Способ защиты от перенапряжений электрических сетей постоянного тока

Использование: для защиты от перенапряжений в разветвленных токораспределительных сетях (ТРС), возникающих при коротком замыкании нагрузки и грозовых разрядах. Технический результат заключается в снижении уровня перенапряжения при коротких замыканиях нагрузки и грозовых разрядах, повышении надежности системы электропитания в нестационарных режимах, уменьшении расхода кабеля в ТРС и затрат на его прокладку, а также в снижении уровня помех, зависящих от величины индуктивности кабеля, проложенного на участке от аккумуляторов до распределительного шкафа. Способ заключается в том, что производят расчет переходных характеристик напряжений с учетом активных потерь и нелинейностей токораспределительной сети, подключений и устройств, входящих в состав системы бесперебойного электроснабжения в различных точках сети, определяют интервалы, соответствующие допустимым значениям перенапряжений, по временным зависимостям напряжений задают параметры для выбора автоматов рядовой защиты, к которым относятся мгновенные значения перенапряжений в различных точках токораспределительной сети и моменты отключений ветвей сети в точках их подключений к общей сети. 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к системам бесперебойного электроснабжения, и предназначено для защиты в разветвленных токораспределительных сетях (ТРС) от перенапряжений, возникающих при коротком замыкании нагрузки и грозовых разрядах.

Широко известен способ защиты от перенапряжений в сетях постоянного тока при коротких замыканиях и грозовых разрядах, основанный на измерении и сравнении по знаку между собой приращения тока и изменения напряжения сети и в случае противоположности сигналов отключении источника питания линии [1].

Устройство, реализующее известный способ содержит источник электрической энергии (фиг.1), электрическую сеть, датчики тока и напряжения, которые осуществляют контроль параметров цепи постоянного тока и элемент вычитания для суммирования противофазных сигналов, при появлении которого на выходе усилителя срабатывает реагирующее устройство (фиг.1), обеспечивающее защиту ТРС посредством отключения источника электрической энергии.

Недостатками известного устройства являются: невысокая надежность системы электропитания, так как при выборе автоматов рядовой защиты не учитываются мгновенные значения напряжения в различных точках ТРС; большие капитальные затраты на расход кабеля и его прокладку из-за увеличения длины кабеля для снижения уровня перенапряжения, что также приводит к возрастанию помехи из-за большой величины индуктивности кабеля.

Целью изобретения является снижение уровня перенапряжения при коротких замыканиях нагрузки и грозовых разрядах, повышение надежности системы электропитания в нестационарных режимах, уменьшение расхода кабеля в ТРС и затрат на его прокладку, а также снижение уровня кондуктивных помех, зависящих от величины индуктивности кабеля, проложенного на участке от аккумуляторов до распределительного шкафа.

Поставленная цель достигается тем, что производят расчет переходных характеристик напряжений с учетом активных потерь и нелинейностей токораспределительной сети, подключений и устройств, входящих в состав системы бесперебойного электроснабжения в различных точках сети, определяют интервалы, соответствующие допустимым значениям перенапряжений, по временным зависимостям напряжений задают параметры для выбора автоматов рядовой защиты, к которым относятся мгновенные значения перенапряжений в различных точках токораспределительной сети и моменты отключений ветвей сети в точках их подключений к общей сети.

В системах бесперебойного электроснабжения большой мощности в качестве резервного источника энергии используют последовательное соединение двухвольтовых (кислотных) герметичных аккумуляторов, расположенных в отдельном помещении. При удаленном размещении элементов батареи увеличивается длина кабеля, идущего от аккумулятороной батареи (АБ). Это приводит к необходимости учета переходных процессов при коротких замыканиях или коммутациях со стороны нагрузки. Согласно требованиям отраслевого стандарта [2] импульсное напряжение после короткого замыкания (КЗ) в цепи нагрузки не должно превышать 1,4U_ном (В).

В известной и распространенной методике расчета ТРС [3, 4] учитываются следующие требования:

- допустимые потери напряжения на участке от выводов оборудования до стоек аппаратуры связи, включая потери в устройствах защиты и коммутации, в соответствии с [2, 5] не должны превышать 4% от номинального значения выходного напряжения электропитающей установки (ЭПУ);

- для электро- и пожаробезопасности индуктивное и омическое сопротивления проводников цепи питания должны выбираться из условия ограничения величины импульсного напряжения на выходе ЭПУ после КЗ, при этом расчетные величины тока и индуктивности не должны превышать соответственно 1000 А и 10^-4 Гн.

Проведенные исследования в ЦНИИС показали, что для удовлетворения уровня напряжения 1,4U_ном необходимо ограничивать величину индуктивности и тока короткого замыкания таким образом, чтобы выполнялись определенные соотношения. Например, при питании от сети - 24 В:

,

где L_ТРС - суммарная индуктивность токораспределительнои сети.

Согласно [3, 4] для определения допустимой величины тока короткого замыкания задаются средней величиной индуктивности одного погонного метра магистральной проводки:

.

Далее определяется сопротивление цепи короткого замыкания, которое равно:

.

Расчет показателей ТРС проводится для наиболее удаленного ряда нагрузок, при этом не учитываются расположение ближних нагрузок. После расчета этих и других параметров ТРС следует выбор автоматов защиты одинаковых для всего ряда. Для правильного выбора автомата защиты необходимо учитывать мгновенные значения перенапряжений в различных точках токораспределительной сети. Характер изменения напряжения питания на аппаратуре обусловлен параметрами ТРС (сопротивлением и индуктивностью), динамическими характеристиками устройств, входящих в состав ЭПУ, и характеристиками устройств защиты. Согласно нормативным документам предусмотрено ограничение максимального всплеска напряжения на шинах нагрузки после отключения автомата рядовой защиты методом ограничения тока короткого замыкания на уровне, обеспечивающем ограниченный запас энергии в магистральной части ТРС. Связь названной нормы с типом автомата различна для отдельных типов автоматов. Отсутствие точных расчетов затрудняет установить строгое соответствие динамических параметров проектируемой сети со временем срабатывания автомата защиты.

Проверка способа снижения уровня перенапряжения при коротких замыканиях нагрузки и грозовых разрядах посредством использования мгновенных значений напряжения в различных точках ТРС проведена посредством моделирования в среде Simulink [6, 7]. Разработанная математическая модель (фиг.2) составлена для смешанной схемы ТРС, которая состоит из следующих компонентов: аккумуляторной батареи с напряжением Uаб; идеальных ключей КЗ, КЗ1, управляемых с генератора импульсов для имитации режима короткого замыкания; сопротивлений активных и индуктивных потерь в магистральном тоководе, идущем от АБ до наиболее удаленного ряда нагрузки (R_МАГ, L_МАГ) и между последующими токоприемниками - R_М1, L_М1 и R_М2, L_М2; R_Р1, L_Р1 и R_Р2, L_Р2 - эквивалентные сопротивления и индуктивности рядовой проводки; R_Н1, R_H2 - эквивалентные сопротивления нагрузок; R_КЗ1, R_КЗ2 - сопротивления короткозамкнутых цепей. Измерение мгновенных значений выходного тока и напряжения осуществляется посредством измерительных и контрольных устройств Measurements из библиотеки блоков SimPowerSystems. Допустимое значение перенапряжения устанавливается в блоке определения момента пересечения порогового значения U_ПОР (HitCrossing). Вычисление времени срабатывания автомата производится в подсистеме (Subsystem). Фрагмент Simulink-модели, оформленный в виде блока "Расчет времени срабатывания", представлен на фиг.3. Связь подсистемы с моделью выполняется с помощью входных (Вх1 и Вх2) и выходного (Вых1) портов. Выбор автомата защиты осуществляется в подсистеме "Блок выбора авт. выкл." (фиг.4). Автомат выбирается с учетом рабочего напряжения, тока нагрузки и времени срабатывания. На цифровом дисплее Display1 отображаются значения напряжения, тока и времени срабатывания выбранного автомата защиты в виде матрицы-столбца, на Display2 порядковый номер автомата защиты матрицы "Блока данных на авт. выключатели" (фиг.4).

Проверка правильности предложенного способа снижения уровня перенапряжения при коротких замыканиях нагрузки и грозовых разрядах проводилась на кафедре РПУ и Э при СибГУТИ в г.Новосибирске для смешанной структуры построения ТРС со следующими исходными данными: напряжение на выходе ЭПУ в буферном режиме работы U_АБ=54,72 В; индуктивность магистральной проводки до наиболее удаленного ряда нагрузки L_МАГ=9×10^-6 Гн; сопротивление потерь магистрали до наиболее удаленного ряда нагрузки R_МАГ=7×10^-6 Ом; индуктивности между последующими токоприемниками L_М1=1×10^-6 Гн, L_М2=0,5×10^-6 Гн; сопротивления потерь между последующими токоприемниками R_М1=1,3×10^-6 Ом, R_M2=0,9×10^-6 Ом; сопротивления проводов исправных рядов R_P1=0,01 Ом, R_P2=0,012 Ом; индуктивности проводов исправных рядов L_P1=0,4×10^-6 Гн, L_P2=0,33×10^-6 Гн; эквивалентные сопротивления нагрузок R_H1=0,06 Ом, R_H2=0,05 Ом; сопротивление короткого замыкания R_КЗ1=R_КЗ2=0,14 Ом.

По результатам проведенного расчета для R_H1 выбран автомат защиты DPX - 125 и для R_H2 - DPX - 160. Результаты анализа переходных процессов в ТРС в режиме короткого замыкания представлены на фиг.5, где в первом окне отображена временная зависимость выходного напряжения. Во втором окне зафиксировано время срабатывания автомата защиты.

Результаты исследований показали, что предлагаемый способ позволяет учесть динамику в любой точке ТРС и обоснованно выбрать автоматы защиты с учетом этого режима. Такие расчеты дают возможность избежать искусственного удлинения соединительных линий, ведущих от магистрали ТРС до потребителя и сократить материальные затраты при построении токораспределительной сети и исключить выход из строя основного оборудования при повышении напряжения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Э.Ю.Блиничкин. Способ защиты сетей постоянного тока от коротких замыканий. Авт. св. №384171, кл. Н02Н 3/087, Н02Н 7/26, 1973.

2. ОСТ 45.183 - 2001. Установки электропитания аппаратуры электросвязи стационарные.

3. Казаринов И.А. Проектирование электропитающих установок предприятий проводной связи. - М.: Связь, 1974.

4. Методическое руководство по проектированию. "Расчет токораспределительной сети ЛАЦ ИКМ на АТС, РП.1.191-2-89", Москва, 1989.

5. ГОСТ Р 50571.15-97 (МЭК 364-5-52-93). Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования.

6. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. Питер, 2001.

7. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MatLab. Учебный курс. - СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005 / - 512 с.: ил.

Способ защиты от перенапряжений в электрических сетях постоянного тока при коротких замыканиях нагрузки и грозовых разрядах систем бесперебойного электроснабжения, основанный на определении моментов отключения автоматов рядовой защиты по мгновенным значениям перенапряжений в различных точках токораспределительной сети, отличающийся тем, что производят расчет переходных характеристик напряжений с учетом активных потерь и нелинейностей токораспределительной сети, подключений и устройств, входящих в состав системы бесперебойного электроснабжения в различных точках сети, определяют интервалы, соответствующие допустимым значениям перенапряжений, по временным зависимостям напряжений, задают параметры для выбора автоматов рядовой защиты, к которым относятся мгновенные значения перенапряжений в различных точках токораспределительной сети и моменты отключений ветвей сети в точках их подключений к общей сети.