23-26 июня 2008, Уппсала, Швеция 29-я Международная конференция по молниезащите. Устройства Защиты от Импульсных Перенапряжений (УЗИП) повсеместно применяются для защиты чувствительного оборудования, подключённого к питающей сети переменного тока, от грозовых и коммутационных импульсов перенапряжения.
Международные стандарты по УЗИП сейчас широко распространены и делают новое поколение устройств защиты переменного тока более эффективными и безопасными.Но один важный вопрос не прописан ни в стандартах, ни в руководствах по применению УЗИП: каково реальное влияние устройств защиты на сеть переменного тока, особенно при их срабатывании? Как мы знаем, качество электроэнергии — это ключевой момент в стабильности, безопасности и сроке службы чувствительных устройств, подключённых к сети переменного тока. Но в момент срабатывания устройства защиты могут порождать явления, создающие нарушения или проблемы в питающей сети. Так как УЗИП переменного тока имеют разные принципы работы, а питающие сети имеют разную конфигурацию, возможны различные варианты, в том числе и самые непредсказуемые…
Целью этого исследования является описание и проверка реального воздействия УЗИП переменного тока на питающую сеть в связи с разными конструкциями УЗИП, представленными на рынке, с различными типами питающих сетей переменного тока и различными типами приходящих импульсов. Будут проанализированы последствия срабатывания устройств защиты, подключённых к питающей сети.
Описание исследования
В настоящем исследовании были проведены следующие работы:
- Выбор УЗИП.
- Определение типа сети переменного тока.
- Определение генератора импульсов.
- Испытание УЗИП в соответствии со стандартами.
- Запись результатов воздействия на сеть переменного тока.
- Сравнение с компьютерной моделью.
- Заключение.
А. Устройства Защиты от Импульсных Перенапряжений
Исследование было сосредоточено на устройствах защиты 1-го класса, т.к. в этом классе устройств применяются две различные технологии: воздушных промежутков и оксидно-цинковых варисторов. Устройства, основанные на разных технологиях, принципиально отличаются: УЗИП на базе воздушных промежутков работают как шунтирующие устройства, а УЗИП на базе варисторов, как ограничивающие.
Замечание: Другие классы УЗИП переменного тока (класс 2 и 3) чаще всего делаются на базе варисторов, что сделало бы это исследование менее интересным.
Для проведения испытаний были отобраны четыре образца УЗИП класса 1: три УЗИП на базе воздушного промежутка (все с функцией поджига) и один УЗИП на базе оксидно-цинковых варисторов (несколько параллельных мощных варисторов, последовательно соединённых с мощным газовым разрядником). УЗИПы были выбраны с одинаковыми электрическими характеристиками.
В. Сеть переменного тока
Испытания выполнялись на 3-х фазной сети переменного тока 230/400В, чтобы проанализировать взаимное влияние в различных фазах при срабатывании УЗИП.
Схема испытательной цепи
Трёхфазная сеть переменного тока представляет собой 3 одинаковых трансформатора с высоким классом изоляции между первичной и вторичной обмотками (10000В). Вторичные обмотки соединены по схеме «звезда» с выводом из общей точки нейтрали для получения напряжения 230В между фазой и нейтралью, и 400В между фазами. Каждый трансформатор может выдавать ток до 1500А в режиме короткого замыкания.
Дроссель L1 предназначен для блокировки импульсов перенапряжения, идущих от генератора импульсов в ходе испытаний.
Дроссель L2 предназначен для имитации длинного кабеля между трансформатором и УЗИП: величина его индуктивности будет меняться для испытаний различных конфигураций.
С. Генератор импульсов
Используемый генератор импульсов «G100K» принадлежит испытательной лаборатории GERAC (Лимож, Франция). Он способен выдавать импульсы с формами сигналов в соответствии с требованиями стандарта МЭК 62305-1.
Система вырабатывает импульсы с формой 8/20мкс и 10/350мкс на резистивную нагрузку вплоть до 100mΩ. Ток импульса регулируется от 5 до 100кА.
Генератор импульсов
D. Действующие стандарты для испытаний УЗИП. Испытания на соответствие заявленным характеристикам и способность гашения сопровождающего тока.
В соответствии со стандартом МЭК 61643-1 [1] каждый УЗИП должен испытываться в рабочем режиме для проверки его параметров, особенно на наличие сопровождающего тока.
Полученные результаты испытаний, на наличие или отсутствие сопровождающего тока при срабатывании УЗИП, приведены в таблице 3.
Мы можем заметить, что некоторые УЗИП (№1, №2), произведённые по технологии воздушного промежутка, показали изменения в характеристиках: в начале испытаний не было сопровождающего тока, а в дальнейшем он появился. Мы прекращали подачу цикла импульсов, как только появлялся сопровождающий ток. Мы можем сделать вывод, что наблюдаемое изменение характеристик УЗИП №2 и УЗИП №3 в части возникновения сопровождающего тока вызвано износом, проявлением эффекта «старения» искрового промежутка.
Далее мы проанализировали последствия возникновения сопровождающего тока на качестве электроэнергии в питающей сети. Были определены следующие условия испытаний — разогревающие импульсы 25кА (8/20 µs) со сдвигом на 30˚относительно фазы сети.
Е. Замеры сдвига фазы напряжение/ток в однофазной сети.
На следующей осциллограмме видно, что искра в воздушном зазоре гаснет в момент перехода тока сети через ноль. Это очень важный момент, особенно когда сдвиг фазы между током и напряжением может быть индуцирован питающей сетью. При гашении искры в воздушном промежутке возникает резкий скачок напряжения. Обращаем Ваше внимание на это обстоятельство, поскольку на некоторых из следующих осциллограмм кривая тока не приведена с целью избежать загромождения графика и понимания общей картины происходящего.
Рис. 3 – УЗИП №3 процесс гашения дуги в искровом промежутке (схема с дросселем L2=900µН для имитации длинного кабеля). Кривые напряжения сети, тока протекающего через разрядник, напряжения на УЗИП (нагрузке)
Далее была выполнена серия испытаний для анализа влияния сдвига фаз на развитие сопровождающего тока УЗИП. Этот сдвиг фаз был получен увеличением индуктивности дросселя (L2) от 80µН до 247µН, а затем и до 900µН. Результаты, приведённые ниже, демонстрируют, что чем больше сдвиг фазы, тем дольше будет идти сопровождающий ток в искровом промежутке: т.е. при индуктивности 900µН УЗИПу №3 необходимо 18ms (немногим менее одного полного периода сети) для прекращения сопровождающего тока и восстановления изоляции. Из-за сдвига фаз в момент перехода тока через ноль возникает напряжение, вполне достаточное для самоподжига воздушного промежутка. В данном примере напряжение самоподжига искрового промежутка составляет 200В.
Рис. 4 – Способность искрового промежутка к гашению дуги и сопровождающего тока в зависимости от сдвига фазы напряжение-ток. Приведены кривые напряжения на нагрузке при значениях L2 = 80, 247 и 900мкГн.
F. Испытания УЗИП в 3-х фазной сети.
Каждый УЗИП сначала был подвергнут предварительной нагрузке в соответствии со стандартом МЭК 61643-1 [1] импульсами 8/20 µs (уровень 20кА) для выхода в рабочий режим при индуктивности L2 равной 827 µН. Мы можем видеть два типичных сценария: с сопровождающим током и без него.
Рис. 5 – УЗИП №4 (варисторная технология): отсутствие сопровождающего тока 
Рис. 6 – УЗИП №1. Наличие сопровождающего тока в искровом промежутке.
Сравнение этих двух осциллограмм показывает явное влияние сопровождающего тока на качество напряжения переменного тока:
- Рис. 6: УЗИП №1 создаёт нарушения формы напряжения (провалы) на всех трёх фазах. Наблюдается разрядный ток 260А на землю в течение 6 ms.
- Рис. 5: УЗИП №4 на варисторах не даёт никаких отрицательных эффектов на качество напряжения питающей сети.
G. Компьютерная модель
Для поверки выполненных измерений и полученных результатов была построена компьютерная модель испытательной установки и генератора импульсов. Компьютерный график, представленный ниже, подтверждает достоверность фактических замеров.:
Рис. 7 – УЗИП 1 (воздушный зазор, искровой промежуток): компьютерная модель графика, представленного на рис.6
H. Импульсы перенапряжения в многофазной сети.
Еще один цикл тестов был выполнен с подачей импульсов перенапряжения на все фазы одновременно. Подача импульсов перенапряжения осуществлялась на нагрузку 0,1Ω и далее в сеть на фазные проводники через разделительные конденсаторы 10 µF (Рис.8). Данное схемотехническое решение выдает незначительные величины импульсных токов, но достаточные для срабатывания и поджига воздушного промежутка с параметрами 25кА (8/20мкс).
Рис. 8 – схема подачи импульсов в трехфазную сеть
Осциллограмма на Рис.9 показывает, что подача импульсов в трехфазную сеть, даже с очень низкой энергией импульса (2,5kV пикового напряжения), создаёт ещё больше нарушений в питающей сети переменного тока.
Рис. 9 – Возмущающие напряжения, полученные при многофазном импульсе
Следует заметить, что затухающий в течение 7ms после пробоя воздушного промежутка колебательный процесс — это явление, создаваемое разделительными конденсаторами.
- Выводы
Несколько выводов могут быть представлены в результате проведения вышеописанных испытаний:
- Некоторые УЗИП на основе технологии воздушного промежутка деградируют и изменяют свои характеристики гашения сопровождающего тока: наблюдаемый процесс «старения», возможно, зависит от количества приложенных импульсов.
- Сдвиг фаз между напряжением и током, возникающий в цепи, защищенной УЗИП с искровым промежутком, оказывает существенное влияние на продолжительность сопровождающего тока и способность воздушного промежутка к его гашению.
- Сопровождающий ток создаёт значительные нарушения в сети электропитания переменного тока.
- Импульсы перенапряжения в трехфазной сети с УЗИП Типа 1 на основе искровых разрядников вызывают значительно большие и длительные возмущения параметров тока и напряжения сети, нежели таковые в однофазной сети.
- Программа исследований включала разработку компьютерной модели испытательной установки. Результат моделирования находится в достаточно близком соответствии с данными наблюдений. Созданная компьютерная модель может далее использоваться для изучения воздействия импульсных перенапряжений на электрические сети различной конфигурации.
Мы будем продолжать работу по изучению влияния грозовых и импульсных перенапряжений на качество тока и напряжения в электросети.
J. Благодарности.
Мы благодарны г-ну Madore и его команде из испытательной лаборатории GERAC (Limoges, France) за подготовку и обслуживание специальных испытательных стендов, использованных в этом исследовании. Также мы хотим поблагодарить г-на Mirko Harbott за эффективную разработку компьютерной модели, использованной в этой работе.
К. Ссылки
[1] МЭК 61643-1: Устройства защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах — Часть 1: Требования к работоспособности и методы испытаний, 2002.
Оригинал доклада на английском языке находится здесь.
