Уменьшение искажающего влияния выпрямителей на сеть за счет увеличения их фазности. Импульсные перенапряжения. Классы электромагнитной обстановки на электрических станциях и подстанциях

ВВЕДЕНИЕ

Выпрямитель – это преобразователь переменного напряжения в постоянное. Неуправляемые выпрямители выполняются на базе диодов, управляемые – на базе тиристоров или других управляемых вентильных приборов. Принцип выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентилей проводить однонаправленный ток для преобразования переменного тока в постоянный без существенных потерь энергии. Процессы при выпрямлении определяются:
Видом вентильного прибора и способом его управления
Характером нагрузки на стороне постоянного тока
Техническими характеристиками источника энергии переменного тока.
Выпрямители потребляют из сети несинусоидальный ток.
Особенно заметно влияние высших гармоник на напряжение сети при соизмеримости мощностей источника переменного тока и выпрямителя.
ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» дает дополнительные определения для перенапряжения:
импульс напряжения – резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд;
временное перенапряжение – повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1Uном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях;
коэффициент временного перенапряжения – величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети.
Для отклонения напряжения ГОСТ 13109-97 определяет нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии соответственно 5 и 10% от номинального напряжения электрической сети.

1 УМЕНЬШЕНИЕ ИСКАЖАЮЩЕГО ВЛИЯНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА СЕТЬ ЗА СЧЕТ УВЕЛИЧЕНИЯ ИХ ФАЗНОСТИ1.1 Однофазная полумостовая схема активного выпрямителяВ элементарных схемах выпрямления коммутация тока в вентилях сопровождалась коммутацией токов в фазах питающей сети. В выпрямителях на вентилях с неполным управлением обе коммутации осуществляются параллельно, в выпрямителях на вентилях с полным управлением, сначала осуществляется коммутация тока в вентилях, а затем – токов в фазах. В обоих случаях это приводит к импульсному характеру токов в фазах входного трансформатора и в сети, т. е. к сниженному качеству тока по сравнению с токами линейных потребителей электрической энергии. Можно существенно «выправить» нелинейность вентильного преобразователя по входу, если дать вентильному преобразователю возможность формировать кривую его входного тока. Для этого, очевидно, во-первых, необходимо, чтобы преобразователь был выполнен на полностью управляемых вентилях и, во-вторых, после выключения вентилей оставался путь для продолжения протекания тока фазы через другой, дополнительный вентиль. Однофазная полумостовая схема такого преобразователя на запираемых тиристорах показана на рис. 1.

а) б)
Рисунок 1 – Однофазная полумостовая схема:
а) однофазная полумостовая схема активного выпрямителя;
б) векторная диаграмма
Здесь дополнительными вентилями являются диоды Д1, Д2. Второе плечо моста образовано конденсаторами С1, С2, с которых одновременно как с выходного емкостного фильтра выпрямителя снимается постоянное напряжение Ud. Входной реактор с индуктивностью Lф, роль которой может выполнить и индуктивность рассеивания входного трансформатора при его наличии, предназначен для сглаживания пульсаций, обусловленных коммутациями вентилей, в непрерывной (без токовых пауз) кривой входного тока.
Можно промодулировать методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) длительность проводящего состояния запираемых тиристоров, коммутируемых с повышенной частотой, по синусоидальному закону с частотой, равной частоте напряжения питающей сети. Тогда, при условии постоянства напряжения Ud на выходе моста, на входе моста образуется широтно-модулированная последовательность двух полярных импульсов u. Положительный импульс напряжения u создается при включенном состоянии запираемого тиристора ЗТ2 или диода Д2 (в зависимости от направления тока через это плечо моста), а отрицательный импульс напряжения u – при включенном состоянии запираемого тиристора ЗТ1 или диода Д1. Под действием разности напряжения сети u1 и сформированного соответствующим управлением напряжения u будет протекать непрерывно ток i1 с пульсациями, ограничиваемый величиной индуктивности Lф. При определенных соотношениях между этими напряжениями фаза первой гармоники этого тока, как видно из векторной диаграммы на рис. 3б, может равняться нулю.
При достаточном превышении (в десять раз и более) частоты коммутации тиристоров над частотой напряжения сети пульсации тока могут стать малы, т. е. входной ток выпрямителя будет практически синусоидальным.
1.2 Трехфазный активный выпрямительСхема активного выпрямителя с питанием от трехфазной сети образуется из трех аналогичных вентильных плеч, как показано на рис. 2. При этом потребность в емкостном делителе напряжения, имеющемся в однофазной схеме, здесь уже отпадает.

Рисунок 2 – Схема трехфазного активного выпрямителя на основе АИН.
В простейшем случае для изучения свойств АВ представим, что нагрузка имеет активный характер. Работа АВ основана на работе повышающего импульсного преобразователя постоянного напряжения, что иллюстрирует рисунок 2.

Рисунок 3 – Работа активного выпрямителя:
а) накопление энергии в дросселях; б) заряд конденсатора в звене постоянного тока
При коммутации транзисторных ключей VT1-VT6 (рис.2) образуются кратковременные короткозамкнутые контуры (КЗК) во всех фазах (рис.3,а). В этот интервал времени накапливается энергия в дросселях Др на входе АВ, а абсолютное значение входного тока увеличивается. Когда же КЗК (рис.3,б) размыкаются, на конденсатор C, который находится в звене постоянного тока, прикладывается напряжение сети и ЭДС, накопленной в ДР, а абсолютное значение входного тока – уменьшается.
Как видно из векторной диаграммы рис. 3б, при отрицательном знаке угла ψ и той же величине напряжения на входе вентильного комплекта u, ток в цепи переменного тока преобразователя будет в противофазе с напряжением. Это будет означать переход вентильного преобразователя с ШИМ в инверторный режим, так как активная мощность в цепи переменного тока теперь отдается в сеть переменного напряжения. Таким образом имеется возможность рекуперации энергии. Уменьшением угла управления ψ до нуля можно свести до нуля и активную мощность как в выпрямительном, так и в инверторном режимах. При этом напряжение в звене постоянного тока сохраняет знак и меняется в ограниченных пределах, что отличает выпрямительно-инверторные режимы в таком преобразователе с ШИМ от выпрямительно-инверторных режимов в преобразователе на вентилях с неполным управлением и фазовым способом регулирования.

2 ИМПУЛЬСНЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯИмпульсное перенапряжение – это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого ему напряжения за промежуток времени до нескольких миллисекунд (рис. 4, 5).
Импульсные напряжения вызываются в основном молниевыми разрядами или переходными процессами, возникающими при коммутациях в электрической сети.

Рисунок 4 – Перенапряжение

Рисунок 5 – Импульс напряжения
Таблица 1 – Значения импульсов напряжений, вызываемых молниевыми разрядами, кВМесто расположения точек присоединения Номинальное напряжение, кВ6 10 35 ПО
Воздушная линия 100-2000* 125-2000* 325-2000* 800-2000*
Кабельная линия 34 48 140 350
Силовой трансформатор 34-60** *
*
О
оооо140-200** 350-480**
* Большие значения даны для ВЛ с деревянными опорами.
** Большие значения даны для точек присоединения — вводы силовых трансформаторов и наличия связи с воздушными линиями электропередачи.
Таблица 2 – Значения коммутационных импульсов напряжений, кВНоминальное напряжение электрической сети 0,38 3 6 10 20 35 ПО 220
Коммутационное импульсное напряжение, кВ4,5 15,5 27 43 85,5 148 363 705
Возможные значения импульсов напряжения, вызываемые молниевыми разрядами, могут достигать значений, указанных в табл. 1. Значения импульсных напряжений в электрической сети 0,38 кВ не превышает 10 кВ. Возможные значения коммутационных импульсов напряжений приведены в табл. 2.
Импульсы перенапряжений распространяются на значительные расстояния от места возникновения. Набегающие волны могут представлять опасность для электрооборудования подстанций, электрическая прочность которого ниже, чем у линейной изоляции.
Внутренние перенапряжения по длительности и по причине возникновения делятся на квазистационарные и коммутационные.
Квазистационарные перенапряжения продолжаются от единиц секунд до десятков минут и в свою очередь подразделяются на режимные, резонансные, феррорезонансные и параметрические. Режимные перенапряжения возникают при несимметричных коротких замыканиях на землю, а также при разгоне генератора в случае резкого сброса нагрузки. Резонансные перенапряжения имеют место при возникновении резонансных эффектов в линиях (при одностороннем питании линии), в электрических цепях при наличии реакторов. Феррорезонансные перенапряжения возникают в цепях с катушками с насыщенным магнитопроводом, что может быть, как на частоте 50 Гц, так и на высших гармониках, и на субгармониках. Особенностью феррорезонанса является скачкообразный вход в режим резонанса (триггерный эффект).
Коммутационные перенапряжения возникают при переходных процессах и быстрых изменениях режима работы сети (при работе коммутационных аппаратов, при коротких замыканиях и при прочих резких изменениях режима) за счет энергии, запасенной в емкостных и индуктивных элементах. Наиболее часто такие перенапряжения имеют место при коммутациях линий, индуктивных элементов, конденсаторных батарей.

3 КЛАССЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ И ПОДСТАНЦИЯХТехника эксплуатации электроэнергетических систем (электрических станций, подстанций и предприятий электрических систем) представляет собой совокупность многочисленных взаимозависимых электротехнических средств и средств локального и централизованного управления, контроля и регулирования. Во все возрастающей степени для реализации функций управления используются вычислительные машины и комплексы.
На каждом уровне управления организуются локальные вычислительные сети автоматизированных систем, обслуживающие также и системы автоматического управления и регулирования путём создания общих средств сбора и достоверизации информации, баз данных и т.д.
Низкий энергетический уровень современных электронных устройств и все возрастающий электромагнитный фон окружающей среды приводят к тому, что всё большее значение приобретают проблемы электромагнитной совместимости на объектах энергетики. Определение наиболее неблагоприятной электромагнитной обстановки (ЭМО) характеризуемой наибольшими, но реально возможными электромагнитными воздействиями (ЭМВ) в местах расположения устройств технологического управления, является важной задачей.
ЭМО на объектах энергетики представляют собой многовариантную систему с широким разбросом параметров, количества и вида появляющихся электромагнитных помех. Экономически нецелесообразно выполнять любое устройство, автоматическую или автоматизированную систему технологического управления абсолютно стойкими к самым жёстким электромагнитным воздействиям. Нецелесообразно также стремиться снизить уровень помех до нулевого уровня. Надёжность функционирования устройств достигается компромиссом между уровнем помех и уровнем помехозащищённости.
ЭМО на объектах энергетики характеризуется следующими параметрами:
Искажениями напряжения (искажение синусоиды напряжения, искажение симметрии трехфазного напряжения).
Значительными колебаниями и отклонениями напряжения.
Ростом потенциалов на элементах заземляющего устройства при КЗ и грозовых разрядах.
Наводками на информационные цепи, цепи РЗА и питания при КЗ и грозовом разряде.
Импульсными полями при коммутациях силового оборудования.
Провалами и выбросами напряжения при авариях и коммутациях мощных потребителей.
Высокочастотными полями от мощных полупроводниковых выпрямителей и конверторов, а также различных радиопередатчиков, включая портативные радиостанции.
Мощными электрическими и магнитными полями промышленной частоты.
В соответствии с ЭМО характеризуется как лёгкая (класс 1), как средней жесткости (класс 2), как жесткая (класс 3) и как крайне жесткая (класс 4).
Класс 1. Легкая электромагнитная обстановка:
осуществлены оптимизированные и скоординированные мероприятия по подавлению помех, защите от перенапряжений во всех цепях;
электропитание отдельных элементов устройств резервировано, силовые и сигнальные цепи выполнены раздельно;
выполнение заземлений, прокладка кабелей, экранирование произведено в соответствии с требованиями электромагнитной совместимости;
климатические условия контролируются, и приняты специальные меры по предотвращению разрядов статического электричества.
Класс 2. Электромагнитная обстановка средней жесткости:
цепи питания и управления частично оборудованы помехозащитными устройствами и устройствами для защиты от перенапряжений;
отсутствуют силовые выключатели, устройства для отключения конденсаторов, катушек индуктивностей;
электропитание устройств осуществляется от сетевых стабилизаторов;
имеется тщательно выполненное заземляющее устройство;
токовые контуры разделены гальванически;
предусмотрено регулирование влажности воздуха, материалы, способные электризоваться трением, отсутствуют;
применение радиопереговорных устройств, передатчиков, запрещено.
Эта обстановка типична для диспетчерских помещений индустриальных предприятий, электростанций и подстанций.
Класс 3. Жесткая электромагнитная обстановка:
защита от перенапряжений в силовых цепях и цепях управления не предусмотрена;
повторного зажигания дуги в коммутационных аппаратах не происходит;
имеется контур заземления;
провода электропитания, управления и коммутационных цепей недостаточно разделены;
кабели линий передачи данных, сигнализации, управления разделены;
относительная влажность воздуха поддерживается в определенных пределах, нет материалов, электризуемых трением;
использование переносных радиопереговорных устройств ограничено (установлены ограничения приближения к приборам на определенное расстояние).
Эта обстановка характерна для индустриальных цехов, электростанций, релейных помещений подстанций.
Класс 4. Крайне жесткая электромагнитная обстановка:
защита в цепях управления и силовых контурах от перенапряжений отсутствует;
имеются коммутационные устройства, в аппаратах которых возможно повторное зажигание дуги;
существует неопределенность в выполнении заземляющего устройства;
нет пространственного разделения проводов электропитания, управления и коммутационных цепей;
управление и сигнализация осуществляются по общим кабелям;
допустимы любая влажность воздуха и наличие электризуемых трением материалов;
возможно неограниченное использование переносных переговорных устройств;
в непосредственной близости могут находиться мощные радиопередатчики;
вблизи могут находиться дуговые технологические устройства (электропечи, сварочные машины и т.п.).
Типичными для этого класса являются территории вблизи промышленных предприятий, электростанций, открытых распределительных устройств среднего и высокого напряжений, где не предусматриваются специальные меры по обеспечению электромагнитной совместимости.
Для оценки ЭМО на действующих объектах находят широкое распространение и математические и экспериментальные методы в зависимости от типа решаемых проблем. Для оценки искажения синусоиды кривой напряжения, несимметрии напряжений, отклонений и колебаний напряжений широкое распространение получили математические методы расчёта. В то же время помехи при грозовых разрядах, КЗ на заземляющий контур трудно рассчитать с приемлемой точностью, так как отсутствует информация для создания математической модели. Например, отсутствует достоверная информации о реальном исполнении и состоянии подземной части контура заземления, точная информация о трассах прохождения кабелей, схеме заземления экранов кабелей и т.д. В этих случаях более эффективными, а иногда и единственными являются экспериментальные методы оценки электромагнитной обстановки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электромагнитная обстановка на электрических станциях и подстанциях зависит от вида ЭМП, возникающих на этих объектах. Электромагнитные помехи на электрических станциях и подстанциях возникают в результате следующих электромагнитных воздействий:
• напряжения и токи промышленной частоты при коротких замыканиях (КЗ) на землю в распределительных устройствах с напряжением свыше 1 кВ;
• импульсные помехи при коммутациях и КЗ в распределительных устройствах;
• импульсные помехи при ударах молнии;
• электромагнитные поля радиочастотного диапазона;
• электромагнитные поля промышленной частоты;
• импульсные магнитные поля;
• помехи, связанные с возмущениями в цепях питания автоматизированных систем технологического управления (АСТУ);
• разряды статического электричества.
Дополнительные ЭМП может создавать различное вспомогательное оборудование (сварочные установки, преобразователи
тока и частоты, электроинструменты и др.).

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К. и др. ЭМС в электроэнергетике и электротехнике / Под ред. А.Ф. Дьякова. М.: Энергоатомиздат, 2003.
2. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила технической безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. М., Атомиздат, 1973. 352 с.
3. Кармашев В.С. Электромагнитная совместимость технических средств.Справочник. – М.; 2001.
4. Техника высоких напряжений: Учебное пособие для вузов. И.М.Богатенков, Г.М.Иманов, В.Е.Кизеветтер и др.; Под ред. Г.С.Кучинского. - СПб: изд. ПЭИПК, 1998. - 700 с.
5. Радченко В.Д. Техника высоких напряжений устройств электрической тяги. М.: Транспорт, 1975. - 360 с.