнальной цепи. Помимо экономии места на плате, замена дискретных компонентов может дать значительные преимущества в производительности.

Analog Devices предлагает широкий выбор переключателей и мультиплексоров с защитой от перенапряжения. Последние семейства устройств с защитой от сбоев перечислены в Таблице 1 и Таблице 2. Они построены на запатентованном высоковольтном и невосприимчивом процессе и обеспечивают лучшие в отрасли характеристики и функции для прецизионных сигнальных цепей.

Краткое описание портфеля

Таблица 1. Семейство выключателей с защитой от короткого замыкания с низким сопротивлением

Продукт Конфигурация Пороговое значение триггера неисправности Режим отказа выхода Флаг неисправности
ADG5412F
ADG5413F
Четырехместный SPST Первичные поставки Обрыв цепи Общий флаг
ADG5412BF
ADG5413BF
Quad SPST и двунаправленный OVP Первичные поставки Обрыв цепи Общий флаг
ADG5462F Четырехканальный протектор Вторичные принадлежности Тяга к вторичному питанию или разрыв цепи (по умолчанию) Общий флаг
ADG5404F мультиплексор 4: 1 Первичные поставки Тяга к вторичному питанию или разрыв цепи (по умолчанию) Общие и специальные флаги
ADG5436F Двойной SPDT Первичные поставки Тяга к вторичному питанию или разрыв цепи (по умолчанию) Общие и специальные флаги

Таблица 2.Семейство переключателей с защитой от сбоев с низкой емкостью / инжекцией низкого заряда

Продукт Конфигурация Пороговое значение триггера неисправности Режим отказа выхода Флаг неисправности
ADG5208F Мультиплексор 8: 1 Первичные поставки Прицепной к рельсам Нет
ADG5209F Дифференциальный мультиплексор 4: 1 Первичные поставки Прицепной к рельсам Нет
ADG5248F Мультиплексор 8: 1 Вторичные принадлежности Обратиться к вторичным расходным материалам Общие и специальные флаги
ADG5249F Дифференциальный мультиплексор 4: 1 Вторичные принадлежности Обратиться к вторичным расходным материалам Общие и специальные флаги
ADG5243F Тройной SPDT Вторичные принадлежности Обратиться к вторичным расходным материалам Общие и специальные флаги

| НАПРЯЖЕНИЕ ACER

    • +420 491 618 571
    • BRATŘÍ ŠTEFANŮ 1170, 500 03 HRADEC KRÁLOVÉ
    • | |
    Переключить навигацию
    • Главная
    • Новости
    • О компании
      • Презентация ACER VOLTAGE
      • Определение перенапряжения
      • Ограничители перенапряжения ZnO
      • Расчет ограничителей перенапряжения
      • Общие правила подключения ограничителей высокого напряжения
      • Техническое обслуживание и проверка ограничителей перенапряжения
    • Продукция
      • Все продукты
      • Ограничители перенапряжения для сетей переменного тока до 1000В
      • Ограничители перенапряжения для сетей постоянного тока
      • Ограничители перенапряжения для сетей переменного тока
      • Ограничители низкого напряжения
      • Измерительные приборы
    • Номер ссылки
      • Фото инсталляций
      • Ссылка
      • Наши продукты по всему миру
    • Загрузки
      • Каталоги, буклеты
      • Сертификаты
      • инструкции
      • Декларация соответствия
    • Где купить?
    • Контакты
    • Вод
    • Kanceláře
    • Склады
    • Плохи
    • O nás
    • Kontakt

    Защита от перенапряжения линии передачи | Защитные устройства

    Защита от перенапряжения линии передачи:

    Перенапряжение линии передачи Защита от естественного перенапряжения или перенапряжения молнии и минимизация перенапряжения молнии обеспечивается подходящей конструкцией линии с защитными проводами и заземляющими проводами, а также с использованием устройств защиты от перенапряжения.Коммутационные перенапряжения и перенапряжения промышленной частоты учитываются за счет обеспечения более высоких уровней изоляции и надлежащей координации изоляции.

    Защита от грозовых перенапряжений и кратковременных коммутационных перенапряжений:

    Перенапряжения из-за ударов молнии можно избежать или минимизировать на практике с помощью

    • экранирование воздушных линий с помощью заземляющих проводов над фазными проводами,
    • с использованием заземляющих стержней и противовесов, а также
    • , включая защитные устройства, такие как выталкивающие зазоры, защитные трубки на линиях и устройства защиты от перенапряжения на оконечных устройствах линий и подстанциях.

    (a) Защита от молний с использованием экранированных проводов или заземляющих проводов:

    Заземляющий провод — это провод, проложенный параллельно основному проводнику линии электропередачи, поддерживаемый на одной опоре и заземленный в каждой опоре, расположенной на одинаковом и равномерном расстоянии. Он проходит над основным проводником линии. Заземляющий провод защищает провод линии передачи от наведенных зарядов, от облаков, а также от разряда молнии. Расположение заземляющих проводов над линейным проводником показано на рис.8.20.

    Механизм защиты линии можно объяснить следующим образом. Если предполагается, что положительно заряженное облако находится над линией, оно индуцирует отрицательный заряд на участке под ним защиты от перенапряжения линии передачи. При наличии заземляющего провода и заземляющий провод, и линейный провод получают индуцированный заряд. Но заземляющий провод заземляется через равные промежутки времени, и, таким образом, индуцированный заряд стекает на землю; только разность потенциалов между заземляющим проводом и облаком и между заземляющим проводом и проводом линии передачи будет обратно пропорциональна их соответствующим емкостям [предполагая, что облако является идеальным проводником, а атмосферная среда (воздух) — диэлектриком. ].

    По мере того, как заземляющий провод приближается к линейному проводу, индуцированный заряд на нем будет намного меньше, и, следовательно, повышение потенциала будет довольно небольшим. Эффективная защита от перенапряжения линии передачи или экранирование, обеспечиваемое заземляющим проводом, зависит от высоты заземляющего провода над землей (h) и угла защиты или экранирования θ S (обычно 30 °), как показано на рис. 8.20.

    Угол экранирования θ S ≈ 30 ° считался достаточным для вышек высотой 30 м или меньше.Экранирующих проводов может быть один или несколько, в зависимости от типа используемых опор. Но для линий сверхвысокого напряжения высота опор может достигать 50 дюймов, и удары молнии иногда происходят непосредственно в линейных проводах, как показано на рис. 8.19. Современная тенденция к фиксированию высоты опор и углов экранирования заключается в учете «частоты перекрытий» и вероятностей отказа.

    (b) Защита с помощью заземляющих стержней и противовесных проводов:

    Когда линия экранирована, молния поражает либо вышку, либо заземляющий провод.Путь отвода заряда и тока молнии

    (а) через раму башни на землю,
    (b) через линию земли в противоположных направлениях от точки удара.

    Таким образом, заземляющий провод снижает мгновенный потенциал, до которого значительно поднимается вершина мачты, поскольку путь тока проходит в трех направлениях. Мгновенный потенциал, до которого может подняться вершина башни, составляет

    .

    где,

    Z T = импульсное сопротивление опоры, а

    Z S = импульсное сопротивление заземляющего провода.

    Если импульсное сопротивление опоры, которое является эффективным сопротивлением опоры опоры, уменьшается, возникающее импульсное напряжение также значительно уменьшается. Это достигается за счет наличия приводных заземляющих стержней и противовесных тросов, соединенных с опорами башни у основания башни.

    Стержни заземления — это стержни диаметром около 15 мм и длиной от 2,5 до 3 м, вбитые в землю. В твердых почвах стержни могут быть намного длиннее и могут быть забиты на глубину, скажем, до 50 м.Обычно они изготавливаются из оцинкованного железа или медной стали. Расстояние между стержнями, количество стержней и глубина, на которую они вбиваются, зависят от желаемого сопротивления опоры башни. С 10 стержнями длиной 4 дюйма, расположенными на расстоянии 5 м друг от друга, подключенными к опорам башни, динамическое или эффективное сопротивление может быть уменьшено до 10 Ом.

    Вышеупомянутый эффект альтернативно достигается за счет использования противовесов. Противовесные провода — это провода, закопанные в землю на глубину от 0,5 до 1.0 м, проложенный параллельно проводам защиты от перенапряжения линии электропередачи и подсоединенный к опорам опоры. Эти провода могут иметь длину от 50 до 100 дюймов. Было обнаружено, что они более эффективны, чем ведомые стержни, и импульсное сопротивление опоры может быть уменьшено до 25 Ом. Глубина не оказывает существенного влияния на сопротивление противовеса, и необходимо только закопать их на достаточную глубину, чтобы предотвратить кражу. Желательно использовать большее количество параллельных проводов, чем один провод.Но проложить противовесные тросы сложно по сравнению с заземленными или ведомыми стержнями.

    (c) Защитные устройства:

    В регионах с интенсивными или сильными ударами молнии воздушные линии в этих зонах оборудуются устройствами защиты от шунтирования. На самой линии используются два устройства, известные как выталкивающие щели и защитные трубки. Концевые заделки линий, соединения линий и подстанции обычно оснащаются разрядниками для защиты от перенапряжения.

    (i) Отводные щели:

    Вытяжной промежуток — устройство, состоящее из искрового промежутка вместе с устройством гашения дуги, которое гасит текущую дугу, когда промежутки прорываются из-за перенапряжения.Типичная такая компоновка показана на рис. 8.21а. По существу, он состоит из зазора для стержня в воздухе, соединенного последовательно со вторым зазором, заключенным в волоконную трубку. В случае перенапряжения оба разрядника выходят из строя одновременно. Ток из-за перенапряжения ограничивается только сопротивлением опоры опоры и импульсным сопротивлением заземляющих проводов. Внутренняя дуга в волоконной трубке из-за тока молнии испаряет небольшую часть материала волокна. Полученный таким образом газ, представляющий собой смесь водяного пара и разложившегося волокнистого продукта, отводит продукты дуги и ионизированный воздух.Когда последующий ток промышленной частоты проходит через нулевое значение, дуга гаснет, и цепь замыкается. Между тем изоляция восстанавливает свою электрическую прочность, и устанавливаются нормальные условия. Токи молнии и последующие токи промышленной частоты вместе могут длиться только от 2 до 3 полупериодов. Таким образом, в сети обычно не возникают помехи. Для линий 132 или 220 кВ максимальный номинальный ток может составлять около 7500 А.

    (ii) Защитные трубки:

    Защитная трубка аналогична выталкивающей щели по конструкции и принципу.Он также состоит из стержня или искрового разрядника в воздухе, образованного линейным проводом и его высоковольтным выводом. Он установлен под линейным проводом на опоре. Расположение показано на рис. 8.21b. Полый зазор в выталкивающей трубке заменен нелинейным элементом, который обеспечивает очень высокий импеданс при малых токах, но низкий импеданс при больших токах или токах молнии. Когда возникает перенапряжение и пробой искрового промежутка, ток ограничивается как собственным сопротивлением, так и сопротивлением опоры опоры.Перенапряжение на линии снижается до падения напряжения на защитной трубке. После того, как импульсный ток отведен и разряжен на землю, последующий нормальный ток промышленной частоты будет ограничен его высоким сопротивлением. После обнуления тока промышленной частоты искровой разрядник быстро восстанавливает прочность изоляции. Обычно напряжение пробоя защитной трубки меньше, чем напряжение изоляции линии, и, следовательно, она может эффективно разрядить грозовое перенапряжение.

    (iii) Зазоры между стержнями:

    Гораздо более простым и эффективным устройством защиты линии передачи от перенапряжения является стержневой зазор.Однако это не полностью соответствует требованиям. Напряжение пробоя стержневого промежутка зависит от атмосферных условий. Типичная вольт-временная характеристика зазора между стержнями 67 см показана на рис. 8.22 с ее защитным запасом. Устройство для ограничения тока после пробоя не предусмотрено, поэтому часто используется последовательное сопротивление. Без последовательного сопротивления искровой ток может быть очень высоким, и приложенное импульсное напряжение внезапно падает до нуля, создавая скачкообразное напряжение, которое иногда оказывается очень опасным для защищаемого устройства, такого как трансформатор или обмотки машины.Тем не менее, зазоры между стержнями обеспечивают эффективную защиту от перенапряжения в линии передачи, когда грозовая активность меньше, а линии защищены заземляющими проводами.

    (iv) Ограничители перенапряжения или молниеотводы:

    Устройства защиты от перенапряжения или молниеотводы — это устройства, используемые на подстанциях и на оконечных устройствах линий для снятия грозовых перенапряжений и кратковременных коммутационных перенапряжений. Обычно они устанавливаются на конце линии в ближайшей точке к подстанции.У них напряжение пробоя ниже, чем у любой другой изоляции или оборудования на подстанции. Они способны выдерживать длительные скачки тока от 10 до 20 кА (8/20 мкс) и от 100 до 250 кА кратковременные импульсные токи (1/5 мкс).

    Источник перенапряжений

    Переходные перенапряжения имеют четыре основные причины:

    • Молния
    • Промышленные и коммутационные скачки
    • Электростатические разряды (ESD)
    • Ядерные электромагнитные импульсы (NEMP) Перенапряжения различаются по амплитуде, длительности и частоте.Молнии и промышленные перенапряжения были с нами в течение долгого времени, но электростатические разряды и помехи NEMP — это новые проблемы, которые возникают в результате недавних технологических достижений в области широкого использования полупроводников и повсеместной угрозы ядерного терроризма.

    Непрямые удары молнии

    Есть три типа косвенных электрических эффектов, возникающих в результате ударов молнии:

    Воздействие на ВЛ Воздушные линии электропередачи и связи очень уязвимы и могут быть поражены непосредственно молнией, которая сначала частично или полностью разрушит кабели, а затем вызовет высокие импульсные перенапряжения, которые могут естественным образом пройти по проводникам к подключенному к сети оборудованию.Степень повреждения зависит от расстояния между ударником и оборудованием.

    Повышение потенциала земли Поток молнии в земле вызывает увеличение электрического потенциала в земле и будет варьироваться в зависимости от размера удара и местного сопротивления земли. В установке, которая может быть подключена к нескольким заземлениям (например, к звену между зданиями и / или несколькими системами заземления), удар вызовет очень большую разность потенциалов, и оборудование, подключенное к затронутым сетям, будет разрушено или серьезно нарушено.

    Электромагнитное излучение Удар молнии можно рассматривать как антенну высотой в несколько миль, несущую импульсный ток в тысячи ампер, которая излучает сильное электромагнитное поле (несколько кВ / м на расстоянии более 1 км). Эти поля вызывают сильные напряжения и токи в линиях электропитания и связи, расположенных рядом с оборудованием или подключенных к нему. Значения зависят от расстояния от точки привязки и свойств соединения между звеном.

    Промышленные коммутационные перенапряжения

    Этот термин охватывает явления, вызванные включением или выключением источников электроэнергии.

    Промышленные коммутационные броски вызываются:

    • Пусковые двигатели или трансформаторы
    • Пускатели неонового и натриевого света
    • Коммутационные электрические сети
    • Выключатель «дребезг» в индуктивной цепи
    • Срабатывание предохранителей и автоматических выключателей
    • Падение или обрыв линий электропередачи …

    События переключения генерируют переходные процессы в несколько тысяч вольт с временем нарастания всего в несколько микросекунд. Они могут нарушить работу оборудования, подключенного к той же сети, что и источник помех.

    Электростатические перенапряжения (ESD) Электрически емкость человека составляет от 100 до 300 пикофарад. Это означает, что любой человек, просто пройдя по ковру и прикоснувшись к предмету оборудования, может произвести заряд до 15 кВ и ток около десяти ампер.

    Все интегральные схемы (CMOS и т. Д.) Особенно уязвимы для такого рода помех и защищены надлежащим экранированием и заземлением оборудования.

    NEMP (ядерные электромагнитные импульсы) Высотный ядерный взрыв над атмосферой создает интенсивное электромагнитное поле (до 50 кВ / м за 10 нс), которое излучается на землю в зоне, радиус которой может достигать 1200 километров.В земле поле вызывает очень большие переходные перенапряжения в линиях электропередачи и передачи, антеннах и т. Д., Разрушая оконечное оборудование (силовая цепь, компьютерные терминалы, телефонное оборудование и т. Д.). Повышение поля может достигать нескольких кВ / нс. Хотя трудно устранить все перенапряжения, вызванные электромагнитным импульсом, существуют способы их уменьшения и усиления защищаемых систем. Несмотря на большую амплитуду этих событий, защиту можно обеспечить с помощью экранирования, фильтрации, защиты от перенапряжения, адаптированных специально для NEMP.

    Следующая страница — См. Карту молний

    .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *