лекция. Пята я типовые схемы сетей электроснабжения и размещение в них защитных устройств
 Скачать 7.85 Mb.
|
|
10.8.2. Критерии оценки схем защиты от помех Для устройств на постоянном и пере менном токе существует большое число возможных вариантов схем защиты (см. табл. 10.8 и 10.10, рис. 10.44 и 10.45). Воп рос о возможности их применения в конк ретных случаях решают с учетом следую щих факторов (перечисление без учета важности):
Подходящей должна считаться схема защиты, которая:
10.8.3. Схемы защиты от помех для устройств постоянного тока В табл. 10.8 приведен обзор важнейших свойств схем защиты, которые могут при меняться в приборах постоянного тока. В табл. 10.8 приняты следующие обоз начения: - действующее сопротивление, индуктивность, емкость и постоянная времени обмотки возбуждения; - номинальные ток и напря жение обмотки; - допустимый ток включения выключателя; - ток пропускания диода; - ток потерь; - максимально допустимый ток; - металлооксидный варистор; - максимально допустимая мощ ность потерь; - разрядное сопротивление; - время запирания диода; - номинальное напряжение кон денсатора; - наибольшее рабочее напряже ние варистора (см. рис. 10.5); - напряжение запирания диода; - напряжение (см. рис. 10.42, а); - число отключений за единицу вре мени; - постоянная варистора. Далее остановимся на характеристиках некоторых защитных элементов. Диоды. Самое радикальное подавление перенапряжений при отключении осущест вляется чисто диодной схемой (см. табл. 10.8, столбец 2). Поскольку скорость включения диода существенно выше, чем у коммутационного устройства, на катушке при отключении не возникает перенапря жений. Напряжение запирания диода выбирается и ток . Время должно быть восстановления запирания, меньше 100 не, чтобы вибрационные про цессы на контактах выключателя не разру шили диод. При подключении нужно обра щать внимание на правильную полярность. В приборах с якорем время срабатывания за счет схемы защиты не изменяется, тогда как время возврата по сравнению с прибо ром без такой схемы увеличивается в 10 - 20 раз. Это свойство может успешно использоваться, когда, например, нужно прекратить перерывы напряжения в тече ние нескольких миллисекунд. В целом дио дные схемы при малых размерах и пренебрежимом токе потерь имеют очень хорошее помехозащитное действие. Они использу ются, когда удлинение времени возврата прибора со схемой защиты не имеет нега тивных последствий для функционирова ния устройства в целом. Резисторы. Параллельное с индуктив ной обмоткой включение резистора сопро тивлением (см. табл. 10.8, столбец 3) является лишь условно возможной схемой защиты. Для снижения перенапряжения при отключении оно должно быть не слиш ком большим, с другой стороны, для огра ничения длительности процесса отключе ния и сохранения тока потерь в приемлемых границах, не слишком малым. Оно выбирается в пределах и рассчитывается по току потерь. Параллель ные сопротивления используются в схемах обмоток двигателей. Для схем защиты от помех их нельзя рекомендовать к примене нию. Резисторы с диодами. Можно получить улучшенные свойства, если последова тельно с включить диод (см. табл. 10.8, столбец 4). При включенной катушке в этом случае без учета обратного тока диода, кото рый пренебрежимо мал, через не проте кает никакого тока. Следовательно, источ ник напряжения дополнительно не нагру жается, исключается дополнительное выде ление тепла и резистор термически нагружается меньше. Выбор диода производится, как показано в столбце 2 в табл. 10.8. Здесь также необходимо следить за пра вильной полярностью. Варисторы. Варисторы (см. табл. 10.8, столбец 5) являются сопротивлениями, зави сящими от напряжения с симметричной, сильно нелинейной вольт-амперной харак теристикой. Она описывается уравнением , где - константа; - показатель степени, характеризующий нелинейность вольт-амперной характеристики. При обычных варисторах из карбида кремния значения а лежат в области от 3 до 5, а при металлооксидных варисторах на базе оксида цинка - в области от 20 до 30. Последние вследствие того, что они имеют очень короткое время срабатывания (20-50 нс), очень хорошо подходят в качестве элемен тов ограничения перенапряжений. При отк лючении катушки они обеспечивают при сравнимых перенапряжениях мень шее время , чем описанные до этого вари анты схем. Выбор подходящего металлооксидного варистора осуществляется с учетом следу ющих обстоятельств: с учетом наибольшего рабочего напряже ния варистора . Оно выбирается с учетом допуска положительного отклонения номинального напряжения прибора : , (10.3) где - наибольшее рабочее напряже ние (наивысшее длительно допустимое постоянное напряжение, которое может быть приложено к варистору); - номинальное напряжение варистора; с учетом максимально допустимой мощности потерь варистора определяется согласно соотношению , (10.4) где - число отключении в единицу вре мени. По согласно (10.3) и соот ветственно (10.4) первоначально устанав ливается тип варистора. Возникающее при отключении перенапряжение можно прос тым способом получить из вольт-амперной характеристики (рис. 10.40). В-третьих, нужно убедиться, что макси мально допустимый отводимый импуль сный ток выбранного варистора не превы шается, т.е. обеспечивается выполнение условия , (10.5) где - максимально допустимая амп литуда стандартного импульса 8/20 мкс. Номинальные отводимые металлооксидными варисторами токи (импульс 8/20 мкс) в зависимости от диаметра варис тора и числа коммутаций приведены в табл. 10.9. Рис. 10.40. Вольт-амперная характеристике варистора в логарифмическом масштабе Таблица 10.9. Номинальный отводимый импульсный ток металлооксидных варисторов для различного числа коммутаций
Таким образом, варистор диаметром 5 мм переносит в целом 106 стандартных импульсов амплитудой 10 А. Для случая, когда длительность импульса более 20 мкс, допустимая амплитуда импульса уменьша ется. Это предусматривается понижающим коэффициентом который может быть получен в зависимости от длительности импульса (рис. 10.41). Например, для мс при срабатываний полу чаем коэффициент . Для упомяну того варистора выполняется соотношение , Это означает, что выбранный варистор применим, когда номинальный ток , протекающий через варистор, меньше или равен 0,6 А. Если это не так, то должен быть выбран варистор с большей нагрузоч ной способностью и диаметром. Рис. 10.41. Коэффициент уменьшения для длительности импульса мкс Величина может быть оценена при помощи соотношения , (10.6) где - перенапряжение при отключе нии катушки (см. рис. 10.40). Уравнение (10.6) получается путем упрощения дан ного в табл. 10.9, столбец 4 соотношения для Z-диоды. -диоды (диоды Зенера) имеют асимметричную вольт-амперную характе ристику (рис. 10.42, а). Чтобы при включен ном приборе через помехозащищающую цепь не протекало тока, включается встречно диод D (см. табл. 10.8, столбец 6). Требуемое значение - диода (рис. 10,42, а) опреде ляется по одной из пар величин: ; . Обычно она выбирается в пределах (рис. 10.42, б). Как пра вило, - диод должен быть способен кратков ременно проводить ток защищаемого прибора, т.е. (10.7) и должен быть выбран по рассеиваемой энергии (10.8) а) б) Рис. 10.42. Характеристики - диодов а – вольт-амперная характеристика; б - согласно табл. 10.8, столбец 6 Определение параметров диода произ водится, как указано в столбце 2 табл. 10.8. Z-диоды, хотя и имеют малое время сра батывания и обеспечивают эффективное ограничение перенапряжений при отключе нии, являются сравнительно дорогими. Их нагрузочная способность по импульсному току и возможность поглощения энергии, так же как и , ограничены, так что они могут использоваться только в небольших, управляемых полупроводниковыми схе мами приборах, с низкими номинальными напряжениями . Луч шими свойствами в этом отношении обла дают специально разработанные для отвода переходных перенапряжений -диоды (переходные поглощающие стабилитроны). RC-цепочки. Очень хорошими свой ствами по ограничению перенапряжений при отключении, снижению производных напряжения, так же как и по обеспечению малого времени срабатывания обладают соответствующим образом подобранные -цепочки. В простейшем случае они сос тоят из резистора и конденсатора , расположенных параллельно катушке индуктивности (см, табл. 10.8, столбец 7). При включении быстро (постоянная времени заряда ) заряжается до номинального напряжения . После этого через цепь помехоподавления течет лишь ток утечки конденсатора, которым можно пренебречь. -цепочка рассчитывается так, что в ней после отключения происходит затуха ющий колебательный разряд: , (10.9) причем нельзя переходить за нижнее гра ничное сопротивление , чтобы при включении не произошло сваривания контактов выключателя: , (10.10) Цепь помехозащиты должна кратковре менно проводить ток , а конденсатор должен быть рассчитан на двух-трехкратное номинальное напряжение. Поскольку в процессе разряда меняется направление тока, то используются, как правило, только металлобумажные конденсаторы. RCD-цепочки. Еще одна помехозащит ная комбинация (рис. 10.43), состоящая из последовательности диод — конденсатор — резистор, представлена в табл. 10.8, стол бец 8. Конденсатор после отключения обмотки возбуждения заряжается до момента . Смена направления тока через диод невозможна; разряжается через . Поскольку не возникает низкочастотных колебаний, этот вариант схемы специально подходит для выключателей. а) б) Рис. 10.43. - схемы со вспомогательным выпрямителем: а – с разрядным резистором; б – с варистором в качестве разрядного сопротивления Устраняется повторное втягивание якоря. Основы рас чета RCD-цепочки состоят в следующем. Диод выбирается согласно табл. 10.8, столбец 8, емкость конденсатора рассчиты вается по формуле . (10.11) Напряжение на конденсаторе . (10.12) Сопротивление , (10.13) где - время паузы между двумя отклю чениями. Если сравнить отдельные защитные схемы согласно данным в п. 10.8.3 крите риям оценки, можно дать следующие реко мендации:
10.8.4. Схемы защиты от помех для устройств переменного тока При отключении обмотки переменного тока нужно различать два граничных слу чая: разрыв цепи тока в момент перехода тока через нуль и в момент достижения максимального значения (- дей ствующее значение установившегося тока). Второй случай представляет наихудшие соотношения при отключении цепи пере менного тока. При этом, как и в цепях пос тоянного тока, могут возникнуть высокие перенапряжения при отключении. В даль нейшем будет рассматриваться исключи тельно этот случай, который будет положен в основу определения параметров защит ных схем. Возможные схемы помехозащиты в однофазных приборах переменного тока показаны в табл. 10.10. Резисторы. Простейший, однако для эффективной защиты от помех не слишком подходящий вариант схемы - это активное сопротивление параллельно индуктивно сти (табл. 10.10, столбец 2). Он использу ется только в отдельных случаях в качестве временной меры. Сопротивление выбира ется в диапазоне (10.14) и рассчитывается по длительному току . Варисторы. Более подходящими, чем резисторы, являются варисторы (табл. 10.10, столбец 5), особенно металлооксидные. Перенапряжение при отключении удается при этом ограничить на защитном уровне - примерно два-три номинальных напряжения прибора. Выбор подходящего металлооксидного варистора осуществляется аналогично п. 10.8.3, при этом определяется наибольшее рабочее переменное напряжение варистора при учете возможного положительного отклонения от номинального напряжения : (10.15) и рассчитывается максимально допусти мая мощность потерь . (10.16) По и предварительно выбирается соответствующий тип варис тора. Ожидаемое при отключении перена пряжение может быть получено из вольт-амперной характеристики. Таким же образом, как и в п. 10.8.3, нужно проверить, не превышается ли мак симально допустимый импульсный ток выбранного варистора, т.е. насколько обес печивается условие . (10.17) Значения и могут быть взяты из рис. 10.41. Необходимая для определе ния длительность импульса может быть оценена по соотношению . (10.18) Уравнение (10.18) соответствует упро щенному, данному в табл. 10.10, столбец 3, выражению для . Z-диоды и TAZ-диоды. Очень хоро шими свойствами обладают схемы защиты от помех из двух включенных встречно Z-диодов или двустороннего -диода (см. табл. 10.10, столбец 4). -диоды выполнены специально для ограничения переходных перенапряжений и по сравне нию с нормальными Z-диодами обладают повышенной стойкостью к импульсному току. Преимущество схемы с Z-диодами состоит в том, что они при сильном ограни чении перенапряжений практически не влияют на время возврата защищаемого прибора. Однако их цена высока. Кроме того, они не применимы для больших токов и напряжений, и поэтому используются в маленьких приборах. Напряжение (см. рис. 10.42, а) выби рается согласно соотношению . (10.19) Требуемая нагрузочная способность определяется с помощью уравнения (10.20) (см. обозначения в табл. 10.10). В заключение, как и при расчете металлооксидных варисторов, проверяется, не превышается ли нагрузочная способность выбранных по (10.19) и (10.20) диодов: , (10.21) где - максимально допустимая амп литуда тока при определенном импульсном токе; - понижающий коэффициент» предусматривающий другую длительность импульса. В табл. 10.10 приняты следующие обоз начения: - сопротивление, индуктивность, емкость и постоянная вре мени обмотки; - установившийся ток и номи нальное напряжение защищаемого прибора (эффективные значения); - коэффициент мощ ности прибора; - частота сети; - допустимый ток включения выключателя S; - ток потерь (эффективное значе ние); - максимально допустимый ток; - металлооксидный варистор; - номинальное напряжение кон денсатора; - наибольшее рабочее перемен ное напряжение варистора; - напряжение (см. рис. 10.42, а); - число отключений в единицу вре мени; - коэффициент нелинейности варис тора. Селеновые ограничители перенапря жений. Селеновые ограничители перена пряжений - это селеновые выпрямители с особо крутой характеристикой запирания, которые могут кратковременно нагружаться в прямом и обратном направлениях очень высокими плотностями тока (до 5 А/см2). При встречном включении двух пластин они имеют такие же свойства, как варис торы или -диоды. Они, однако, зани мают больше места, и поэтому преимущест венно применяются в больших установках. Требуемое для каждого направления число пластин определяется из номи нального напряжения прибора : , (10.22) где В — действующее зна чение напряжения одной пластины. Требуемая площадь пластины вычисля ется, как , (10.23) где - импульсный ток через ограничи тель и А/см2 — допустимая плотность импульсного тока. RC-цепочки. При переменном токе про стые -цепочки (см. табл. 10.10, столбец 6) обладают хорошими свойствами ограничи вать перенапряжения при отключении и обеспечивать короткое временя возврата, связанное с уменьшением производной напряжения. Расчет их параметров произво дится так, чтобы при отключении возникало затухающее колебание. Это обеспечивается при , (10.24) чтобы избежать спаривания контактов выключателя, и . (10.25) Сопротивление должно выдержи вать длительный ток потерь , (10.26) а емкость выдерживать напряжение, в 2—3 раза превышающее номинальное напряжение . Длительный ток через -цепочку будет предотвращен, если дополнительно используется вспомогательный выпрями тель (см. рис. 10.37). Для практического применении средств защиты от помех для приборов перемен ного тока на основе введенных в п. 10.8.2 критериев можно дать следующие рекомен дации:
Рис. 10.44. Схемы защиты от помех трехфазных приборов: а - варисторы; б - Z-диоды или селеновые диоды: в - двусторонние TAZ-диоды или селеновые ОПН; г - -звенья; д - -звенья со вспомогательным выпрямителем 10.8.5. Схемы защиты от помех для трехфазных установок Для трехфазных магнитов и других установок, таких как зажимные приспо собления, тормоза, трехфазные асинхрон ные двигатели могут быть использованы похожие схемы ограничения перенапряже ний, как и в однофазных устройствах; их расчет ведется аналогично описанному в п. 10.8.4. Очень выгодными также являются эле менты, имеющие сильно нелинейные вольт-амперные характеристики, т.е. схемы с металлооксидными вариаторами, с Z- диодами, TAZ - диодами или с селеновыми ОПН (рис. 10.44, а - в). Ток утечки во всех трех случаях пренебрежимо мал. Очень хорошим помехоподавляющим действием обладают также и -цепочки, соединенные в треугольник (рис. 10.44, г) или звезду, присоединяемые к выводам трехфазного прибора. Особое преимуще ство -схем состоит в том, что они сни жают как амплитуду, так и производную перенапряжения при отключении. Свойства, подобные симметричным -схемам, имеют защитные схемы, состоя щие из -звена и вспомогательного выпря мительного моста (рис. 10.44, д). Стацио нарные потерн мощности здесь устраня ются практически полностью. Схемы защиты от помех такого рода предпочти тельны для устройств большой мощности. Как правило, конденсатор дополняется резистором или варистором и включен ным параллельно для подавления ОВЧ составляющих перенапряжения неболь шим, имеющим крайне малую индуктивность, конденсатором . 10.8.6. Схемы защиты от помех для люминесцентных ламп Люминесцентные лампы низкого давле ния (рис. 10.45), очень часто устанавливае мые в качестве рабочего освещения в непос редственной близости от электронных уста новок, часто выступают в качестве неприят ных источников помех при включении и отключении. В особенности следует ожи дать интенсивных помех при отключении в неудачный момент (прерывание в момент максимума тока, рис. 10.46, а и табл. 10.11). При этом, как и при электромагнитных при борах, может быть полезной защитная -комбинация, установленная в непос редственной близости от лампы. Помехи в этом случае могут быть снижены до прием лемого уровня (рис. 10.46, б и табл. 10.11). Возможно также применение варисторов из металлооксида (см. табл. 10 8, столбец 5). Таблица 10.11. Параметры процесса отключения люминесцентной лампы низкого давления типа мощностью 40 Вт
Рис. 10.45. Цепь тока люминесцентной лампы: S - выключатель; Е - помехоподавляющее устройство; - активное сопротивление устройства Е (прово лочный резистор 470 Ом, 250 В, 4 Вт, 5 %); - емкость помехоподавляющего звена Е (МБ-конденсатор 0,47 мкФ; 630 В); D - дроссель предварительного включения; - индуктивность дросселя D; L - люминесцентная лампа; Z - стартер; - емкость помехоподавления на стартере Рис. 10.46. Процесс отключения люминесцентной лампы мощностью 40 Вт: а - Некомпенсированный, помехи не подавляются; б - помехи подавлены согласно рис 10.45 ВОПРОСЫ АЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Перечислите типовые сигналы в порядке уменьшения чувствительности оборудова ния к внешним возмущениям. 2. Нарисуйте план подстанции ВН и соответ ствующие виды электромагнитного окруже ния. 3. Нарисуйте план типовой электростанции и соответствующие виды электромагнитного окружения. 4. Перечислите основные положения правил выполнения заземления и прокладки кабе лей. 5. В каких случаях применяются параллельные заземленные проводники? 6. Каким образом выполняется заземление вто ричных цепей ТТ и ТН, связывающих их с релейным щитом? 7. Каким образом осуществляется экранирова ние зданий? 8. Как выполняется заземление на электриче ских станциях? 9. Перечислите особенности ЭМС на ПС и электростанциях. 10. Каковы уровни испытательных воздействий на оборудование электростанции и ПС? 11. В чем состоят особенности проектирования заземляющих систем комплектных КРУЭ? 12. Какие особенности электромагнитных помех, возникающих при коммутациях тока в цепях с индуктивностью? 13. Объясните методы защиты от помех в уст ройствах постоянного тока. 14. Объясните методы зашиты от помех в уст ройствах переменного тока. 15. Какие методы зашиты от помех использу ются в трехфазных установках? 16. Объясните функционирование устройств зашиты от помех, создаваемых люминесцент ными лампами. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||