Ограничители перенапряжения
Существует множество источников, создающих переходные процессы и перенапряжения в электрических сетях. Возмущения напряжения могут возникнуть в результате грозового разряда или при работе выключателей в передающих и распределительных линиях электропередачи. Включение конденсаторов, используемых для коррекции коэффициента мощности, является одной из главных причин возникновения переходных процессов. Все линии электропередачи конструируются с учетом так называемого основного уровня импульсной прочности изоляции (B1L — basic insulations level), определяющего максимальную амплитуду броска напряжения, при которой не повреждаются элементы электрооборудования, но сами броски напряжения при этом могут попасть к потребителю. Применительно к силовой электронике должна приниматься во внимание возможность воздействия бросков напряжения на линии электропередачи среднего напряжения. Эту информацию можно получить у представителей электросетей. Стандартная форма испытательного импульса напряжения при определении основного уровня импульсной прочности изоляции получается при его переднем фронте 1.2 мкс и спаде в 2 раза за время 50 мкс.
Другие источники перенапряжений при переходных процессах могут находиться непосредственно внутри силового электронного оборудования. К ним относятся, например, катушки управления контакторами, на выводах управления которыми при выключении возбуждаются броски напряжения. Токи, протекающие через диоды и тиристоры, при восстановлении их запертого состояния могут распространяться в оборудовании. Нагрузка в виде электрической дуги может потребовать экранировки цепей управления. В общем случае уменьшению проблем способствует надежное заземление системы.
Элементы для защиты от бросков напряжения но своим размерам простираются от маленьких дисков в блоке питания компьютера до огромных разрядников в линиях электропередачи на 765 кВ. В настоящее время широко используются нелинейные вольт-амиерные характеристики металлооксидных вариаторов (MOV). В них элемент из керамики на основе оксида цинка имеет низкие токи утечки, пока приложенное напряжение ниже порога, при превышении которого начинается быстрый рост тока. Рабочее напряжение зависит от толщины керамического диска и параметров технологического процесса его изготовления. Варисторы можно соединять последовательно для увеличения рабочего напряжения и параллельно для увеличения тока.
Разрядники классифицируются по их току при напряжении ограничения. Разрядники класса электростанций (station-class) могут использоваться при наибольших токах и применяются на линиях электропередачи магистрального и более низкого уровня. Разрядники промежуточного класса (intermediate-class) имеют меньшую нагрузочную способность и используются на подстанциях и в узлах силовой электроники, непосредственно связанных с подстанциями. Наименьшую нагрузочную способность имеют разрядники распределительного класса (distribution- class), а применяются они в распределительных фидерах и оборудовании силовой электроники наименьшей мощности. Цена, конечно, связана с нагрузочной способностью. Еще разрядники классифицируются но напряжению ограничения п по максимальному напряжению длительной работы (MCOV — Maximum Continuous Operating Voltage). Обычно разрядники включают между проводом фазы и землей. Разрядники часто используются для защиты трансформаторов сухого типа, в связи с тем что их уровень BIL обычно ниже, чем BIL используемых в системе коммутационных устройств. Например, в оборудовании, предназначенном для работы при 15 кВ, коммутационные устройства могут иметь BIL 95...119 кВ, когда BIL трансформатора составляет только 60 кВ.
В соответствии с существующими правилами конструирования у ва- ристоров, используемых для защиты элементов силовой электроники, напряжение ограничения должно быть в 2.5 раза больше, чем максимальное среднеквадратичное рабочее напряжение. Они могут подключаться как между фазами, так и между фазами и землей в трехфазной линии электропередачи. Подключение между фазами лучше ограничивает броски напряжения при коммутации, но не защищает от синфазных помех (бросков напряжения всех трех фаз относительно земли). С другой стороны, подключение варисторов между фазами и землей не так хорошо защищает от межфазовых бросков напряжения. Для надежной защиты оборудования от грозовых разрядов и бросков напряжения при коммутации имеет смысл использовать оба способа включения варисторов. Необходимо проверять вольт-амперные характеристики варисторов, чтобы убедиться в их способности пропустить достаточный ток при максимально возможном напряжении и рассеять энергию броска напряжения. Этот ток зависит от размера варистора, и практически для любых нужд можно подобрать соответствующий варистор. Маленькие варисторы имеют проволочные выводы, в то время как большие снабжены винтовыми монтажными зажимами.
Еще одним прибором из арсенала средств защиты является иомехоно- давляющий конденсатор. Броски напряжения с высокой крутизной переднего фронта (dv/dt) могут неравномерно распределиться по виткам обмотки трансформатора или электродвигателя. Этот эффект появляется из-за взаимодействия емкостей между витками и между витками и землей и проявляется в том, что на межвитковую изоляцию незаземленного конца обмотки прикладывается намного большее напряжение, чем на межвитковую изоляцию заземленного конца. Этот эффект подробно описан в гл. 7. Помехоподавляющий конденсатор замедляет скорость изменения напряжения на обмотке и уменьшает этот эффект. Для применения в системах среднего уровня напряжения применяются конденсаторы емкостью 0.5...1.0 мкФ. Некоторые предосторожности необходимо принимать при использовании конденсаторов в цепях с тиристорами из-за возможности появления «звона» при их переключении. В этом случае могут понадобиться демпфирующие резисторы.
