Исследование высоковольтных электромагнитных помех в электрической сети при отключении тока короткого замыкания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.391.825

АЛ. Митюгин, В.И. Яковлев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

В современных условиях испытания технического средства (ТС) на электромагнитную совместимость (ЭМС) с конкретной электромагнитной обстановкой в условиях коммутации должны проводиться при воздействии импульсных электромагнитных помех (ЭМП) с реальными характеристиками. В то же время имитация переходного процесса, возникающего из-за короткого замыкания (КЗ), с помощью испытательного генератора микросекундных импульсных помех (ИГ МИП) по ГОСТ Р 51317.4.5-99 основана на приложении к ТС одного импульса напряжения амплитудой 0,5—4 кВ и длительностью 1/50—6,4/16 мкс, получаемого при разряде емкости. В действительности же при отключении тока короткого замыкания возникают многочисленные колебания напряжения с высокими амплитудами, как в начальный момент разведения контактов коммутационного аппарата, так и после погасания электрической дуги.

Так, по данным работ [ 1, 2], в начальный момент расхождения контактов выключателя до зажигания дуги через микроострии последних при КЗ начинает проходить ток большой плотности (порядка 106—109 А/см2). Скорость роста температуры в этом случае может достигать величины 10 К/с

и выше, что позволяет обеспечить переход металла через четыре состояния (твердое, жидкое, пар, плазма) за время менее Ю-9 с. В результате возникает «взрывная» электронная эмиссия, сопровождаемая появлением электронного тока. Таким образом, при разрыве тока контактным способом могут наблюдаться следующие процессы:

«взрыв» соединительного мостика из жидкого металла при начальном разведении контактов, который сопровождается появлением электронного тока и высоковольтными импульсами напряжения высокой частоты;

горение электрической дуги, сопровождаемое помехами небольшой (по сравнению с помехами при «взрыве» соединительного мостика) амплитуды;

всплеск высокого напряжения после окончательного погасания дуги при условии ее преждевременного гашения.

Таким образом, одиночный импульс напряжения, подаваемый на вводные клеммы испытуемого технического средства зачастую не отражает реальные коммутационные помехи при отключении КЗ.

Все это требует разработать такой способ испытаний, который учитывает как параметры распределительной системы электроснабжения 0,38/ 0,22 кВ, так и процессы развития дугового разряда между контактами коммутационного аппарата.

Типичная схема системы электроснабжения 0,38/0,22 кВ представлена на рис. 1, а, где двойными кружками обозначены возможные пути распространения электромагнитных помех при отключении ТКЗ в непосредственной близости у электроприемника.

На рис. 1, б'показана расчетная схема системы электроснабжения для определения амплитуды и частоты высоковольтных импульсов, возникающих при отключении тока короткого замыкания.

Экспериментальная установка. На рис. 2,а показана принципиальная схема экспериментальной установки, с помощью которой создаются реальные высоковольтные помехи при отключениях токов коротких замыканий.

Для уменьшения влияния на основную систему электроснабжения экспериментальная установка содержит разделительный трансформатор типа ОСМ-1,ОУЗ (220/110 В,/= 50/60 Гц), выбранный из соображений обеспечения протекания дугового разряда при коммутации. Индуктивность вторичной обмотки рассчитана с использованием метода амперметра и вольтметра и составила 0,068 мГн.

На рис. 2, а обозначены: 1 — разделительный трансформатор; 2 — коммутационный аппарат для отключения КЗ; 3 — магнитный пускатель; 4 — магазин емкостей с переключателем;

а)

б)

П+ 1

Щит распределительный

-а

Эквивалент нагрузки

_| Электро-

I приемник |

I___________I

К3(

I-----------1

^ Электро-I приемник | I___________I

кз(1)

Рис. 1. Схема электроснабжения при отключении тока короткого замыкания: а — возможные пути распространения помех; б — схема для расчета высоковольтных импульсов

а) ,-------------------------------

( 4 ) Комбинированная

/ / ^ /

ит 220 В

б)

I К

1

I

И-С

------!

I

т

I

Рис. 2. Принципиальные схемы создания электромагнитных помех: а — комбинированная реальная помеха; б — помеха отдельными имитационными импульсами

5— трансформатор тока; 6— Е20-10 (модуль быстродействующего аналого-цифрового преобразования, обеспечивающий непрерывный сбор 16-битных данных с частотой до 10 МГц); 7— блок подготовки выполнения КЗ; 8 — импульсный блок питания, 9 — ПК; 10 — источник бесперебойного питания.

На рис. 2, б приведена схема для создания имитирующих ЭМП с помощью подключения ИГ МИП согласно ГОСТ Р 51317.4.5-99. Здесь: V-источник высокого напряжения; 7?3 — зарядный резистор; Ск — зарядный конденсатор; Я{] и Яа — резисторы, определяющие длительность импульса; ДзН — резистор, определяющий выходное полное сопротивление ИГ; Ьф — индуктивность, определяющая время нарастания импульса.

Короткое замыкание во вторичной цепи осуществляется с помощью мощного магнитного пускателя. Управление пускателем выполняется кнопками и Магнитный пускатель замыкает вторичную цепь, далее происходит ее автоматическое отключение при помощи выключателя с уставкой С6А, при этом образуются комбинированные электромагнитные помехи. Воздействие на работу технических средств осуществляется путем подачи электромагнитной помехи на вводные клеммы технического средства через связующую емкость величиной С0=18мкФ (рис.2, я).

Установка предусматривает исследование электромагнитных помех, возникающих как

а)

б)

6 кВ

I I I

Процессы при расхождении контактов

г]..

в мало разветвленной системе электроснабжения 0,38/0,22 кВ, чему соответствует включение небольшой емкости от 400 до 3000 пФ, так и в сильно разветвленной системе электроснабжения, чего добиваются подключением большой емкости. Для этого применяется батарея конденсаторов емкостью С\— С10 (от 400 пФ до 100 мкФ) с кулачковым переключателем.

Передача параметров процесса отключения тока короткого замыкания на компьютер выполняется с помощью аналого-цифрового преобразователя напряжения АЦП Ь-Сагс1 Е20-10.

Осциллограммы, полученные с помощью экспериментальной установки, приведены на рис. 3. На рис. 3, а показана одна из осциллограмм напряжения на автоматическом выключателе при отключении токов КЗ, снятая с использованием цифрового запоминающего осциллографа ВМ8021 с полосой пропускания аналогового сигнала 20 МГц, работающего в режиме «пиковый детектор». Из осциллограммы видно, что высоковольтные импульсные помехи амплитудой 5—6 кВ могут возникать как в начальный момент разведения контактов (импульс 1 рис. 3, а) в результате «взрывной» электронной эмиссии, так и в самом конце процесса (импульс 3, рис. 3, а, а также импульсная кривая на рис. 3, б, записанная прибором АЦП Е20-10), что вызвано преждевременным гашением дуги.

На рис. 4 приведена осциллограмма первичного и вторичного напряжения импульсного бло-

л

Л |— 1,04 мкс

— А/

I Г ^ Г

5 кВ 1,

1

Рис. 3. Экспериментальные осциллограммы: а — процесс при расхождении контактов: 1 — момент времени до зажигания дуги, 2 — горение дуги,

3 — момент времени погасания дуги; б — развертка импульсной кривой 3 (погасание дуги при токе 12,1А; емкость — 400 пФ, индуктивность трансформатора — 0,068 мГн)

Рис. 4. Влияние помехи на импульсный источник питания

ка питания при наложении электромагнитной помехи, предшествующей зажиганию дуги, на сетевое питание. Запись выполнена с использованием АЦП Е20-10. Из осциллограммы видно, что импульсная помеха, проходящая через импульсный источник питания, значительно превышает необходимое напряжение 12 В и имеет сложный характер.

Расчетная оценка возникновения ЭМП после погасания дуги. При отключении КЗ в цепи (рис. 1, б) будут протекать два независимых процесса, при этом частота и амплитуда возникающих колебаний будут зависеть от параметров Ьх и С\, Ь2 и С2, а также от фазы прохождения тока в момент разрыва цепи.

После отключения тока короткого замыкания цепь делится на «до» и «после» отключающего коммутационного аппарата.

Левая часть схемы содержит индуктивность Ьх, которая представляет в основном индуктивность обмотки трансформатора подстанции, и суммарную емкость С\ всех распределительных шин, кабельных линий и т. д. Правая часть схемы будет иметь индуктивность и емкость кабельной линии после коммутационного аппарата, так как возникающее короткое замыкание шунтирует нагрузку.

Суммарная электрическая емкость Сх после разделительного трансформатора имеет малое значение, что вызывает возникновение электромагнитных помех высокой амплитуды и частоты.

Помеха за коммутационным аппаратом при условии шунтирования нагрузки в основном имеет достаточно высокочастотный характер, что обусловлено прежде всего параметрами Ь2

и С2 отключаемой кабельной линии. Основополагающим при определении амплитуды помех является так называемый ток среза — преждевременное гашение дуги до естественного перехода через ноль. В основном дуга гаснет при достижении тока порядка 0,1—1 А. Однако нередки случаи с более высоким значением.

Расчет переходного процесса при коммутации по упрощенной схеме, показанной на рис. 1, б, выполнялся классическим методом. Предварительно символическим методом до коммутации при КЗ рассчитывались токи ¿L0 в индук-тивностях и напряжения исо на емкостях. Заданный момент времени размыкания ключа определяет напряжение в начале коммутационного процесса: U = UmeJ^. Ток в индуктивности и напряжение на емкости для каждой части цепи, возникшей после отключения, при произвольном угле \|/ составляют соответственно

iL о =|/|sin(arg/), uCQ =|f/c|sin(argf/c).

Расчеты для левой и правой частей цепи проводятся аналогично, поэтому дальше приводятся результаты для левой части, в которой после отключения продолжает действовать источник напряжения.

Установившийся режим после коммутации рассчитывается для каждой части цепи также символическим методом. В частности для левой части цепи установившийся ток и напряжение на емкости представляются следующим образом:

'уст (0 = куст | sin (со ^ + arg /уст); wcyCT(0 = |^cycT|sinM +arg(í/CycT).

Переходный процесс описывается следующими уравнениями:

¡¿-¡с=0 ; сИ 1

Я^ + Ц —- + — = ит 8ш(ю/ + \|)).

с1х С{

Для однородного уравнения

"1 -1 1 _Кх+рЦ 1 /рСх\

рассчитываются корни. Мнимая часть корней определяет собственную частоту цепи.

Для нахождения решения уравнений переходного процесса сначала определяют начальные условия для зависимых переменных, какими являются и'с, /с, где штрихом обозначаются производные соответствующих переменных. Независимые переменные —и ис.

Система уравнений для определения зависимых переменных/¿, и'с, /с получается при/= О из уравнений переходного процесса с добавлением как продифференцированного уравнения

¡¿-¡с =0, в котором нет производных, так и

уравнения связи С 1и'с(г)-1с(г) = 0, и в матричном виде она имеет вид

"ООО -1 0 -Ц 0 0 -110 0 0 0 С, -1

Решения для токов /¿(/), /с (г) и напряжения ис{т) будут такими:

,с(Г) = В1е*г + В2ер>г+,Суст(Г):

ис{Г) = С,еЛ' + С2ем + «Суст(0-

Система уравнений для определения постоянных интегрирования А1—С 2 имеет вид

1 1 0 0 0 0

0 0 110 0

0 0 0 0 1 1

рх р2 0 0 0 0 0 0 рх р2 0 0

0 0 0 0 рхр2

/С(0)-/Суст(0) ис(0)- мСуст(0)

(0) - ю|/уст | соз[агё /уст ] ' /'с (0) - со |/уст | соз[ащ /уст ] ис (0) - ю\иуст |соз[агё£/Суст]

Результаты расчета для экспериментальной осциллограммы рис. 3, б, полученные по выше приведенному способу, имеют погрешность по амплитуде и частоте, не превышающую + 15 %.

Заключение

Разработана экспериментальная установка для исследования электромагнитных помех, возникающих при отключении токов короткого замыкания в распределительных сетях 0,38/0,22 кВ, и их влияния на работу технических средств.

Амплитуда помехи, возникающая до зажигания дуги, обусловленная «взрывной» электронной эмиссией, достигает4—6 кВ, что выше, чем 4-я степень жесткости испытаний. ЭМП после прекращения горения дуги зависит от волнового сопротивления отключаемых контуров и величины тока среза.

Получена оценка возможного появления помех при отключении линий с известным волновым сопротивлением на основе вероятностных значений среза тока установочных автоматов с номинальными токами СЗ, С6 и С10А: 28 % — 1,0 А; 24%-2,5 А; 19%-3,5 А;, 15%-5,0 А, 14 % —погасание дуги при переходе тока через значение, близкое к нулю.

'с 'ю

и т

ис 0

'с _ 0

А

А

Ву

В2

с,

С2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Месяц, Г.А. Импульсная энергетика и электроника |Текст| / ГА. Месяц,— М.: Наука, 2004,— 704 с.

2. Раховский, В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме [Текст] / В.И. Раховский,— М.: Наука, Глав. ред. физ,- мат. лит., 1970,- 536 с.