К вопросу электромагнитной совместимости и надежности элементов в сетях 0. 4-35 кВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316.91

Я. Э. Еремич, С. А. Пашичева, Ф. Х. Халилов

К ВОПРОСУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ В СЕТЯХ 0.4-35 кВ

Аннотация

Данная работа направлена на разработку рекомендаций по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств на основе электроники за счет ёмкостной, гальванической, индуктивной связи или связи через излучение с другими электрическими цепями и электромагнитными процессами, протекающими на объектах электроэнергетики 0.4-35 кВ.

Ключевые слова:

электромагнитная совместимость, зашита электроники, помехи, электрические цепи.

68

Ya. E. Eremich, S. A. Pashicheva, F. Kh. Khalilov

ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY AND ELEMENTS RELIABILITY OF 0.4-35 kv ELECTRICAL NETWORKS

Abstract

The article aims to develop recommendations for the electromagnetic compatibility

of technical means on the basis of electronics due to capacitive, galvanic, inductive

coupling or connection through radiation from other electrical circuits

and electromagnetic processes occurring at 0.4-35 kV electric power facilities.

Keywords:

electromagnetic compatibility, electronics protection, interference, electrical circuits.

Введение. Ранее распространённые системы релейной защиты и автоматики (РЗА), противоаварийной автоматики (ПА), телемеханики и управления на основе электромеханической элементной базы обладали высоким запасом электрической прочности изоляции и относительно низким быстродействием. Вследствие этого импульсные помехи не предоставляли для них той опасности, как это имеет место в случае использования электронных технических средств (ТС).

Технические средства на основе электроники, ввиду высокого быстродействия, низких уровней рабочих сигналов, широкополосности трактов передачи данных, имеют повышенную чувствительность к помехам.

Основным мероприятием по обеспечению ЭМС является грамотная компоновка электрооборудования и электрических цепей на территории энергообъектов, что требует чёткого представления о механизмах влияния электрических цепей друг на друга.

В тех случаях когда ЭМС не обеспечивается только компоновочными решениями, применяются вспомогательные мероприятия, а именно: экранирование ТС и их цепей, выбор и расстановка в проблемных местах устройств защиты от импульсных помех (УЗИП).

Источники электрических помех на объектах электроэнергетики. Источниками электрических помех являются:

• молниевые разряды вследствие протекания больших импульсных токов в протяжённых каналах разряда, а в случае прямого удара в молниеприёмник объекта — протекание токов в металлоконструкциях и заземляющем устройстве (ЗУ), сопровождающиеся всплеском электромагнитных полей и появлением больших разностей потенциалов на ЗУ;

• сети электроснабжения, генерирующие в режимах коротких замыканий (КЗ) сильные электрические и магнитные поля, а токи КЗ протекающие в ЗУ создают опасные разности потенциалов на территории объекта;

• электрооборудование, не оснащённое средствами уменьшения пусковых токов и подавления перенапряжений при его отключении вследствие генерации индуктивными элементами (катушками соленоидов, контакторов, реле, газоразрядных ламп и т. п.) ЭДС самоиндукции больших уровней;

• статическое электричество, создающее высокие потенциалы, опасные для изоляции ТС; токи, сопровождающие разряды статического электричества, способны трансформироваться во внутренние цепи ТС, вызывая сбои в их работе и даже повреждения;

• радиопередатчики и все электрические цепи в момент переходных процессов вследствие излучения ими высокочастотных электромагнитных полей.

Проявление электрических помех. В общем случае энергия от источника помехи в той или иной мере передаётся во все рядом расположенные электрические цепи и далее на входы ТС.

ЭМС нарушается, если индуцированные источником помехи токи, напряжения, электрические, магнитные или электромагнитные поля способны нарушить нормальное функционирование рассматриваемой цепи или ТС. В некоторых случаях источники помех через создаваемые ими магнитные поля, проникая непосредственно в ТС, наводят помехи во внутренних низковольтных цепях ТС, вызывая сбои в работе и повреждение ТС.

В подавляющем большинстве систем измерения и управления используется двухпроводная схема передачи электрического сигнала от источника к приёмнику. Линии связи с передачей информации в виде разности потенциалов на проводах лучшим образом защищены от влияния внешних электрических цепей.

При анализе воздействия источника помехи на линию связи необходимо рассматривать одновременно следующие электрические цепи: два контура вида «провод — земля» и один контур вида «провод — провод» (рис. 1).

С учётом наводок напряжений на линии связи принято различать следующие виды помех:

• помеха нормального вида (поперечная, дифференциальная, вида «провод — провод») — напряжение помехи данного вида действует между проводами электрической линии и поступает на вход ТС подобно рабочему сигналу, вызывая сбои в работе ТС;

• помеха общего вида (синфазная, несимметричная, продольная, вида «провод — земля»). Помехи данного вида создают напряжение, прикладываемое между проводом линии и землёй. В первую очередь такие помехи опасны для изоляции проводов линий и входных цепей ТС. При определённых условиях помехи данного вида способны трансформироваться в помехи нормального вида.

Га /

Г

ттг тг /

Рис. 1. Проявление гальванической связи цепей через ЗУ

Гальваническая (кондуктивная) связь электрических цепей.

Гальваническая связь цепей имеет место, если цепь источника помехи и анализируемая цепь связаны общим сопротивлением. Чаще всего в качестве

общего элемента двух цепей выступает ЗУ. Протекание по ЗУ больших токов при ударах молнии или коротких замыканиях в сети электроснабжения сопровождается возникновением разности потенциалов на ЗУ. Разность потенциалов на ЗУ может передаваться в другие электрические цепи в случае их гальванической связи.

Например (рис. 1), при КЗ в электроустановке по ЗУ с сопротивлением 2зу протекает большой ток 1кз, создавая разность потенциалов Аизу в системе заземления. Эта разность потенциалов проявляется в виде синфазной помехи ип з в слаботочной вторичной цепи ТС с рабочим сигналом иа .

Падение напряжения на ЗУ, приводящее к появлению помехи вида «провод — земля» определяется следующим выражением:

<нк

аЬ

При протекании по ЗУ тока промышленной частоты 50 Гц индуктивная составляющая сопротивления ЗУ проявляется слабо. Например, при протекании по ЗУ тока промышленной частоты 50 Гц с действующим значением 1кз = 25 кА падение напряжения на активной составляющей 1 погонного метра стального стержня диаметром 10 мм составит по амплитуде:

Погонная индуктивность круглого проводника мало зависит от его сечения и в первом приближении может быть принята равной Ь

уд

1мкГн/м. Соответственно, падение напряжения на индуктивной составляющей метрового стержня составит:

АО, = 1уА*Щ^ = Ьрл*((й*113т/2)= 1*10-® *3,14*25*10Е* 1.41 = 11 В.

Однако при протекании по ЗУ быстроизменяющегося тока молнии индуктивность проводников вносит наибольший вклад в создание разности потенциалов.

Например, скорость изменения тока молнии амплитудой 25 кА на фронте длительностью 10 мкс составляет:

Л/,

А

м

дГ

25*10а

10 #ю-в

А

2.5* 109 —. с

Падение напряжения от протекания тока молнии на 1 м такого проводника достигает:

следовательно, разность потенциалов на ЗУ при растекании тока молнии может достигать сотен киловольт.

Для снижения наводок напряжения в цепях вторичной коммутации гальванически связанных с ЗУ, необходим расчет ЗУ.

Индуктивная связь цепей. Воздействие электрических цепей друг на друга посредством магнитного поля называется индуктивной связью. В качестве источника помехи, как правило, выступает цепь с большим или быстро изменяющимся током.

Рисунок 2 иллюстрирует индуктивную связь молниеприёмника с трактом измерения напряжения электроустановки.

Как известно, вокруг любого проводника с током I возникает магнитное поле, напряжённость Н и индукция В которого на удалении от оси проводника г определяются выражениями:

Н = —; Б = ц* 2ш

Цс * И,

где ц, цо — относительная и абсолютная проницаемость окружающей среды.

Рис. 2. Проявление индуктивной связи цепей Магнитный поток, пронизывающий некий электрический контур площадью наводит в нем ЭДС в соответствии с выражением:

еШ и 5— = 5 ж -——. а1 ¿пгаЬ

Следует обратить внимание, что индуцируемая ЭДС определяется не столько током, создающим магнитное поле, сколько скоростью изменения тока. Например, импульсный ток с очень крутыми фронтами и спадами индуцирует ЭДС, стремящуюся в бесконечность:

Следовательно, с позиций ЭМС недопустима прокладка в одном кабеле слаботочных цепей и цепей с быстро изменяющимся током, например цепей управления. С другой стороны, индуцируемая в контуре ЭДС пропорциональна его площади. Следовательно, необходимо всячески избегать образования

слаботочными цепями контуров большой площади. Из этих соображений категорически недопустимо использовать в качестве прямого и обратного проводов цепи жилы из разных контрольных кабелей.

Непосредственно для самих ТС как аппаратов опасность представляет напряжённость магнитного поля в районе их расположения. Например, напряжённость магнитного поля на удалении 30 м от молниеприёмника с током 100 кА достигает значения порядка:

что может быть неприемлемо для многих ТС. Обратим внимание на то обстоятельство, что напряжённость магнитного поля изменяется по обратно пропорциональной зависимости: резко уменьшаясь с удалением от проводника с током и достигая очень больших значений непосредственно вблизи проводника.

По этой причине основным мероприятием борьбы с влияниями через магнитное поле является удаление слаботочных цепей из зоны проводников с большим и быстро изменяющимся током.

В качестве вспомогательных мероприятий по уменьшению влияния через магнитное поле является применение магнитных экранов.

Для экранирования низкочастотных полей менее 4 кГц эффективны лишь магнитостатические экраны. Такие экраны, выполненные из достаточно толстых ферромагнитных элементов (например стальные трубы, шкафы и т. п.), концентрируя в себе силовые линии возмущающего магнитного поля, уменьшают поле в области защищаемых цепей. В высокочастотных полях магнитостатические экраны теряют свою эффективность, в частности, из-за «скин-эффекта» и насыщения.

В области высокочастотных полей эффективное экранирование обеспечивают экраны из хорошо проводящих материалов (медь, алюминий). Экранирующие свойства таких экранов обусловлено вихревыми токами, которые создают встречно направленное магнитное поле, компенсирующее порождённое их возмущающее поле. Наиболее эффективную защиту обеспечивает экран, заземляемый на обоих концах слаботочной линии. Эффективное экранирование обеспечивает прокладка кабелей в грунте.

Ёмкостная связь цепей отражает передачу энергии из одной цепи в другую посредством электрического поля. В качестве источника помехи, как правило, выступает цепь с большим электрическим зарядом или с высоким потенциалом. Рисунок 3 иллюстрирует ёмкостную связь проводника с потенциалом Еп с чувствительной цепью.

Рис. 3. Проявление ёмкостной связи электрических цепей

Напряжение на проводе чувствительной цепи ип з определяется потенциалом цепи помехи Еп и характеристиками делителя напряжения, образованного эквивалентным сопротивлением между проводами взаимодействующих цепей и сопротивлением провода чувствительной цепи относительно земли:

Коэффициент деления К в общем случае является комплексной величиной. В случае, если сопротивление провода чувствительной цепи относительно земли носит ёмкостной характер, то коэффициент деления будет вещественным, однозначно меньшим 1 и независимым от частоты:

В случае если связи провода чувствительной цепи с землёй носит характер активного сопротивления, то коэффициент деления будет комплексной величиной, а его модуль будет стремиться к 1 с увеличением частоты возмущающего воздействия:

К =

1 +]<й *яа.3*сп.п'

к =< 1.

Если связь провода чувствительной цепи с землёй носит индуктивный характер, то коэффициент деления при резонансе будет стремиться к бесконечности:

К =

* * Сп_п 1 - о)2 * * Сп

1^4 и,щш4Аеп-*«*ч1-п-Я

Следовательно, с позиции ЭМС ёмкостная связь электрических цепей является непредсказуемой, а в случае резонансных явлений может быть весьма опасной даже с удалением цепей друг от друга.

Эффективным мероприятием по устранению ёмкостной связи цепей является размещение между ними заземлённого электростатического экрана, который перехватывает и замыкает на землю силовые линии электрического поля, тем самым защищая чувствительную цепь от его воздействия. Эффективную защиту от электрических полей обеспечивают заземлённые экраны из любого, даже не очень хорошо проводящего, материала, например из меди, алюминия, свинца, стали. Роль электростатического экрана способен выполнять даже отдельный заземлённый проводник, расположенный между взаимодействующими цепями, благодаря тому, что концентрирует на себе силовые линии возмущающего электрического поля.

Воздействие электромагнитным излучением. В пределах так называемой зоны ближнего влияния протяжённостью, соизмеримой с длиной волны колебаний, источник помехи воздействует на чувствительную цепь за счёт явно выраженного магнитного или электрического полей.

На расстояниях больше длины волны электромагнитных колебаний, в так называемой дальней зоне взаимодействия, т. е. при выполнении условий:

г > - е//,

где с = 3-108 м/с — скорость света; / — частота тока в цепи помехи, Гц, воздействие осуществляется через электромагнитное поле.

Интенсивность воздействия электромагнитного поля на цепь помехи зависит от ряда факторов, в частности, от геометрических размеров проводников цепи и их соизмеримости с длиной волны поля.

В области радиочастотного диапазона интенсивность воздействия оценивается через напряжённость электрического поля Е, связанную с ЭИМ (эффективной излучаемой мощностью) с помощью нижеследующего выражения (согласно МЭК 61000-2-3):

Ниже приведены сведения о необходимой удалённости источников радиочастотного излучения от ТС, чтобы напряжённость поля не превышала предельное значение для ТС, а именно: Е = 10 В/м:

• радиостанция ДВ-диапазона с ЭИМ порядка 2500 кВт — более 1100 м;

• радиостанция СВ-диапазона с ЭИМ порядка 800 кВт — более 600 м;

• радиостанция КВ-диапазона с ЭИМ порядка 10 кВ — более 10 м;

• телевидение МВ-диапазона с ЭИМ порядка 320 кВт — более 400 м;

• телевидение ДМВ-диапазона с ЭИМ порядка 500 кВт — более 500 м;

• радарные установки с ЭИМ порядка 10000 кВт — более 2200 м;

• мобильные средства связи с ЭИМ порядка 130 Вт — более 8 м;

• сотовые телефоны и радиостанции с ЭИМ до 5 Вт — более 1.5 м.

Следует отметить, что стены или перекрытия зданий и металлические

шкафы существенно ослабляют действие электромагнитного поля.

Статическое электричество. Разряд статического электричества на слаботочную цепь представляет опасность как вследствие попадания в слаботочную цепь высокого потенциала, так и вследствие протекания импульсного тока с коротким (наносекундным) фронтом, что в конечном итоге может вызвать сбой в работе или повреждение ТС.

Выводы

1. Рекомендации по уменьшению гальванических связей цепей.

Следует стремиться.

• К предельно возможному уменьшению общего сопротивления гальванически связанных цепей. Например, уменьшению гальванических наводок на слаботочные цепи через ЗУ способствует снижение сопротивления ЗУ в створе прохождения кабельных трасс. Рекомендуется прокладка кабелей вдоль заземлённых металлоконструкций большого сечения и прокладка вдоль кабельной трассы дополнительных горизонтальных заземляющих проводников.

• К предельно возможному уменьшению индуктивной составляющей общего сопротивления цепей. Снижению индуктивного сопротивления проводника способствует увеличение соотношения между шириной проводника и его длиной. Уменьшению индуктивности ЗУ способствует сетчатое расположение уравнивающих проводников.

• К такому расположению молниеприёмников относительно горизонтальных проводников ЗУ, чтобы исключалось растекание токов молнии в створе прокладки кабельных трасс. Молниеприёмники целесообразно располагать по периферии площадки объекта, вдали от кабельных трасс. Уменьшению гальванической связи через ЗУ способствует применение тросовых и сетчатых молниеприёмников с удалением их молниеспусков из зоны кабельных трасс. Не допускается сближение кабельных трасс с молниеприёмниками менее чем на 10 м [ГОСТ 30804-2013].

2. Рекомендации по уменьшению индуктивных связей цепей.

• Следует стремиться к удалению чувствительных цепей и ТС из зоны цепей с большими или быстроизменяющимися токами. В частности, следует избегать прокладку контрольных кабелей вблизи молниеприёмников и проводников ЗУ, обтекаемых большими токами.

• Уменьшению наводок индуктивного происхождения способствует максимальное уменьшение площадей, занимаемых в пространстве как защищаемой слаботочной цепью, так и цепью, создающей возмущающее магнитное поле. Категорически недопустимо использовать в качестве прямого и обратного проводов электрической цепи жилы, принадлежащие разным контрольным кабелям.

• Для чувствительных электрических цепей при необходимости следует применять экранированные кабели, а их ТС располагать в металлических шкафах. Кабели с чувствительными цепями желательно прокладывать в грунте, как можно ближе к поверхности грунта или вдоль заземлённых металлоконструкций.

• Уменьшению наводок от индуктивных связей способствует применение симметричных проводных линий и кабелей с витыми парами жил.

• По возможности следует применять оптоволоконные линии связи.

3. Рекомендации по уменьшению ёмкостных связей цепей.

• Следует стремиться удалять чувствительные цепи из зоны высоковольтных цепей.

• Эффективную защиту чувствительных электрических цепей от внешних электрических полей обеспечивает применение заземлённых экранированных или бронированных кабелей, прокладка кабелей в заземлённых металлических лотках и под слоем грунта.

4. Рекомендации по уменьшению воздействия излучением.

• Технические средства должны размещаться в зонах с допустимым значением напряжённости электромагнитного поля.

• При необходимости ТС должны размещаться в специальных металлических шкафах, обеспечивающих должное экранирование полей известной частоты.

• Для исключения влияния на ТС электромагнитного излучения мобильных источников (сотовые телефоны, переносные радиостанции) необходимо предусматривать организационные мероприятия, ограничивающие их использование вблизи чувствительных ТС.

5. Рекомендации по уменьшению воздействий электростатики.

• В помещениях с ТС следует использовать антистатические напольные покрытия и размещать под ними сетки заземляющих проводников для уравнивания потенциалов.

• Одежда персонала не должна быть из синтетических тканей.

• В помещениях с ТС следует поддерживать нормальную влажность воздуха, особенно в зимнее время.

• При работе с ТС необходимо использовать антистатические браслеты.

Литература

1. Защита сетей 6 ^35 кВ от перенапряжений / под ред. Ф. Х. Халилова, Г. А. Евдокунина, А. И. Таджибаевой. СПб.: Энергоатомиздат, СПО, 2002. 259 с.

2. Горюнов А. К., Таджибаев А. И., Халилов Ф. Х. Электромагнитная совместимость в сетях низкого напряжения и меры борьбы с ее нарушениями: учеб. пособие. СПб.: ПЭИПК, 2002.

3. Перенапряжения в сетях 6 ^35 кВ / Ф. А. Гиндулин, В. Г. Гольдштейн, А. А. Дульзон, Ф. Х. Халилов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 192 с.

4. Костенко М. В., Михайлов Ю. А., Халилов Ф. Х. Электромагнитная совместимость: учеб. пособие. Ч. 1. Электроэнергетика. СПб.: СПбГПУ, 1997.

5. Фоминич Э., Костроминов А., Ланно В. Защита элементов электротехники и электроники от воздействия мощных электромагнитных помех // Военно-строит. бюлл. 1992. № 1.

6. СТО Газпром 2-1.11-290-2009 Положение по обеспечению электромагнитной совместимости производственных объектов ОАО «Газпром». М.: ОАО «Газпром», 2009. 29 с.

Сведения об авторах

Еремич Яна Эдвардовна,

аспирант кафедры «Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника»

Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого

Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

Эл. почта: [email protected]

Пашичева Светлана Александровна,

аспирант кафедры «Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29 Эл. почта: [email protected]

Халилов Фирудин Халилович,

профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, заслуженный деятель науки и техники, действительный член Академии электротехнических наук, д. т. н.

Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29 Эл. почта: [email protected]