Способ оценки помех в системах электропитания

Авторы патента:

Рогулина Лариса Геннадьевна (RU)

H02J1/06 - двухпроводные системы

H02H3/20 - реагирующие на избыточное напряжение

Владельцы патента RU 2483410:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУ ВПО "СибГУТИ") (RU)

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и помехозащищенности систем электропитания. Способ основан на определении показателей качества электрической энергии в нестационарных режимах на этапе проектирования через имитационное моделирование, при этом производят расчет переходных характеристик на выходе и входе системы электропитания с учетом активных потерь и нелинейностей устройств, входящих в состав системы электропитания, подключений и соединений электрической сети, определяют уровни перенапряжений и провалов, интервалы их действия, параметры асимметрии, несинусоидальности напряжения и тока, проверяют их соответсвие допустимым значениям, задают временные интервалы срабатывания защитных устройств при перегрузках. 7 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к способам, обеспечивающим повышение качества электрической энергии в системах электропитания предприятий связи, подверженных влиянию кондуктивных помех. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и помехозащищенности систем электропитания на этапе их проектирования.

Известен способ снижения уровня помех посредством введения интеллектуального активного фильтра с целью защиты потребителей электроэнергии постоянного тока от воздействия импульсных коммутационных перенапряжений, возникающих в питающей сети при коммутации нагрузок [1].

Устройство, реализующее известный способ, содержит (фиг.1) подключенный к сети электропитания 1 интеллектуальный фильтр импульсных коммутационных перенапряжений, в состав которого входит защитный диод 13, силовой ключ 14, датчик тока 15, разрядный диод 16, дроссель 17, конденсатор 18, источник бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей 2, датчик входного напряжения 12, датчик контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке 19, микроконтроллер 6, энергонезависимое запоминающее устройство 3, оперативное запоминающее устройство 4, часы реального времени 5, драйвер управления силовым ключом 10, аналого-цифровой преобразователь 11, адаптер информационной шины 7, шину информационного обмена 8, внешнюю систему управления 9 и нагрузку 20.

Недостаток прототипа заключается в том, что применение интеллектуального фильтра импульсных коммутационных перенапряжений учитывает только помехи, распространяемые по сети 1, а в системах электропитания аппаратуры связи с цифровыми методами обработки сигналов и компьютерными технологиями параметры качества электрической энергии должны сохраняться при различных воздействиях, согласно стандартам по электромагнитной совместимости технических средств [2…10].

Целью изобретения является снижение кондуктивных помех систем электропитания оценкой их уровня имитационным моделированием систем в нестационарных режимах еше на этапе проектирования и своевременным принятием мер по их устранению, что также позволит повысить точность выбора защитных устройств и снизить габаритные размеры помехоподавляющих фильтров.

Поставленная цель достигается тем, что производят расчеты переходных характеристик с учетом активных потерь и нелинейностей устройств, входящих в состав проектируемой системы электропитания в различных режимах работы, определяют параметры качества электрической энергии и проверяют их соответствие нормируемым величинам.

В системах электропитания предприятий связи существует множество механизмов возниконовения кондуктивных помех в цепях питания аппаратуры. Это связано с тем, что электрическая сеть системы электропитания имеет большую протяженность и объединяет самых разных потребителей постоянного и переменного тока с нелинейным и импульсным характером нагрузок. Кроме того, работа аппаратуры связи вносит искажения в форму напряжения питающей сети. При этом полоса частот, занимаемая помехами, лежит в пределах от десятков и сотен герц (гармоники, провалы и выбросы напряжения) до сотен килогерц (работа импульсных выпрямителей).

На фиг.2 представлена функциональная схема описываемой системы электропитания предприятия связи. Система содержит сеть общего электроснабжения 1, собственную электростанцию 2, распределительное устройство 3, источник бесперебойного питания в цепи постоянного тока 7 и переменного тока 10, систему мониторинга и управления 4. В состав блоков 7, 10 входят устройства преобразования электрической энергии: выпрямительные устройства 5, 6; инверторы напряжения 11, 13; конвертор напряжения 12; устройства резервирования электрической энергии - аккумуляторные батареи 8, 9. Электрические сети связывают эти блоки между собой. Нагрузка 14 может иметь различный характер (импульсный, нелинейный), определяемый типом аппаратуры связи.

Блоки, входящие в состав системы электропитания, могут являться как источником кондуктивных помех для питаемой аппаратуры, так и рецептором по отношению к другим помехам. На фиг.2 обозначены возможные виды помех: "●" - источник; "○" - рецептор кондуктивных помех.

Проверка способа снижения кондуктивных помех проведена оценкой их уровней путем расчета переходных процессов в нестационарных режимах, при воздействиях со стороны нагрузки 14, сети 1 (нормальный режим) или собственной электростанции 2 (аварийный режим). Расчет проведен на имитационных моделях в среде Simulink пакета прикладных программ Matlab. Динамика физических процессов системы электропитания описывается уравнением

где X - вектор переменных состояния (напряжение на емкости U_C и ток в индуктивнсоти I_L), V - вектор постоянных и времязависимых источников, W - вектор переменных токов и напряжений в других ветвях исследуемой системы электропитания. Расчет переходных режимов системы электропитания выполнен по алгоритму фиг.3, где можно выделить три основных этапа. На первом этапе формируется математическая модель системы электропитания заданной конфигурации в аварийном (питание от электростанции 2) и нормальном (питание от сети 1) режимах работы; на втором этапе выполняется моделирование динамических процессов в соответствии с выражениями (1) и (2) при воздействиях со стороны нагрузки 14 и сети 1; на третьем этапе осуществляется вывод и анализ результатов моделирования. На каждом этапе производится тестирование и выдаются диагностические сообщения.

В основу модели аварийного режима работы системы электропитания положена упрощенная модель синхронной машины - Simplified Synchronous Machine из библиотеки Simulink Blocksets\Sim Power Systems [11, 12]. Имитационная модель системы электропитания в аварийном режиме работы с линейной и динамической нагрузкой приведена на фиг.4. Для имитации блока 14 используется последовательное соединение трехфазного коммутатора переменного тока (3-Phase Breaker) и трехфазная параллельная RLC-цепь (3-Phase Parallel RLC Branch). Результаты расчета переходных характеристик при запуске и останове синхронного генератора 2 представлены на фиг.5 в виде временных зависимостей напряжения в фазе А (а), токов в фазах А, В, С (б), угла фазового сдвига между током и напряжением в фазе А (в) и напряжения в фазах А, В, С при коммутации нагрузки (г).

В нормальном режиме работы расчет переходных характеристик проведен на модели, представленной на фиг.6, при внешних воздействиях со стороны несимметричной и динамической нагрузок. Для имитации сетевого напряжения промышленной частоты используется трехфазный источник напряжения (3-Phase Source). Несимметричная нагрузка имитирована посредством соединения в звезду последовательных RLC - цепей (Series RLC Branch) с заземлением на общей шине. Для измерения токов и напряжений используется трехфазный измеритель (Three - Phase V - I Measurement). Результаты расчета переходных характеристик в нормальном режиме работы представлены на фиг.7 в виде временных зависимостей напряжения (а) и потребляемого от сети тока (б).

Проверка способа оценки помех в системах электропитания выполнялась посредством моделирования конкретной системы электропитания радиорелейной линии связи. Мощность потребления основной группы промышленного оборудования по цепи постоянного тока составляет P₀₁=1 кВт с напряжением U_H1=48 B; мощность потребления дополнительной группы нагрузок, отличающейся от основной уровнем напряжения питания U_H2=24 В составляет Р₀₂=1 кВт и мощность для хозяйственных нагрузок S=2 кВА. Показатели качества электрической энергии соответствуют нормам, а именно установившееся отклонение напряжения на выходе 11 и 13 блоков δU₁≤9,2%, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения K_U1≤11%, коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности K_0U1≤3,1%, коэффициент временного перенапряжения К_ПЕРU1≤1,4, величина импульсного тока при коротком замыкании в нагрузки 14I_ИМП≤18%. Для цепи постоянного тока установившееся отклонение напряжения от номинального значения U_H1 составляет δU_у=+6,2/-5,4 В, глубина провала напряжения δU_П≤11%, импульсное напряжение U_И≤1,34 [2…10].

Результаты исследований показали, что предлагаемый способ позволяет снизить уровень кондуктивной помехи на этапе проектирования системы электропитания, что не только улучшает показатели качества электрической энергии, но и приведет к снижению габаритных размеров помехоподавляющих фильтров и повысит точность выбора защитных устройств посредством расчета времени срабатывния через переходные характристики.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. А.В.Анисимов, К.С.Ляпидов и др. Интеллектуальный фильтр импульсных коммутационных перенапряжений. Ав.св., №2375802, кл. Н02Н 3/20, 2009.

2. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Госстандарт, 1998.

3. ГОСТ Р 50745-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Системы бесперебойного питания. Устройства подавления сетевых помех. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

4. ГОСТ Р 51317.3.2-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

5. ГОСТ Р 51317.3.3-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Колебания напряжений и фликер, вызываемые техническими средствами с потреблением тока не более 16 А (в одной фазе), подключаемыми к низковольтным системам электроснабжения. Нормы и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

6. ГОСТ Р 51317.4.2-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

7. ГОСТ Р 51317.4.3-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

8. ГОСТ Р 51317.4.4-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

9. ГОСТ Р 51317.4.5-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

10. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств: учеб. пособие / Н.А.Малков, А.П.Пудовкин. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. - 88 с.

11. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Изд-во "Высшая школа", 2006 г.

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

Способ оценки помех в системах электропитания в аварийном режиме работы от собственной электростанции и нормальном - от внешней сети с учетом нелинейного и импульсного характера нагрузки, основанный на определении показателей качества электрической энергии в нестационарных режимах на этапе проектирования через имитационное моделирование, отличающийся тем, что производят расчет переходных характеристик на выходе и входе системы электропитания с учетом активных потерь и нелинейностей устройств, входящих в состав системы электропитания, подключений и соединений электрической сети, определяют уровни перенапряжений и провалов, интервалы их действия, параметры асимметрии, несинусоидальности напряжения и тока, проверяют их соответсвие допустимым значениям, задают временные интервалы срабатывания защитных устройств при перегрузках.

Изобретение относится к технике построения бортовых систем контроля, защиты и управления подъемных и транспортных машин. .

Система электропитания радиолокационной станции // 2399138

Изобретение относится к системам электропитания радиолокационных станций (РЛС). .

Способ электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии постоянного тока, удаленных от источников электроэнергии // 2337450

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания низковольтных потребителей постоянного тока от источников электроэнергии, удаленных от потребителей и размещенных в полевых условиях.

Способ ограничения вредного влияния на объекты окружающей среды биполярной электропередачи постоянного тока // 2094921

Изобретение относится к биполярным электропередачам постоянного тока. .

Система электропитания // 1700678

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания п нагрузок. .

Схема защиты от перенапряжений и система источника питания // 2460189

Устройство защиты от перенапряжения // 2457596

Изобретение относится к технологии детектирования напряжения и, в частности, относится к устройству защиты от перенапряжения путем отключения от сети, в котором блок питания постоянного тока отключается от сети питания, когда в сети переменного тока происходит бросок напряжения.

Устройство заземления нейтрали трехфазной электрической сети // 2454769

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для резистивного заземления нейтрали трехфазных электрических сетей. .

Защитное устройство, имеющее наружную оболочку с двойной сигнализацией // 2419939

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах защиты оборудования от повреждений, вызванных коротким замыканием и ударами молний.

Комбинированный трехфазный резистивно-емкостный ограничитель перенапряжений // 2394326

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в сетях среднего напряжения 3-10 кВ для снижения перенапряжений, возникающих при отключении электродвигательных присоединений вакуумными выключателями.

Интеллектуальный фильтр импульсных коммутационных перенапряжений // 2375802

Изобретение относится к области электротехники. .

Устройство для защиты бытовых приборов от ненормированного напряжения в сетях переменного тока и короткого замыкания // 2338309

Способ защиты от импульсных перенапряжений // 2264015

Изобретение относится к области промышленной электроники и может быть использовано для защиты потребителей электроэнергии постоянного тока от воздействия импульсных помех, возникающих в питающей сети при коммутации ее нагрузок и в аварийных режимах, при грозовых разрядах, а также для ограничения тока заряда сглаживающих и накопительных конденсаторов различного назначения, преимущественно в полупроводниковых источниках вторичного электропитания.

Устройство автоматической защиты электроприемников от аварийных значений напряжений в электрической сети // 2262113

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для защиты приемников электрической энергии от аварийных значений напряжений в электрических сетях.

Устройство для резистивного заземления нейтрали высоковольтной сети (варианты) // 2260891

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в высоковольтных сетях 3-6-10-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью как средство для регулирования режима нейтрали и защиты от внутренних перенапряжений при однофазных замыканиях на землю в этих сетях.

Защитное устройство станка // 2510555

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к электрическим схемам, и может быть использовано в составе схемы включения и аварийной блокировки металлорежущих станков, в том числе зубообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Технический результат заключается в повышении надежности и безопасности работы системы, а также ее быстродействия. Для этого заявленное устройство содержит цепь питания 1 (+24 B), соединенная напрямую с выходом питания схемы ЧПУ станка, два соединенных параллельно предохранительных реле, два защитных диода, три нормально разомкнутых контактных выключателя и один нормально замкнутый контактный выключатель, резистор, снабжено, по меньшей мере, двумя нормально замкнутыми грибовидными аварийными выключателями, реле обратной связи с параллельно подключенным защитным диодом и нормально разомкнутым контактом, выполненная с возможностью соединения с системы ЧПУ станка, при этом нормально разомкнутый контакт последовательно соединен первым предохранительным реле, цепь питания к предохранительным реле проходит через блок нормально замкнутых аварийных конечных выключателей положения, каждый из которых, по меньшей мере, выполнен в виде одного выключателя, соединенных параллельно перемычкой, имеющей нормально разомкнутый не фиксируемый контакт с клавишей, выход упомянутого контактного выключателя первого предохранительного реле соединен параллельно с катушкой второго предохранительного реле и с резистором лампы включения устройства, при этом предохранительные реле оснащены параллельно подключенными защитными диодами, от входа цепи питания параллельно с блоком нормально замкнутых аварийных конечных выключателей, цепь питания соединена с входом системы ЧПУ, параллельно с ним подключены последовательно нормально разомкнутые контакты первого и второго предохранительных реле, выход с которых подключен к выходу устройства для подключения к системе ЧПУ, а выходы предохранительных реле и реле обратной связи, предохранительных диодов и лампы включения соединены с шиной фазы «0». 1 ил.

Способ заземления нейтрали // 2516437

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для снижения уровня перенапряжений и тока однофазного замыкания в электросетях. Способ заключается в том, что нейтраль заземляется при помощи конденсаторов и реактора. При этом активное сопротивление ветви реактора выбирают наибольшим, обеспечивающим заданную величину тока однофазного замыкания, а суммарную емкость конденсаторов - по условию: C ≥ E ω ⋅ R ⋅ U , где ω - угловая частота сети; R - выбранное активное сопротивление ветви обмотки реактора; U - действующее значение напряжения на реакторе при резонансном значении тока; Е - действующее значение фазной ЭДС сети. Технический результат - повышение надежности и безопасности электросети. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Защитное реле // 2524171

Изобретение относится к защитному реле, включающему в себя входную цепь, которая детектирует состояние внешнего устройства в соответствии с тем, превышает ли внешнее входное напряжение предварительно установленное пороговое напряжение. Технический результат заключается в снижении величины тепловыделения без усложнения конфигурации цепи, а также в выполнении входной цепи, способной регулировать пороговое напряжение для широкого диапазона входных напряжений с использованием одной цепи контактного входа. Защитное реле содержит входную цепь и блок срабатывания, который считывает сигнал детектирования, детектированный входной цепью, и осуществляет операцию срабатывания защитного реле. Входная цепь включает в себя средство переключения, которое становится проводящим при подаче на него деленного напряжения, полученного с помощью резисторов деления напряжения, которые делят внешнее входное напряжение, когда внешнее входное напряжение больше или равно пороговому напряжению, и оптрон, который приводится в действие стабилизированным током выходной цепи и выводит сигнал срабатывания на блок срабатывания, когда средство переключения становится проводящим. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Комбинированное сетевое защитное устройство // 2533184

Изобретение относится к области электротехники и содержит модуль ограничителей напряжения (МОН), входной, промежуточный и выходной силовые ключи (СК), дроссель, второй диод, модуль контроля и управления (МКУ), входную плавкую вставку, плюсовой и минусовой входы и плюсовой и минусовой выходы. Технический результат - возможность использования в качестве силовых ключей тиристоров. При защите от сбоев и повреждений осуществляется поэтапное гашение избыточной энергии с помощью шунтирующих и рассеивающих энергию средств без отключения нагрузки от сети, а при достижении предельно больших величин рассеиваемой энергии защиту осуществляют путем отключения комбинированного сетевого защитного устройства от сети. 1 ил.

Способ активного заземления нейтрали силового трансформатора // 2563342

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для защиты силовых трансформаторов электрических станций и подстанций от воздействия геоиндуцированных токов в периоды геомагнитных бурь. Технический результат состоит в упрощении силовой схемы и повышении степени использования оборудования активного заземления нейтрали. Способ активного заземления нейтрали силового трансформатора через защитный модуль заключается в том, что при отсутствии геомагнитной активности создают режим глухозаземленной нейтрали. В периоды геомагнитных бурь создают режим изолированной нейтрали и контролируют напряжение нейтрали, включая защитный модуль, если напряжение достигает предельно допустимого значения. Защитный модуль выполняют в виде встречно-параллельно соединенных тиристоров, на управляющие электроды которых подают управляющие импульсы при отсутствии геомагнитной активности и прекращают подачу управляющих импульсов в периоды геомагнитных бурь. 2 ил.

Способ эффективного заземления нейтрали силового трансформатора // 2586326

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты силовых трансформаторов электрических станций и подстанций, работающих в электрических сетях с номинальным напряжением 110 кВ и выше, от воздействия геоиндуцированных токов в периоды геомагнитной активности при возмущениях космической погоды. Технический результат состоит в уменьшении потерь активной мощности в токоограничивающем резисторе и реактивной мощности в силовом трансформаторе. Способ эффективного заземления нейтрали силового трансформатора через токоограничивающий резистор и тиристорный ключ заключается в том, что при возникновении аномальных и аварийных ситуаций осуществляют коммутацию тиристорного ключа, который соединяют параллельно с токоограничивающим резистором и подают управляющие импульсы, обеспечивая непрерывную проводимость тиристорного ключа. Фиксируют появление постоянной составляющей тока нейтрали и второй гармоники фазного тока обмотки высокого напряжения силового трансформатора. В случае превышения указанными токами допустимых значений блокируют подачу управляющих импульсов на тиристорный ключ. Возобновляют подачу управляющих импульсов только после прекращения постоянной составляющей тока нейтрали. 1 ил.