Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

PROTECTION OF CONTROL DEVICES AND ELECTRIC WELL PUMPS FOR RURAL WATER SUPPLY FROM LIGHTNING OVERVOLTAGE

Research article
Suprenko N.N.
Schegoleva A.B.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.74.8.008
Issue: № 8 (74), 2018
Published:
2018/08/18
PDF

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.74.8.008

ЗАЩИТА УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ И СКВАЖИННЫХ ЭЛЕКТРОНАСОСОВ СЕЛЬСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ОТ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Научная статья

Супроненко Н.Н.1, *, Щеголева А.Б.2

1, 2 Смоленский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, Смоленск, Россия

* Корреспондирующий автор (supr49.10.02[at]yandex.ru)

Аннотация

Для надежной работы скважинных насосов сельского водоснабжения в настоящее время применяют электронные схемы управления с защитой погружных электродвигателей от аварийных режимов. Элементы схем устройств управления скважинными насосами могут выходить из строя при воздействии на них атмосферных перенапряжений.  Изучение надежности защиты устройств управления и скважинных насосов от грозовых перенапряжений проводилось на устройствах управления, разработанных в Смоленском НИИ сельского хозяйства и прошедших приемочные государственные испытания. Анализ аварийных выходов из строя наблюдаемых устройств управления и электродвигателей скважинных насосов показал, что основной причиной повреждений полупроводниковых и других элементов схемы является наведенное высокое напряжение от грозовых разрядов в контрольных линиях управления и проводах электросети. В случае отсутствия защиты от грозовых перенапряжений наведенное высокое напряжение, проникая в схему управления, стремится через её элементы замкнуться на землю. Особенно опасно для устройств управления отсутствие заземления нулевого провода воздушной линии сети. Для надежной защиты элементов схемы управления от грозовых перенапряжений в цепях управления были использованы токоограничивающие резисторы и ограничительные диоды (супрессоры). Для защиты погружного электродвигателя применен блок варисторов. Перед началом грозового сезона необходимо проверять наличие заземления нулевого провода сети. Применение токоограничивающих резисторов и ограничительных диодов (супрессоров) в контрольных линиях управления позволяет значительно снизить влияние грозовых перенапряжений на элементы схемы управления скважинными насосами. Применение блока варисторов исключает выход из строя электродвигателей скважинных насосов.

Ключевые слова: защита от атмосферных перенапряжений, устройство автоматического управления, скважинный насос.

PROTECTION OF CONTROL DEVICES AND ELECTRIC WELL PUMPS FOR RURAL WATER SUPPLY FROM LIGHTNING OVERVOLTAGE

Research article

Suprenko N.N.1, *, Schegoleva A.B.2

1, 2 Smolensk Scientific Research Institute of Agriculture, Smolensk, Russia

* Corresponding author (supr49.10.02[at]yandex.ru)

Abstract

Electronic control schemes with the protection of submersible motors against emergency modes are currently being used for the reliable operation of well pumps of rural water supply. Elements of schemes of control devices of well pumps can fail when exposed to atmospheric overvoltage.A study on the reliability of the control devices and well pumps protection from lightning overvoltages was carried out on control devices developed at Smolensk Research Institute of Agriculture (they passed state acceptance tests).The analysis of emergency failures of the observed control devices and electric motors of well pumps has shown that the main cause of damages of semiconductor and other circuit elements is induced by high voltage from lightning discharges in control lines and electric network wires. In case of no protection against lightning overvoltages, the induced high voltage, penetrating into the control circuit, tends to close to its ground through its elements. The lack of grounding of the zero wire of the overhead line of the network is very dangerous for control devices. Current-limiting resistors and limiting diodes (suppressors) were used in the control circuits for reliable protection of the control circuit elements against lightning overvoltages. A varistor unit is used to protect the electrical submersible motor. Before the beginning of a thunderstorm season, it is necessary to check the presence of grounding of the neutral wire of the network. The use of current-limiting resistors and limiting diodes (suppressors) in control lines of control allows to significantly reduce the effect of lightning overvoltages on the elements of the control circuit for downhole pumps. The use of a varistor unit eliminates the failure of electric motors of well pumps.

Keywords: protection against atmospheric overvoltages, automatic control device, downhole pump.

Для автоматизации процесса водоснабжения из артезианских скважин применяют как релейные [1, С. 247-252], так и электронные схемы управления скважинными электронасосными агрегатами [2, С. 68-70]. Элементы схем управления могут выходить из строя при воздействии на них перенапряжений различной природы, в том числе грозовых перенапряжений. Наиболее опасны для погружных электродвигателей и систем управления скважинными насосами удары молний в воздушные линии электропередач, питающие это электрооборудование. Сельские воздушные линии из-за своей протяженности, возвышающихся железобетонных опор и повторного заземления нулевого провода наиболее часто подвергаются прямому поражению грозовыми разрядами. Импульсы грозовых напряжений имеют крутой передний фронт и амплитуду, достигающую сотен тысяч вольт, и, распространяясь по проводам воздушной линии, стремятся замкнуться на землю через подключенное к ним электрооборудование [3, С. 189].

Цель исследований

Изучение влияния грозовых атмосферных перенапряжений на устройства управления и скважинные электронасосы сельского водоснабжения.

Методы и результаты исследований

Изучение надежности защиты устройств управления скважинными насосами и погружных электродвигателей от грозовых перенапряжений проводилось на устройствах управления, разработанных в Смоленском НИИ сельского хозяйства и установленных в хозяйствах и сельских поселениях различных районов Смоленской области [4, С. 111-115]. Исследуемые нами устройства управления и защиты успешно прошли Государственные приемочные испытания и рекомендованы к производству [5, С. 25], а также защищены патентами [6,], [7]. Устройства могут работать как с датчиками уровня, так и с датчиками давления.

В настоящее время большинство систем сельского водоснабжения используют датчики давления в виде электроконтактных манометров, регулирующих уровень воды в водонапорном баке или давление воды в гидроаккумуляторе. Причины отказов от датчиков уровня – их обмерзание и обрыв в зимнее время, окисление контактов, большая протяженность линий управления, и, как следствие, высокая аварийность устройств управления от грозовых перенапряжений.

Многолетний мониторинг влияния грозовых перенапряжений на аварийность погружных насосов и устройств управления показывает, что пробой изоляции статорной обмотки электродвигателя погружного насоса может происходить только в период работы электродвигателя, когда он подключен к фазным проводам сети.

Для защиты электродвигателя скважинного насоса от повреждений статорной обмотки импульсами перенапряжений можно рекомендовать устанавливать на фазные провода блок варисторов, соединенных общим выводом с заземлением, а также отключать электродвигатель скважинного насоса от сети на время прохождения грозового фронта над линиями электропередач.

Устройство управления погружным электродвигателем скважинного насоса постоянно подключено к нулевому и фазному проводам питающей сети и к датчикам уровня или давления, поэтому всегда подвержено проникновению грозовых перенапряжений. Проникая в устройство управления, как по нулевому проводу сети, так и по линиям управления, грозовые перенапряжения повреждают электронные компоненты схемы, а также катушки промежуточного реле и контактора. Наиболее часто из-за любых перенапряжений повреждаются полупроводниковые элементы схемы управления и защиты погружного электродвигателя скважинного насоса.

Наблюдения в течение 5 лет за установленными устройствами управления (рис. 1) показали следующий результат. В безгрозовой период (зима, весна, осень) элементы схем управления работали безотказно. В летний грозовой сезон отказы случались после прохождения грозового фронта вблизи насосных станций. Обычно в предгрозовое время из-за высыхания почвы сопротивление растеканию тока с повторных заземлителей нулевого провода имеет величину, превышающую допустимую, что способствует распространению грозового электричества по нулевому проводу до электрооборудования [8, С. 9]. Повреждению подвергались выпрямительные диоды блока питания, полупроводниковые элементы, соединенные с нулевым проводом сети и отрицательной цепью схемы управления, и полупроводниковые элементы и микросхемы, связанные с вводом в схему цепей управления от датчиков. В двух устройствах после грозовых перенапряжений вышли из строя первичные обмотки понижающих трансформаторов из-за прямых ударов в линию. Анализ аварийных выходов из строя наблюдаемых устройств управления показал, что основной причиной повреждений полупроводниковых и других элементов схемы является наведенное высокое напряжение в контрольных линиях управления от грозовых разрядов, стремящееся через элементы схемы замкнуться на землю, а также отсутствие заземления нулевого провода сети. Поэтому ввод цепей управления в схему от датчиков уровня или давления необходимо защищать от грозовых перенапряжений. Сделать это можно несколькими способами.

В разработанной нами схеме управления 3 (рис. 1) сигналы от датчика давления поступают на вход компаратора напряжений через токоограничивающие резисторы порядка 10 кОм. Эти резисторы в нормальном режиме пропускают сигналы управления, а при грозовых разрядах снижают амплитуду импульсов наведенных грозовых перенапряжений.

21-08-2018 11-25-36

Рис. 1 – Схема устройства управления с защитой от грозовых перенапряжений:

1 - блок варисторов; 2 - фильтр напряжений нулевой последовательности; 3 - электронная схема; 4 - токоограничивающие резисторы; 5 - супрессоры; 6 - электроконтактный манометр; QF - автоматический выключатель; М - электронасос; КМ - электромагнитный контактор; К - выходное реле

Для более надежной защиты элементов схемы управления от грозовых перенапряжений необходимо до токоограничивающих резисторов уменьшать амплитуду кратковременных импульсов грозовых перенапряжений путем замыкания их на землю. Для этой цели мы использовали ограничительные диоды супрессоры 1,5 КЕ22 [9]. Супрессоры имеют нелинейную вольт-амперную характеристику стабилитрона. Если амплитуда грозового наведенного импульса превысит пробивное напряжение супрессора, то он перейдет в режим лавинного пробоя, то есть ограничит импульс напряжения до заданной (номинальной) величины, а опасную часть напряжения замкнет на землю через диод. Супрессоры обладают высоким быстродействием и не оказывают никакого влияния на нормальную работу устройства управления скважинным насосом до тех пор, пока не возникнет угроза атмосферного перенапряжения.

В наших исследованиях при соблюдении всех вышеперечисленных способов защиты было несколько случаев выхода из строя полупроводниковых элементов схемы управления из-за перенапряжений, проникающих в схему со стороны нулевого провода. В данном случае причиной выхода из строя полупроводниковых элементов оказалось отсутствие контакта повторного заземлителя с нулевым проводом на концевой опоре, а также отсутствие заземления нулевого провода сети внутри павильона насосной станции.

Чтобы исключить повреждения элементов схемы устройства управления скважинным насосом необходимо ограничивать импульсы наведенного грозового перенапряжения в цепях управления. Ежегодно перед началом грозового сезона рекомендуем проверять наличие металлосвязи между нулевым проводом сети и заземляющим устройством на вводной опоре питающей сети, а также проверять заземление нулевого провода внутри павильона насосной станции [10, С. 58].

Выводы

Применение токоограничивающих резисторов и ограничительных диодов (супрессоров) в контрольных линиях управления позволяет значительно снизить влияние грозовых перенапряжений на элементы схемы управления скважинными насосами. Применение блока варисторов исключает выход из строя электродвигателей скважинных насосов.

В цепях управления можно не допустить атмосферных перенапряжений, если эти цепи выполнять в экранированной оболочке или в металлических трубах с обязательным заземлением экрана или металлических труб.

При соблюдении вышеперечисленных мер по ограничению грозовых перенапряжений можно значительно сократить потери, связанные с выходом из строя и последующим ремонтом скважинных насосов сельского водоснабжения и их систем управления.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Попов Н.М. Управление насосами в системах сельскохозяйственного водоснабжения / Н.М. Попов, Д.В.Матицин // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 6-й Международной научно-технической конференции (13-14 мая 2008, Москва). - М.: ГНУ ВИЭСХ. – 2008. – Часть 3. - С. 247-252.
  2. Супроненко Н.Н. Универсальная станция управления и защиты электронасосов водоподачи. / Н.Н. Супроненко, Б.Н. Муханов, О.В. Критченкова и др. // Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 3. - С. 68-70.
  3. Микуцкий Г.В. Высокочастотная связь по линиям электропередачи. / Микуцкий Г.В., Скитальцев В.С. – М.: Энергия. – 1987. – С. 189.
  4. Супроненко Н.Н. Устройство для автоматического управления скважинным электронасосом. / Н.Н. Супроненко, А.Б. Щеголева // Инновации в сельском хозяйстве. Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства. - М. - 2017. - № 2 (23). - С. 111-115.
  5. Протокол № 09-05-15 приемочных испытаний устройства управления скважинным насосом с защитой погружного электродвигателя от аварийных режимов работы. Климовск.- 2015. - С. 25.
  6. Патент на полезную модель 169223 Российская Федерация, МПК H02H 7/08. Устройство автоматического управления электродвигателем погружного насоса. / Новиков В. М, Супроненко Н. Н., Критченкова О. В. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБНУ Смоленский НИИСХ; № 2016135124 заявл. 29.08.2016; опубл. 13.03.2017. Бюл. № 8.
  7. Патент на полезную модель 151016 Российская Федерация, МПК F04D 15/00. Устройство для автоматического управления электронасосным агрегатом по уровню и давлению воды в водонапорной башне. / Супроненко Н. Н., Критченкова О. В., Щеголева А. Б.; заявитель и патентообладатель ГНУ Смоленский НИИСХ; № 2014116529, заявл. 23.04.2014; опубл. 20.03. 2015. Бюл. № 8.
  8. Правила устройства электроустановок: утверждены Приказом Минэнерго России № 187 от 20.05.2003 / Министерство энергетики Российской Федерации. - 7-е издание. - Раздел 2. - 2007. - С. 9.
  9. Cупрессоры. Технические характеристики. [Электронный ресурс] - URL: https://datasheetspdf.com/pdf/957154/STMicroelectronics/1.5KE22CA. (дата обращения 03.07.2018).
  10. Правила технической эксплуатации электроустановок: утверждены Приказом Минэнерго России № 6 от 13.01.2003. - М.: Энергосервис. - 2003. Глава 2.8. - С. 58.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Popov N.M. Upravlenie nasosami v sistemah sel'skohozyajstvennogo vodosnabzheniya. [Pump control in agricultural water supply systems] / N.M. Popov, D.V. Matitcin // Energoobespechenie i ehnergosberezhenie v sel'skom hozyajstve. Trudy 6-j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii [Energy supply and conservation in agriculture: Materials VI International scientific-technical conference, 13-14 May 2008, Moscow]. M.: GNU VIESH. - 2008. - Part 3. - P. 247-252. [in Russian]
  2. Supronenko N.N. Universal'naya stanciya upravleniya i zashchity ehlektronasosov vodopodachi. [Universal operate system of electrical water pump] / N.N. Supronenko, B.N. Muhanov, O.V. Kritchenkova and others // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. [Achievements of science and technology of agroindustrial complex]. – 2011. - № 3. - P. 68-70. [in Russian]
  3. Mikutcky G.V. Vysokochastotnaya svyaz' po liniyam ehlektroperedachi. [High-frequency communication by power lines] / G.V. Mikutcky, V.S. Skitalchev - M: Energy. – 1987. – P. 189. [in Russian]
  4. Supronenko N.N. Ustrojstvo dlya avtomaticheskogo upravleniya skvazhinnym ehlektronasosom. [Device for automatic control of downhole electric pump] / N.N. Supronenko, A.B. Shchegoleva // Innovacii v sel'skom hozyajstve. Vserossijskij NII ehlektrifikacii sel'skogo hozyajstva [Innovation in agriculture. All-Russian SRI of agricultural electrification]. - 2017. - № 2(23). - P. 111-115. [in Russian]
  5. Protokol № 09-05-15 priemochnyh ispytanij ustrojstva upravleniya skvazhinnym nasosom s zashchitoj pogruzhnogo ehlektrodvigatelya ot avarijnyh rezhimov raboty. [Protocol № 09-05-15 of the acceptance tests of the control device of the downhole pump with protection of the submersible electric motor from emergency modes of operation]. Klimovsk. - 2015. P. 25. [in Russian]
  6. Patent 169223 Russian Federation, MPK H02H 7/08. Ustrojstvo avtomaticheskogo upravleniya ehlektrodvigatelem pogruzhnogo nasosa. [Automatic control device for electric motor of the submersible pump]. / Novikov V.M., Supronenko N.N., Kritchenkova O.V. and others; applicant and patentee FSBSI Smolensk Scientific Research Institute of Agriculture; - № 2016135124 appl. 29.08.2016; publ. 13.03.2017. Bul. № 8. [in Russian]
  7. Patent 151016 Russian Federation, MPK F04D 15/00. Ustrojstvo dlya avtomaticheskogo upravleniya ehlektronasosnym agregatom po urovnyu i davleniyu vody v vodonapornoj bashne. [Device for automatic control of the electric pump unit on the level and pressure of water in the water tower]. / Supronenko N.N., Kritchenkova O.V., Shchegoleva A.B.; applicant and patentee SSI Smolensk Scientific Research Institute of Agriculture; - № 2014116529 appl. 23.04.2014; publ. 20.03.2015. Bul. № 8. [in Russian]
  8. Pravila ustrojstva ehlektroustanovok: utverzhdeny Prikazom Minehnergo Rossii № 187 ot 20.05.2003. [The rules of installation of electrical equipment: approved by Order of the Ministry of energy of Russia № 187 от 20.05.2003] / Ministerstvo ehnergetiki Rossijskoj Federacii. [Ministry of energy of the Russian Federation]. – 7th edition. – Part2. - 2007. - P. 9. [in Russian]
  9. Tekhnicheskie harakteristiki. [Suppressors. Technical characteristics]. [Electronic resource] / Transil. Datasheet. - URL: https://datasheetspdf.com/pdf/957154/STMicroelectronics/1.5KE22CA. (accessed 03.07.2018).
  10. Pravila tekhnicheskoj ehkspluatacii ehlektroustanovok: utverzhdeny Prikazom Minehnergo Rossii № 6 ot 13.01.2003. [The rules of technical operation of electrical equipment: approved by Order of the Ministry of energy of Russia № 187 от 13.01.2003]. – M.: Energoservice. – 2003. – Part 2.8. – P. 58. [in Russian]