Исследование импульсных напряжений в распределительных электрических сетях

Актуальность темы

Говоря о наступившем новом тысячелетии, общественность постоянно обращает внимание на неуклонно растущую зависимость энергопотребителей от надёжности электропитания. Внимание к этой насущной проблеме ещё более возросло, когда минувшим летом многие российские компании и рядовые потребители потеряли десятки миллионов рублей из-за сбоев электропитания. Аналогичные проблемы в настоящее время испытывают и энергопотребители других стран.

Поскольку оснащённость организаций и домашних пользователей электрооборудованием неуклонно растёт, человечество становится всё более зависимым от решения проблем в области организации электроснабжения.

Вопрос поддержания нормируемых значений показателей качества электрической энергии в электрических сетях является в настоящее время одним из важнейших проблемных вопросов практической деятельности энергоснабжаю-щих организаций. Помехи, падения напряжения, всплески, скачки и отключения. По данным отдела планирования чрезвычайных ситуаций (http://www.aps.ru) [100], в мире каждую секунду происходит в среднем около 9000 сбоев электропитания.

За последние 30 лет основной документ, регламентирующий показатели качества электроэнергии в сетях общего назначения, ГОСТ 13 109–97 [24], претерпел серьезные изменения в части увеличения номенклатуры показателей и расширения диапазона допустимых изменений ряда из них. Несмотря на это, энергоснабжающие организации до сих пор испытывают серьезные трудности в поддержании требуемого уровня качества электроэнергии в электрических сетях.

Среди показателей качества электроэнергии наиболее часто нарушаемыми и оказывающими наибольшее влияние на работу электроприемников являются отклонения напряжения и импульсные напряжения. В технической литературе имеется значительный объем материалов по теоретическим и экспериментальным исследованиям отклонений напряжения в электрических сетях. Данной проблематикой занимались такие известные ученые как Карпов Ф. Ф., Баркан Я. Д., Маркушевич Н. С., Солдаткина Л. А., Левин М. С., Поярков К. М., Геллер Б. И., Веверка А. И. и другие. Что касается импульсных напряжений, то отсутствие в ГОСТ норм на данный показатель вплоть до 1997 года не стимулировало проведения широкомасштабных исследований по указанному направлению, хотя отдельные результаты проработок, выполненные в [1, 11, 20, 47, 61, 63, 92], свидетельствуют, что с импульсными напряжениями помимо непосредственных сбоев в работе и отказов радиоэлектронного оборудования связан и ускоренный его износ.

Применительно к электроприёмникам, содержащим высокочувствительные элементы, качество электроэнергии следует рассматривать как воздействие кондуктивных помех (электромагнитных импульсов, распространяющихся по элементам электрической сети). При этом, если уровень помех (показателей качества электроэнергии) не превышает норм, установленных стандартом, оборудование должно функционировать исправно и нарушений (сбоев, снижения эффективности) не должно быть. Подобные свойства электроприёмников относятся к электромагнитной совместимости — способности технических средств функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.

В настоящее время ГОСТ 13 109–97 импульс напряжения характеризует показателем импульсного напряжения. Согласно данного документа, грозовые импульсные напряжения имеют стандартную форму импульса, а их значения с вероятностью 90% не должны превышать 10 кВ — в воздушной сети напряжением 0,38 кВ и 6 кВ — во внутренней проводке зданий и сооружений. Значения коммутационных импульсных напряжений при их длительности на уровне 0,5 амплитуды импульса, равной 1000 — 5000 мкс для сети напряжением 0,38 кВ не должны превышать 4,5 кВ. Вероятность превышения указанного значения коммутационных импульсных напряжений составляет не более 5%. Однако с физической точки зрения импульсную электрическую прочность любого элемента какой угодно структуры наиболее полно характеризует предельно допустимая импульсная мощность, как предельно допустимый поток электрической энергии в единицу времени.

В справочниках по полупроводниковым элементам импульсная прочность характеризуется минимальными значениями энергии, приводящими к отказу элементов. Такие данные определяются, как правило, при действии прямоугольного импульса длительностью 1 мкс и, следовательно, не являются исчерпывающим источником информации при оценке импульсной прочности приведённых элементов.

Условную аналитическую точность оценки импульсной прочности даёт пороговая энергия импульса вызывающая отказ элемента. Условность данной оценки определяется значением амплитуды импульса приводящего к отказу элемента при его минимальной длительности, или аналитически максимальной энергией при минимальной длительности приводящей к отказу элемента.

При формировании нормируемых значений импульсов напряжения в ГОСТ 13 109–97 установлены предельные нормы для совместных значений амплитуды и длительности импульса, что, по сути, соответствует предельным уровням мощности. Несомненно, что данный подход в ГОСТ 13 109–97 обусловлен тем, что при фиксированном значении длительности импульса напряжения амплитуда импульса определяет не только его предельную энергию, но и импульсную мощность, что и позволяет установить точную границу максимально допустимого значения импульсной мощности.

Однако приводимые в ГОСТ 13 109–97 нормируемые значения позволяют производить только предельную, а, следовательно, очень грубую аналитическую оценку необходимой импульсной прочности энергопотребителей, а если учесть, что реальные данные по импульсным напряжениям в электрических сетях могут значительно отличаться от нормируемых величин, то такая оценка будет практически несостоятельной, а следовательно неприменимой для конкретных практических приложений.

Цель работы и задачи исследований. Цель диссертационных исследований связана с получением объективной вероятностной оценки величины совместных амплитудно-временных параметров импульсных напряжений в точках общего присоединения распределительных электрических сетей.

Для выполнения комплекса теоретических и экспериментальных исследований сформулированы следующие частные научные задачи:

• оценка импульсных напряжений как возмущающего фактора;

• разработка анализатора импульсных напряжений и проведение экспериментальных исследований в электрических сетях;

• вероятностно-статистическая обработка результатов эксперимента;

• разработка рекомендаций по защите электроприемников от импульсных напряжений.

Для решения поставленных задач использовались методы: теоретической электротехники, теории вероятностей и математической статистики, теории измерений и погрешностей, теории проектирования и конструирования сложных радиоэлектронных устройств.

Научные результаты и их новизна.

В результате выполненного комплекса исследований решена научная задача по теоретической и экспериментальной оценке импульсных напряжений в распределительных электрических сетях, а именно:

1. Систематизированы и теоретически проанализированы возможные последствия воздействия импульсных напряжений на электропотребители, предложены формы их аналитического представления.

2. Обосновано и разработано схемно-конструктивное решение устройства контроля и измерения параметров импульсных напряжений, изготовлен опытный образец анализатора.

3. Предложен новый подход вероятностной оценки параметров импульсных напряжений, зарегистрированных в электрической сети.

4. Проведен вероятностно-статистический анализ импульсных напряжений в распределительных электрических сетях. Установлены формы статистического и вероятностного распределений параметров импульсных напряжений, аналитически установлена корреляционно-регрессионная взаимосвязь между ними.

5. Разработано устройство защиты электроприемников от импульсных напряжений.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Выполненные исследования и разработанный анализатор импульсных помех могут использоваться в энергоснабжающих организациях и у потребителей для оценки импульсных напряжений в точках присоединения электроустановок как при проведении замеров, обусловленных требованиями нормативных документов, так и в конфликтных ситуациях при установлении причин выхода электрооборудования из строя. При этом следует учитывать, что необходимые замеры могут производиться в течение длительного времени без участия оператора.

Основная практическая значимость работы заключается в возможности получения объективной информации об одном из основных и малоизученных параметров качества электроэнергии, оказывающим самое существенное влияние на надежность электроприемников.

Разработанные рекомендации и предложенное устройство комплексной защиты могут быть использованы в проектной практике при решении вопросов защиты оборудования от импульсных напряжений.

Разработанный опытный образец «Прибор для измерения параметров паразитных импульсных возмущений в сетях электропитания с переменным напряжением» (патент на изобретение № 2 239 201 от 27 октября 2004 года) используется конструкторским отделом «Концерна Энергомера» для дальнейшей конструкторской разработки с целью возможного последующего промышленного производства. В Буденовских районных электрических сетях проводились экспериментальные исследования уровней импульсных напряжений в обычном режиме работы электрических сетей и в условиях грозовой деятельности с исполь8 зованием анализатора импульсных помех. Исследования проводились с целью установления объективной информации об амплитуде и длительности указанного показателя качества электрической энергии. Полученные результаты используются при заключении договоров на пользование электрической энергией и возникновении конфликтных ситуаций с потребителями.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационных исследований доложены и опубликованы на 12 конференциях, в том числе 65-ой, 66-ой, 67-ой, 68-ой и 69-ой Ежегодной научно-практической конференции СтГАУ, секция «Методы и технические средства повышения эффективности применения электроэнергии в сельском хозяйстве» (Ставрополь 2001, 2002, 2003, 2004 и 2005 года) — Ежегодной научно-практической конференции (Зерноград, 2004 и 2005 г.) секция «Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве» — II и III Российской научно-практической конференции СтГАУ «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь 2004, 2005 г.) — 22-ой Межведомственной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем» (Серпухов, 2003 г.) — Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Нальчик, 2003 г.) — VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2003 г.) — XXVIII сессии семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Диагностика электрооборудования» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2006 г.).

По содержанию и результатам работы выпущена одна монография, опубликовано 10 статей, одни тезисы доклада, получен патент, подана заявка на полезную модель.

Основные положения выносимые на защиту.

На защиту выносятся:

• методический подход оценки импульсных напряжений, как показателя качества электроэнергии и возмущающего фактора;

• схемно-конструктивное решение и опытный образец анализатора импульсных напряжений;

• результаты экспериментальных исследований импульсных напряжений в распределительных электрических сетях;

• результаты исследований корреляционно-регрессионной зависимости между амплитудно-временными параметрами импульсных напряжений;

• устройство комплексной защиты электроприемников от импульсных напряжений.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников. Материал диссертации изложен на 135 страницах, иллюстрирован 43 рисунками, содержит 5 таблиц, приложения.

Список использованных источников

включает 100 наименований.

Выводы по четвертой главе.

1. Существующие способы защиты электрических сетей от импульсных напряжений с помощью разрядников недостаточно эффективны и не исключают импульсных напряжений, что предопределяет необходимость разработки дополнительных мер защиты цепей электропитания электроприемников.

2. Различная чувствительность электроприемников к импульсных перегрузкам предопределяет дифференцированный подход к построению схем защиты.

3. Из известных способов защиты электроприемников от импульсных напряжений наиболее эффективными являются комбинированные схемы активной защиты.

4. Защита цепей электропитания потребителей, содержащих высокочувствительные элементы возможна только при использовании полупроводниковых ограничителей напряжения с временем срабатывания 10″ пс.

5. Схемы включения высокочувствительных ограничителей напряжения, обеспечивающих минимальное время срабатывания, не обеспечивают рассеивание необходимой импульсной мощности.

6. Разработанное устройство комбинированной защиты обладает достаточным пределом ограничения амплитуды импульса напряжения, время срабатывания составляет 10″ пс, что обеспечивает качественную защиту электроприемников от импульсных напряжений и токов перегрузки.

Заключение

.

1. Качество электроэнергии является одним из основных показателей эффективности функционирования систем электроснабжения. Нарушение действующих требований нормативных документов к показателям качества электрической энергии в распределительных электрических сетях является причиной возникновения конфликтных ситуаций между потребителями и энергоснаб-жающей организацией.

2. Одним из наиболее часто нарушаемых и оказывающих значительное влияние на работу электроприемников показателей качества напряжения являются импульсные напряжения. Установлено, что из всего многочисленного перечня сбоев в работе электрооборудования проблемы с электропитанием являются основной причиной полного выхода из строя оборудования, на которые приходится 54,7% и из них 9,4% обусловлены именно импульсными напряжениями.

3. Процесс возникновения импульсных напряжений, а также их параметры носят случайный характер, вследствие чего научно-обоснованный анализ импульсных напряжений должен базироваться на вероятностно-статистической оценке.

4. ГОСТ 13 109–97 регламентирует предельно допустимые значения показателя импульсного напряжения, устанавливающего соответствие предельных значений амплитудно-временных параметров импульсных напряжений.

5. Существующие в распределительных сетях методы схемотехнической защиты не обеспечивают эффективной (полной) защиты потребителей от импульсных напряжений.

6. Опасность воздействия импульсных напряжений на потребители оценивается величиной предельно допустимой импульсной мощности, которая может быть представлена плотностью распределения совместных значений амплитудно-временных параметров.

7. Разработанное техническое решение прибора для измерения и регистрации параметров импульсных напряжений подтверждено патентом на изобретение (патент на изобретение № 2 239 201 от 27 октября 2004 года) и позволяет производить регистрацию и измерение амплитудно-временных параметров импульсных напряжений в распределительных электрических сетях. Прибор обеспечивает получение информации об импульсных напряжениях в распределительных электрических сетях, согласно требованиям ГОСТ 13 109–97, путём длительного наблюдения и регистрации. Технические характеристики прибора обеспечивают измерение параметров импульсных напряжений с теоретически обоснованными пределами по амплитуде и длительности и в соответствии с ГОСТ 13 109–97. Устройство памяти прибора обеспечивает сбор информации в автоматическом режиме, что позволяет получить без участия человека (оператора) исходный статистический материал для последующей его обработки.

8. Функции распределения плотности вероятности возникновения в сети импульсных напряжений стабильны и удовлетворительно аппроксимируются следующими выражениями: для амплитуд — /(и) = 1.

42ns, и ехр 1.

2-s".

-(In (u)-pJ где /л = 7,3- S = 1,25- для длительностей — f (T) а 42л ехр т-тг)2 2а2 где тТ «11,4мкс-сг «56,6мкс.

Между параметрами совместного распределения существует функциональная стохастическая связь, функция регрессии представляет собой экспоненциальную функцию:

42ns, и ехр 1.

2-s, j (ln (u)-pu)2.

T-mrf.

2а2 ехр< —т= ехр оы2л.

9. Численные значения амплитудно-временных параметров импульсных напряжений, зарегистрированных в сети, превышают допустимые пороги ограничения к импульсным перегрузкам большинства высокочувствительных электронных приборов.

10. Использование методов схемотехнической защиты цепей питания электроприемников следует ориентировать либо на защиту от коротких (микросекундных) импульсных напряжений, либо на защиту от длительных (миллисе-кундных) импульсных напряжений. Методы защиты при этом принципиально отличаются.

11. Использование схем пассивной защиты дает неплохие положительные результаты, однако данные схемы снижают коэффициент полезного действия, на высоких частотах поглощают полезную энергию и сложны в изготовлении.

12. Наиболее перспективным направлением развития схемотехнических методов защиты в настоящее время является использование схем активной защиты.

13. Практически наиболее эффективным решением построения схем активной защиты является способ комбинированного построения схем активной защиты, позволяющий производить последовательное поглощение энергии импульсного напряжения.

14. Разработанное устройство комбинированной защиты обеспечивает защиту от импульсных напряжений амплитудой до 7,5 кВ и обладает временем срабатывания 10*11 с. Защиту от длительных (миллисекундных) импульсных напряжений обеспечивает схема защиты от токовой перегрузки.