Электромагнитная обстановка на объектах энергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электромагнитная обстановка на объектах энергетики

1. Характеристика энергосистемы как объекта управления

Техника 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.

электромагнитный мощность потеря

ЭМО на объектах энергетики характеризуется следующими параметрами:

1. Искажениями напряжения (искажение синусоиды напряжения, искажение симметрии трехфазного напряжения).

2. Значительными колебаниями и отклонениями напряжения.

3. Ростом потенциалов на элементах заземляющего устройства при КЗ и грозовых разрядах.

4. Наводками на информационные цепи, цепи РЗА и питания при КЗ и грозовом разряде.

5. Импульсными полями при коммутациях силового оборудования.

6. Провалами и выбросами напряжения при авариях и коммутациях мощных потребителей.

7. Высокочастотными полями от мощных полупроводниковых выпрямителей и конверторов, а также различных радиопередатчиков, включая портативные радиостанции.

8. Мощными электрическими и магнитными полями промышленной частоты.



2. Классификация электромагнитной обстановки

В соответствии с [24] 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.

3. Определение электромагнитной обстановки

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.

3.1 Аналитический метод

Дефицит реактивной мощности в сети

При дефиците реактивной мощности в сети возникают отклонения напряжения выше допустимого значения. Вопросы математических методов расчёта изложены в главе 4. В данном разделе рассмотрены вопросы ЭМС, связанные с отклонениями напряжения.

Отклонение напряжения - разность между действительным и номинальным значениями напряжения. Отклонения напряжения на зажимах приборов рабочего освещения в производственных помещениях и общественных зданиях, где требуется значительное зрительное напряжение, допускается в пределах - 2,5 до +5 % от номинального. При снижении напряжения на 10 % световой поток ламп накаливания снижается примерно на 30 %, а при повышении на 10 % срок службы ламп сокращается в 5 раз. По данным [27] увеличение освещенности рабочего места на 10 % приводит к увеличению производительности труда на 14 %. Снижение напряжения и, как следствие, недостаточная освещенность приводят к повышенной утомляемости персонала и к повышению производственного травматизма.

При отклонениях напряжения на выводах асинхронных двигателей изменяется частота вращения ротора, а также значение потерь и потребление реактивной мощности. При снижении напряжения на 10% уменьшается на 19% вращающийся момент. Изменяется также потребляемая активная и реактивная мощности, что приводит к изменению экономических показателей. Согласно [15] в рассматриваемом случае по сравнению с режимом номинального напряжения приведенные затраты изменятся на:

,

где и - приращение значений потребляемой реактивной мощности и активных потерь по сравнению со значениями этих величин при номинальном напряжении;

и - приращение потребляемой реактивной мощности и ущерб, связанные с изменением скорости вращения;

- стоимость 1 кВт./ч электроэнергии;

- дополнительные затраты, связанные с уменьшением срока службы изоляции;.

- стоимость 1квар реактивной мощности.

Потери активной мощности в полностью загруженных двигателях, работающих с постоянным моментом сопротивления, возрастают при снижении напряжения вследствие увеличения тока, потребляемого из сети. Зависимость увеличения потерь активной мощности и реактивной мощности , АД от напряжения при различных коэффициентах загрузки показаны соответственно на рис. 1 и рис. 2.

Рис. 1 Увеличение потерь активной мощности при отклонении напряжения

Рис. 2 Увеличение потерь реактивной мощности при отклонении напряжения

Отклонение напряжения выше допустимых значений отрицательно сказывается на работе синхронных двигателей: при снижении напряжения снижается запас статической устойчивости двигателя; при увеличении напряжения снижается потребляемая реактивная мощность. При снижении напряжения для двигателей с ОКЗ 1,25 происходит увеличение потребляемой реактивной мощности, а при ОКЗ 1,25 - уменьшение.

Отклонение напряжения влияет также на работу управляемых вентильных преобразователей. При повышении напряжения угол регулирования автоматически увеличивается, а при понижении уменьшается. В результате чего при повышении напряжения ухудшается коэффициент мощности. Согласно [15] 1 % повышения напряжения приводит к увеличению реактивной мощности на 1 - 1,5 %.

Отклонения напряжения приводят к снижению производительности электрических установок. Отклонение напряжения в любую сторону приводит к увеличению расхода электроэнергии и снижению производительности. Например, производительность электротермических установок электродного завода П имеет квадратичную зависимость от напряжения:

.

Резкопеременная нагрузка

Развитие электротехнологий обусловливает увеличение энергоемкости промышленных предприятий и концентрацию нагрузок. В частности, растут мощности дуговых электрических печей, являющихся резкопеременной нагрузкой. Набросы и сбросы активной и реактивной мощности приводят к колебаниям напряжения.

Колебания напряжения отрицательно сказываются на зрительном восприятии предметов, деталей, графических изображений и т.д. и, в конечном счете, производительности труда и зрении работников.

Мигание ламп освещения (фликер-эффект) вызывает неприятный психологический эффект, утомление зрения и организма в целом. Наиболее сильное воздействие на глаз человека оказывает мигание света с частотой 3 - 10 Гц, поэтому допустимые колебания напряжения в этом диапазоне минимальны: менее 0,5 % в России, 0,2 - 0,3 % во Франции, США, Японии.

При одинаковых колебаниях напряжения лампы накаливания оказывают большее отрицательное воздействие на зрение, чем газоразрядные лампы. Колебания напряжения более 10 % могут привести к погасанию газоразрядных ламп, и работа в этих условиях окажется невозможной. При колебаниях более 15 % могут отпасть магнитные пускатели и полностью остановиться производство. Глубокие колебания могут также привести к выходу из строя вентильных выпрямителей и батареи конденсаторов.

Глубокие колебания напряжения могут отрицательно влиять и на источники электрической энергии - электрические станции. Колебания напряжения недопустимы для текстильного, бумагодеятельного производства, где предъявляются высокие требования к точности поддержания скорости вращения механизмов, приводом для которых служат асинхронные двигатели. При производстве хлора и каустической соды колебания напряжения с размахом ±5 % вызывают резкое увеличение износа анодов, нарушение технологии производства.

Значительные колебания напряжения приводят к сбоям в работе систем автоматического регулирования, цифровых систем управления, ЭВМ. Колебания напряжения приводят к возникновению всего спектра ВГ. Влияние ВГ на работу устройств РЗА подробно рассмотрено в главе 8.

Несимметричная нагрузка

Одной из причин ухудшения качества электроэнергии в электрических системах является использование во всевозрастающих масштабах несимметричных нагрузок, т.е. таких потребителей электроэнергии симметричное исполнение и режимы работы которых невозможны или нецелесообразны по конструктивным, технологическим или экономическим соображениям. К числу получивших распространение в промышленности и на транспорте мощных несимметричных потребителей следует отнести: железнодорожную тягу, однофазные установки электрошлакового переплава, позволяющие получать металл высокого качества, однофазные индукционные печи, дуговые сталеплавильные печи и т.д.

В данном разделе рассмотрим влияние тяги на ПКЭ в узлах электрической сети.

Нормы качества электроэнергии одновременно являются уровнями электромагнитной совместимости для систем электроснабжения.

Особенностью тяговых нагрузок является то, что эта нагрузка выпрямительная, быстро и непрерывно изменяющаяся во времени и заведомо несимметричная. Эти особенности нагрузки приводят к тому, что в сети кроме симметричных токов основной частоты 50 Гц появляются токи обратной последовательности и токи высших гармоник.

Наличие токов обратной последовательности в сети приводит к нарушению симметрии напряжения, а токов высших гармонических приводит к искажению синусоиды напряжения. Таким образом, наличие железнодорожной тяги приводит к необходимости вести анализ несимметричных режимов при случайном характере нагрузок.

В качестве иллюстрации для электрической сети, питающей тяговую нагрузку участка транссибирской магистрали длиной около 1000 км, приведены значения коэффициента несимметрии (рис. 3.) и коэффициента несинусоидальности (рис. 4).

Из анализа рис 3 следует, что во всех сетях, примыкающих к тяговым подстанциям, коэффициент несимметрии превышает нормально допустимое значение 2 %. Только на п/с 19 он в норме. На п/с 2327 коэффициент несимметрии превышает предельно допустимое значение 4 %.

Коэффициент несинусоидальности в сетях, примыкающих к тяговым п/с, также превышает предельно допустимое значение.

Доминирующими гармониками в искажении напряжения являются пятая и седьмая. Поэтому для снижения величины Ku необходимо прежде всего установить фильтры на эти гармоники.

С увеличением номера тяговой п/с ухудшаются и коэффициент несимметрии, и коэффициент несинусоидальности. Это объясняется тем, что тяговые п/с с меньшим номером питаются от более мощной системы, а п/с с большим номером питаются от системы меньшей мощности.



Рис. 3 Значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности (К_2U, %) в сети с тяговой нагрузкой

При несимметрии напряжений в электроэнергетических системах возникает ряд нежелательных явлений, ухудшающих технические и экономические показатели работы оборудования: дополнительный нагрев оборудования и, как следствие, ускоренный износ его изоляции, ухудшение режима напряжения на зажимах приемников, неправильная работа устройств защиты и автоматики и т.д. [15,16]. Неблагоприятным оказывается воздействие несимметрии на работу асинхронных двигателей (АД).

Рис. 4 Значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Кu (%) в сети с тяговой нагрузкой

В соответствии с [15] потери, обусловленные несимметрией напряжения, определяются выражением

,



где - номинальные потери в меди статора двигателя;

- кратность пускового тока.

Расчёты показывают, что при работе электродвигателя с номинальным вращающим моментом при несимметрии срок службы изоляции сокращается примерно в 2 раза.

При несимметрии возникает тормозной электромагнитный момент. В АД уменьшение полезного момента пропорционально квадрату коэффициента несимметрии:

,

где - сопротивления прямой и обратной последовательностей двигателя.

Учитывая, что , уменьшением электромагнитного момента практических расчетов можно пренебречь.

Несимметрия напряжений на выводах синхронного генератора приводит к дополнительному нагреву и повышенной вибрации генератора. В несимметричном режиме возникает поле обратной последовательности, которое вращается с синхронной скоростью в сторону, противоположную вращению ротора. Поэтому обмотка ротора и все его элементы пересекаются полем обратного вращения и во всех элементах ротора, включая обмотку; наводятся ЭДС с частотой 100 Гц. Возникающие при этом токи двойной частоты приводят к дополнительному нагреву ротора и синхронной машины в целом. Допустимость несимметричных режимов определяется допустимой температурой для данного класса изоляции ротора и статора генератора [15, 16].

В несимметричном режиме наряду с нагревом синхронных машин могут возникнуть опасные вибрации. Они возникают в результате появления знакопеременных вращающих моментов на валу машин, так как в несимметричном режиме электромагнитный момент не остается неизменным, а пульсирует с частотой 100 Гц.

В соответствии с [15, 16] дополнительные потери активной мощности, обусловленные несимметрией, определяются выражением

,

где - потери при токе обратной последовательности, равном номинальному. Если дополнительные потери выразить через коэффициент нессимметрии по напряжению, то с учетом

,

Получим

,

где - сопротивление обратной последовательности синхронной машины.

Работа трансформаторов в несимметричных режимах приводит к увеличению потерь, определяемых следующим выражением:



,

где - соответственно потери хх и КЗ трансформатора;

- напряжение КЗ в относительных единицах.

Первое слагаемое в рассматриваемом выражении значительно меньше второго и поэтому для упрощенных расчетов можно принять .

Несимметрия напряжений значительно ухудшает режимы работы многофазных вентильных выпрямителей. В результате различия напряжения по фазам увеличивается пульсация выпрямленного напряжения. Значительное отрицательное влияние несимметрии может сказываться на работе системы импульсно-фазового управления тиристорными преобразователями.

Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются реактивной мощностью, что приводит к неполному использованию батарей конденсаторов. При этом проявляется эффект усиления уже существующей несимметрии, так как выдача реактивной мощности в сеть в фазе с меньшим напряжением будет меньше.

При несимметричной загрузке фаз линий электропередач возникают дополнительные потери, пропорциональные квадрату тока обратной последовательности. Заметного влияния эти потери на работу воздушных линий электропередач не оказывают. Для трансформаторов это влияние является значительным. Согласно [15] при номинальной нагрузке трансформатора и срок службы изоляции сокращается на 16 %.

Несимметрия напряжений значительно влияет и на работу однофазных потребителей. Если фазные напряжения неодинаковы, то, например, сокращается срок службы ламп накаливания, включенных на фазы с повышенным напряжением.

Нелинейная нагрузка

Современные электротехнические системы характеризуются широким использованием силовой полупроводниковой преобразовательной техники. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения питающей сети и возникают несинусоидальные режимы, действие которых распространяется по всей электрической сети. В главе 4 изложена методика расчета несинусоидальных режимов.

В табл. 7.4 приведены результаты расчётов и измерений ПКЭ в электрической сети со значительной долей выпрямительной нагрузки (алюминиевые заводы).

В непосредственной близости от завода (узлы 9 - 16) коэффициенты гармонических составляющих (K_u(n)) и искажения синусоидальности (К_ui) превышают нормально допустимые значения, а в узлах 11, 15 превышают предельно допустимые значения.

Коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях с нелинейной нагрузкой

№ п/с	№ узла	Кu, кВ	Ku(n), кв	Кu в %	Ku(n), %
			5	7	11	3	23	25		5	7	11	3	23	25
1	2030	0,79	0,27	0,17	0,47	0,49	0,21	0,13	0,33	0,12	0,08	0,21	0,22	0,10	0,0
2	2040	0,53	0,29	0,19	0,09	0,21	0,25	0,21	0,22	0,13	0,09	0,04	0,10	0,11	0,1
3	2050	0,61	0,25	0,17	0,44	0,15	0,2	0,17	0,26	0,11	0,08	0,20	0,07	0,09	0,0
4	2080	0,55	0,28	0,18	0,09	0,21	0,28	0,24	0,23	0,13	0,08	0,04	0,10	0,13	0,1
5	2180	1,36	0,19	0,17	1,33	0,06	0,07	0,08	0,56	0,09	0,08	0,60	0,03	0,03	0,0
6	2200	1,22	0,14	0,14	1,19	0,22	0,07	0,05	0,52	0,06	0,06	0,54	0,10	0,03	0,0
7	2220	0,89	0,13	0,11	0,73	0,47	0,04	0,03	0,39	0,06	0,05	0,33	0,21	0,02	0,0
8	2250	1,9	0,24	0,21	1,77	0,59	0,01	0,01	0,79	0,11	0,10	0,80	0,27	0,00	0,0
9	2280	3,52	1,15	0,75	2,77	1,67	0,01	0,01	1,56	0,52	0,34	1,26	0,76	0,00	0,0
10	2400	5,64	1,29	1,67	4,52	2,57	0,37	0,34	2,33	0,59	0,76	2,05	1,17	0,17	0,1
11	2500	9,65	1,57	2,22	2,6	8,87	0,36	0,4	4	0,71	1,01	1,18	4,03	0,16	0,1
12	2401	2,26	0,96	0,71	1,87	0,43	0,04	0,03	0,97	0,44	0,32	0,85	0,20	0,02	0,0
13	2440	6,58	1,36	1,86	3,18	5,17	0,7	0,83	2,77	0,62	0,85	1,45	2,35	0,32	0,3
14	2460	5,58	1,28	1,66	4,5	2,51	0,36	0,33	2,31	0,58	0,75	2,05	1,14	0,16	0,1
15	2490	9,52	1,55	2,18	2,47	8,77	0,4	0,44	3,95	0,70	0,99	1,12	3,99	0,18	0,2
16	2510	6,23	1,74	-	3,73	2,89	0,01	0,03	2,54	0,79	1,67	1,70	1,31	0,00	0,0
17	2600	1,13	-	-	0,97	0,03	0,01	0,01	0,47	0,25	0,10	0,44	0,01	0,00	0,0
18	2610	0,82	0,22	0,49	0,6	0,07	0,04	0,04	0,35	0,10	0,22	0,27	0,03	0,02	0,0
19	2620	1,15	0,11	1,12	0,24	0,02	0,01	0,02	0,5'	0,05	0,51	0,11	0,01	0,00	0,0
20	2640	0,08	0,02	0,07	0,03	0	0	0	0,04	0,01	0,03	0,01	0,00	0,00	0,0
21	2700	2,28	0,69	0,35	1,85	1,08	0,06	0,06	0,92	0,31	0,16	0,84	0,49	0,03	0,0
22	2710	2,41	0,73	0,41	1,87	1,25	0,1	0,09	0,99	0,33	0,19	0,85	0,57	0,05	0,0

Высшие гармоники (ВГ) напряжения и тока оказывают неблагоприятное влияние на работу электрооборудования: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и других элементах электрических сетей, затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов, сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов, возрастает аварийность в кабельных сетях, появляются сбои в работе систем управления, автоматики и релейной защиты.

Условия работы при несинусоидальных режимах резко ухудшаются, создаются условия для возникновения параллельного и последовательного резонанса. Наиболее вероятно возникновение параллельного резонанса при наличии конденсаторной батареи на шинах. В этом случае частота резонанса [15] приближенно определяется по выражению

,

где - номинальная частота; - мощность кз на шинах; - мощность кб.

Согласно [15, 16] дополнительные потери активной мощности в асинхронных двигателях [АД] определяются выражением



,

где - номинальные потери активной мощности в меди статора,

- напряжение гармоники n в относительных единицах.

К_П - кратность пускового тока.

Возрастают также потери на вихревые токи. В нормальном режиме они невелики и составляют около 5 % от . При наличии ВГ эти потери достигают (3050)% от .

Дополнительные потери приводят к перегреву двигателя. Кроме того, несинусоидальность напряжения приводит к возникновению ионизационных процессов в изоляции и к ее ускоренному старению.

Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работу синхронных машин. Наличие ВГ приводит к появлению полей вращения относительно ротора. Гармоники создают поля вращения, встречные направлению вращения ротора. Гармоники создают поля вращения, совпадающие с вращением ротора. Как те, так и другие поля пересекают ротор и, следовательно, создают дополнительные потери роторе: в обмотке возбуждения, бочке ротора, демпферной обмотке и т.д. Высшие гармоники приводят к увеличению рассеяния магнитных потоков статора, что также приводит к дополнительным потерям.

Точный расчет всех потерь является весьма трудоемким. Принято считать, что для приближенных расчетов потери от токов высших гармоник не превышают потерь от токов обратной последовательности, т.е.



.

Гармоники напряжения вызывают в силовых трансформаторах увеличение потерь на гистерезис, потерь, связанных с вихревыми токами в стали и потерь в обмотках. Суммарные потери от ВГ согласно [15] определяются выражением

.

ВГ нулевой последовательности замыкаются в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к дополнительной загрузке обмоток и к возможной их перегрузке.

Дополнительные потери в конденсаторах согласно [1] определяются выражением

,

где - удельные потери на основной частоте, квт/квар.

Эти потери приводят к дополнительному нагреву конденсаторов и сокращению срока их службы. Перегрузка конденсаторов значительно возрастает при возникновении резонансных явлений. Необходимо следить, чтобы не возникла перегрузка батареи более допустимых значений. В большинстве случаев отечественные конденсаторы допускают перегрузку 30%.

Точный расчет дополнительных потерь в оборудовании сети является весьма трудоемким и не всегда возможен из-за отсутствия необходимой информации об оборудовании. В [15] предлагается упрощенный вариант потерь:

,

где - коэффициент, учитывающий возрастание активного сопротивления вследствие поверхностного эффекта;

- мощность КЗ в месте включения элемента сети.

Несинусоидальные режимы приводят к искажению измерений электрических величин: токов, напряжений, мощности и т.д. Существенным оказывается и влияние на линии связи. При малом уровне ВГ возникают помехи, шумы, при увеличении может теряться часть информации, а в исключительных случаях связь оказывается неработоспособной.

Вопрос влияния ВГ на работу релейной защиты в данном разделе не рассматривается, так как это представляет собой отдельную проблему со специфическими методами анализа и мероприятиями по обеспечению нормальной работы защит.

3.2 Метод натурных испытаний

Методика определения ЭМО по результатам натурных испытаний должна предусматривать проведение измерений, достаточных для получения данных о максимальных уровнях электромагнитных помех, воздействующих на оборудование энергетического объекта (первичное оборудование, средства технологического управления, устройств РЗА и т.д.).

Очевидно, что наиболее тяжёлыми, хотя и редкими с точки зрения воздействия электромагнитных помех на оборудование являются случаи КЗ на «землю» или удар молнии в объект.

Воспроизвести на реальном объекте даже однократно такие случаи не представляется возможным, тем более, что уровень помех во вторичных цепях зависит от места КЗ или удара молнии. Следовательно, наиболее опасные случаи остаются за рамками эксперимента.

При воспроизведении реальных процессов на действующем оборудовании (разъединители, выключатели или другие коммутационные аппараты, включая электромеханические реле) выполняются измерения электромагнитных помех. По результатам таких измерений делается прогноз о возможном уровне максимальных помех и последствий их влияния на оборудование и в первую очередь устройства РЗА, системную автоматику.

К прямым измерениям относится долговременный мониторинг помех. Для этого в контролируемые цепи устанавливаются регистраторы помех, которые фиксируют уровень появляющихся помех в процессе эксплуатации и записывают в память компьютера. Теоретически время мониторинга не ограничено: кратковременный - от нескольких часов до нескольких суток, средней длительности - месяцы. Если за период измерения не зафиксировано протекание токов КЗ или токов грозовых разрядов по заземляющему контуру, то оценка ЭМО носит предварительный характер.

Оценка параметров заземляющих устройств

Заземляющее устройство (ЗУ) предназначено для создания пути малого сопротивления для токов грозовых разрядов и коротких замыканий на землю.

Реализация заземления с малым переходным сопротивлением, хорошо выровненным потенциалом является залогом улучшения ЭМО на объекте.

Основным параметром, характеризующим заземляющее устройство, является его сопротивление растеканию на промышленной частоте. Для больших заземляющих устройств к нему добавляются сопротивления оснований электроаппаратов относительно опорной точки, для которой измерялось сопротивление растеканию. Другие параметры (шаговое напряжение, напряжение прикосновения) вводятся из соображений электробезопасности персонала.

Экспериментальные методы измерения сопротивления растеканию и сопротивлений оснований основаны на методе «амперметра-вольтметра». При этом часто применяют специальные приборы, представляющие собой, фактически, комбинацию амперметра, вольтметра и источника тока для прогрузки заземляющего устройства. Рассмотрим подробнее соответствующие методики измерения. Принципиальная схема измерений с помощью специальных приборов приведена на рис.

Измерение сопротивления растеканию. При измерениях токовый и потенциальный электроды следует располагать на территории, свободной от линий электропередачи и подземных коммуникаций. Расстояния от объекта (например, подстанции) до токового и потенциального электродов выбираются в зависимости от размеров заземляющего устройства (ЗУ) и характерных особенностей окружающей территории.

Если ЗУ имеет небольшие размеры, а вокруг него имеется обширная площадь, свободная от линий электропередачи и подземных коммуникаций, то расстояния до электродов выбираются следующим образом:

Здесь - наибольший линейный размер ЗУ, - расстояние от ЗУ до токового и потенциального электродов соответственно.



Рис. 5

Индуцируемое прибором значение и есть искомое сопротивление.

Если ЗУ имеет большие размеры и отсутствует возможность размещения электродов, как указано выше, токовый электрод следует разместить на расстоянии r_эт ? 3D. При этом чтобы сохранить требуемую точность измерений, приходится несколько усложнить их методику. Потенциальный электрод размещается последовательно на расстоянии , причем обязательно на той же линии, что и токовый электрод. Для каждого расположения потенциального электрода измеряется и заносится в таблицу значение сопротивления. Далее строится кривая зависимости значения сопротивления от расстояния от ЗУ до потенциального электрода . Если кривая монотонно возрастает и имеет в средней части горизонтальный участок (как показано на рис. 7.6а), за истинное значение сопротивления принимается значение при . Это означает, что потенциальный электрод находится в зоне нулевого потенциала, практически вне зон влияния ЗУ и токового электрода. Если кривая не монотонная, что является следствием влияния различных коммуникаций (подземных и надземных), помех и т.п., измерения повторяют в другом направлении от ЗУ.

Если кривая сопротивления плавно возрастает, но не имеет горизонтального участка (разница сопротивлений, измеренных при и более, чем на 10 % превышает значение, измеренное при ) и отсутствует возможность перемещения токового электрода на большее расстояние, можно использовать два следующих метода.

Метод 1. Проводятся две серии измерений при и . Кривые наносятся на один график. Точка пересечения кривых принимается за истинное значение сопротивления растеканию ЗУ (рис. 7.6 б).

Метод 2. Отличается тем, что в качестве потенциального и токового электродов используются существующие проводные коммуникации (кабели связи, отключенные ВЛ и т.п.).

Рис. 6 Зависимость измеренного потенциала от расстояния от потенциального электрода до токового: а - при достаточном удалении токового электрода от ЗУ, б - при недостаточном удалении токового электрода от ЗУ, - на расстояние 3D, 2 - на расстояние 2D

При проведении измерений в качестве вспомогательных электродов обычно применяют стальные стержни или трубы диаметром до 50 мм. Стержни должны быть очищены от краски, а в месте присоединения соединительных проводников и от ржавчины. Стержни забиваются или ввинчиваются в грунт на глубину 1,0- 1,5 м. В случае необходимости токовый электрод выполняется из нескольких параллельно соединенных электродов, размещаемых по окружности, с расстоянием между ними 1,0-1,5м. Иногда в качестве токовых и потенциальных зондов используют заземляющие устройства других объектов, а для подачи тока и измерения потенциала используются те или иные существующие цепи.

Измерение сопротивлений оснований. Применяемые методы и приборы - те же, что при измерении сопротивления растеканию. В качестве примера рассмотрим, каким образом производится измерение сопротивлений оснований электроаппаратов на подстанции с открытым распределительным устройством (ОРУ).

Вблизи опорной точки (обычно - трансформатора, имеющего заземленную нейтраль) располагается источник тока промышленной или близкой частоты. Одна клемма генератора подсоединяется к заземленной нейтрали трансформатора. Вторая присоединяется к изолированному многожильному гибкому проводу, прокладываемому под ошиновкой по земле. Для измерения потенциала используется потенциальный зонд, как и при измерении сопротивления растеканию. Наглядная схема соединений показана на рис.7.7.

Рис. 7 Измерение сопротивления основания электроустановки на подстанции: ЗУ - заземляющее устройство, ОПУ - пункт управления, Тр - силовой трансформатор, ТИ - точка измерения, ПЭ - потенциальный электрод, I -источник тока, А - амперметр, V - вольтметр

После включения источника тока промышленной частоты в проложенном от него до точки измерения проводе кратковременно возбуждается значительный ток и производится измерение разности потенциалов между точкой измерения и потенциальным электродом . При известном токе источника тока определяется сопротивление основания

.

Необходимо также выполнить контроль качества электрических связей между элементами заземляющего устройства.

В пределах заземляющего контура выбирается опорная точка. Связь остальных точек с опорной проверяется организацией токовой петли между заземлением проверяемого аппарата (конструкции) и опорной точкой. Измеряется потенциал проверяемой точки относительно удаленной земли (потенциального зонда). Частное от деления потенциала на ток прогрузки представляет собой сопротивление, которое может быть названо сопротивлением основания аппарата (конструкции) относительно опорной точки. Величина меньше 0,1 Ом свидетельствует о наличии хорошей связи с опорной точкой. Величина более 0,1 Ом объясняется дефектами ЗУ (малостью эффективного сечения заземлителей вследствие коррозии или конструктивных недоработок, недостаточным количеством или полным отсутствием металлосвязей). В этом случае должны проводиться мероприятия по улучшению состояния ЗУ.

Протекание токов по заземляющему контуру

Помехи при КЗ на землю в сетях с эффективно заземленной нейтралью. Протекание по заземляющему устройству (ЗУ) значительных токов КЗ в сетях высокого напряжения приводит к возникновению перепадов потенциалов в пределах ЗУ. Средний потенциал ЗУ относительно удаленной земли может превышать 5 кВ. Таким образом, значительные разности потенциалов оказываются приложенными к вторичным кабелям (как проходящим в пределах ЗУ объекта, так и выходящим за его пределы) и соответствующим входам аппаратуры. Кроме того, протекание токов КЗ в силовых ошиновках и по элементам ЗУ создает магнитное поле, амплитуда которого часто составляет сотни А/м. Это поле создает наводки на вторичные кабели в случае их сближения с трассой протекания тока КЗ. В реальности оба фактора часто действуют одновременно, вызывая значительные перенапряжения, опасные для аппаратуры и даже изоляции кабелей [24]. Магнитное поле при КЗ опасно и для самой аппаратуры, если последняя размещается вблизи ошиновок или пути растекания тока КЗ по элементам ЗУ. По результатам измерений [24] установлено, что при кз на подстанциях значения токов, протекающих по заземлённым оболочкам и жилам кабелей цепей вторичной коммутации могут достигать практически полного значения тока короткого замыкания. При этом возможны следующие виды термического воздействия на кабели вторичных цепей.

Повреждение изоляции кабеля. Допустимые по термической стойкости температуры для кабелей в ПВХ-изоляции составляют 150 °С, для кабелей в ПЭ изоляции - 120 С. Установленные по критерию допустимой температуры значения допустимых токов I_доп (кА) для оболочек и жил некоторых кабелей, используемых во вторичных цепях, приведены в табл. 7.5. Согласно этим данным допустимые токи много меньше или сравнимы с токами однофазного КЗ на подстанциях, что и создает угрозу термического воздействия на заземленные оболочки и жилы кабелей вторичных цепей.

Значения допустимых токов

Марка кабеля	Сечение оболочки (жилы), мм	Время воздействия, с
		0,055	0,1	0,5	1,0	1,5
		Допустимый ток, кА
РК-75-9	2,5	0,657	0,574	0,326	0,250	0,255
ААШв	120	21,0	18,4	10,4	8,0	8,17
АВВГ	6	1,05	0,918	0,521	0,4	0,408
АВВГ	10	1,75	1,53	0,868	0,667	0,681



«Взрыв» кабеля. При значениях токов, протекающих по кабелям, много больших допустимых по термической стойкости, когда температура медной оболочки (жилы) кабеля превышает 300 °С, а алюминиевой - 200 С, возможно разрушение оболочки (жилы) кабеля - «взрыв» кабеля.

Выгорание контактов. При большом значении переходного сопротивления контакта заземления оболочки, экрана или жилы кабеля термическое воздействие в случае КЗ сводится к выгоранию контактов. Как правило, выгорание контактов происходит при протекающих по кабелям токах со значениями, меньшими допустимых по термической стойкости.

Перекрытие изоляции между кабелями. Проведенные обследования и расчеты заземляющих устройств показали, что при КЗ на подстанции относительная неэквипотенциальность (отношение падения напряжения по заземляющему устройству к потенциалу заземляющего устройства) достигает 40 %. Таким образом, при однофазном КЗ на контур заземления (общий потенциал заземляющего устройства по нормам не должен превышать 10 кВ) падение напряжения по концам кабеля, отходящего от поврежденного оборудования, может достигать 4 кВ. При этом падение напряжения по кабелям, отходящим от удаленного от места замыкания оборудования, практически отсутствует. Расположение кабелей с нулевым падением напряжения рядом с кабелем, находящимся под напряжением в несколько киловольт, может привести к перекрытию между заземленными оболочками или жилами кабелей.

Коммутационные помехи

Источниками коммутационных помех являются переходные процессы, происходящие в результате коммутации (включения или отключения) элементов электрической сети - линий, трансформатора, и т. д. мощных электродвигателей, электроприводов различных исполнительных механизмов электротранспорта, и даже люминесцентных ламп.

Параметры этого высокочастотного процесса индивидуальны для каждого объекта и, более того, даже для каждой конкретной коммутации. ВЧ-токи и перенапряжения через системы шин распространяются по территории объекта. Они создают электромагнитные поля, способные вызывать наводки во вторичных кабелях и даже во внутренних цепях аппаратуры. Кроме того, проникновение коммутационных помех во вторичные кабели происходит через ТТ, ТН, фильтры присоединения ВЧ-связи и т.п. Особенно серьезна ситуация на компактных элегазовых подстанциях, где высоковольтное оборудование и подверженная влиянию электронная аппаратура размещаются очень близко друг к другу. В большинстве случаев на воздушных подстанциях уровни коммутационных помех во вторичных цепях невелики - порядка нескольких сотен вольт. Такой сравнительно низкий уровень объясняется высокими затуханиями помех «провод-земля» в низкочастотных кабелях энергообъектов. В то же время в высокочастотных кабелях, например в кабелях ВЧ-связи, отмечались помехи амплитудой выше 4 кВ, а амплитуды порядка 1-3 кВ являются типичными.

Следует отметить, что уровни коммутационных помех зависят от множества факторов, среди которых геометрия объекта, тип первичного оборудования, состояние заземляющего устройства, трассы прокладки вторичных цепей и т.п. Так, например, уровни коммутационных помех в цепях собственных нужд объектов не превышают обычно нескольких сот вольт. Однако в процессе измерений на некоторых объектах (внешне ничем не отличающихся от прочих) фиксировались помехи амплитудой более 1 кВ.

Экспериментальное определение импульсных помех в информационных цепях и цепях питания производится с помощью специальных приборов. Это могут быть как регистраторы импульсов (фиксирующие в широком диапазоне частот превышение заданного уровня импульсного сигнала), так и высокочастотные осциллографы, снабженные функцией автоматической записи сигнала. Полоса рабочих частот приборов должна быть как можно более широкой. В нее обязательно должен входить частотный диапазон 10 кГц - 200 МГц.

Регистраторы импульсов обычно намного дешевле и проще в эксплуатации, чем осциллографы. В то же время они позволяют получать лишь ограниченную информацию об амплитуде помех, в то время как осциллограф дает изменение помехи во времени.

Для экспериментального определения импульсных полей применяют приборы, к которым подключаются внешние широкополосные антенны. Связь между прибором и антенной осуществляется с помощью высокочастотного кабеля. Разумеется, должно обеспечиваться согласование высокочастотной цепи.

Все измерительное оборудование должно иметь максимально возможную устойчивость к измеряемым полям и помехам. Это означает, во-первых, достаточную степень экранирования корпуса прибора по высокой частоте. Во-вторых, необходима высокая степень изоляции измерительной схемы от цепей питания и заземления.

В случае, когда источники коммутационных помех известны (например, выключатели и разъединители на подстанции), перед началом измерений выбирают наиболее опасные с точки зрения влияния на информационные кабели и аппаратуру коммутации. Затем подключают приборы к цепям, в которых ожидаются высокие уровни коммутационных помех и проводят коммутационную операцию. После этого анализируют показания приборов, меняют, если необходимо, установки, и повторяют коммутационную операцию. Измерения проводят до тех пор, пока не будет получена полная картина полей и помех. Затем, если нужно, аналогичным образом проверяются другие коммутации.

Такой подход обычно применяют на подстанциях, где основные источники коммутационных помех - выключатели и разъединители - известны заранее, а влияние посторонних источников сведено к минимуму, поскольку подстанция расположена на отдельной охраняемой территории. В других условиях (например, в городской черте вблизи промышленных и энергетических объектов, линий питания электротранспорта и т.п.) некоторые источники коммутационных помех могут остаться незамеченными при первичном осмотре объекта. Поэтому здесь необходимо проводить регистрацию помех в наиболее важных информационных цепях в течение длительного времени (минимум несколько суток, включая будни и выходные). По результатам делаются выводы о наличии опасных помех и их возможных источниках. Такая работа является кропотливой и весьма трудоемкой, зато позволяет с достаточно высокой достоверностью сделать вывод о реальном уровне опасности со стороны импульсных помех.

Импульсные помехи при работе электромеханических устройств

Высокочастотный процесс в ряде случаев сопровождается низкочастотным «всплеском». Проблема помех от электромеханических реле усугубляется ещё тем, что цифровые устройства и эти реле могут располагаться на одной панели рядом. При этом вероятность ложного срабатывания цифровых устройств значительно возрастает.

Постоянно действующие электромагнитные поля

Работа любых силовых электроустановок сопровождается образованием электрических и магнитных полей, частоты которых определяются промышленной частотой 50 Гц и её гармониками. Нужно учитывать, что поскольку длина волны на этих частотах велика, аппаратура и её кабели всегда оказываются в ближней зоне, где электрическое и магнитное поля непосредственно не связаны друг с другом. Поэтому анализ электрического и магнитного полей необходимо проводить отдельно. Если источник поля известен и анализ полей производится в дальней зоне (на расстоянии больше ), то можно ограничиться измерением лишь одной составляющей - электрической или магнитной. Вторая составляющая определяется из соотношения Ом.

Поля радиочастотного диапазона на объектах энергетики - это результат излучения функциональных источников, таких как радио- и телевизионные передатчики различного назначения, радары, микроволновые печи бытового и промышленного назначения. Серьёзную опасность для терминалов микропроцессорных защит представляют радиопереговорные устройства, которые используются персоналом для связи. На расстоянии 2 м от такого устройства напряженность электрического поля может достигать 10 в/м.

Аппаратура и методы измерения описаны в главе 6. В высокочастотной области выполнение измерений затрудняется тем, что длина волны электромагнитного поля становится соизмеримой с размерами объекта, где производятся измерения. При том за счет многократного отражения волн от зданий, сооружений, аппаратуры и т.д. возможно возникновение эффекта типа «стоячих волн» с локальными узлами и пучностями напряженности полей.



Значения напряженностей различных источников

Источник	Частотный диапазон, МГц	Типичное максимальное эффективное значение излучаемой мощности, Вт	Типичное минимальное расстояние, м	Электрическое поле в соответствующей точке, В/м
Радиотрансляция в диапазоне ДВ и в приморской зоне	0,014-0,5	2,5106	2103	5,5
Радиотрансляция в диапазоне СВ	0,2-1,6	800103	500	12,5
Любительские КВ-радиостанции	1,8-30	1103	10	22
КВ-связь, включая радиотрансляцию	1,6-30	10103	1103	0,1
«Гражданский» диапазон	27-28	12	10	2,5
Любительские радиостанции диапазона ОЧВ и УВЧ	50-52 144-146 432-438 1290-1300	8103 8103 8103 8103	10	65
Стационарные и мобильные средства связи	29-40 68-87 146-174 422-432 438-470 860-990	130 130 130 130 130 130	2	40
Портативные телефоны, включая сотовые и радиотелефоны	900-1900	5	0,5	30
Телевидение диапазона МВ (ОЧВ)	48-68 174-230	320103 320103	500	8
Радиотрансляция в диапазоне FM	88-108	100103	250	9
Телевидение диапазона ДМВ (УВЧ)	470-853	500103	500	10
Радарные установки	1000-30000	10106	200	110
Приёмопередатчики (walky-talky)	27-1000	5	0,5	30

Уровни электрических и магнитных полей промышленной частоты существенно зависят от режима работы силового электрооборудования. Особенно высокий уровень магнитных полей наблюдается при коротких замыканиях, связанных с землёй. При кз без земли (трехфазные кз, двухфазные кз) векторная сумма полей от трёх фаз близка к нулю и она тем меньше, чем меньше расстояние между проводами влияющей линии.

При КЗ, связанных с землей (однофазные кз, двухфазные кз на землю), ситуация принципиально иная. Влияние тока, протекающего в земле на поле над поверхностью земли мало, и поэтому поле от провода остаётся не скомпенсированным, а потому значительным.

Существующие стандарты предусматривают возможность испытания аппаратуры на устойчивость к магнитным полям промышленной частоты. При этом предусматривается как испытание на устойчивость к постоянно действующему, так и кратковременному полю. Стандартизованных методов испытания на устойчивость к действию электрических полей промышленной частоты нет. Это связано, вероятно, с тем, что электрическое поле промышленной частоты легко экранируется любым заземленным металлическим корпусом аппаратуры.

Опасность представляют наводки промышленной частоты в информационных кабелях. Хотя коэффициент взаимной индукции обычно мал вследствие малости частоты, высокая напряженность электрического и магнитного полей на энергообъектах обеспечивает значительный уровень наводок.

Непосредственное воздействие низкочастотных электрических и магнитных полей на аппаратуру сравнительно редко приводит к ее отказу или сбою вследствие малости коэффициентов индуктивной связи и, следовательно, малости величин ЭДС, наводимых во внутренних цепях аппаратуры.

Исключением являются, пожалуй, лишь средства отображения информации на основе электронно-лучевой трубки, в первую очередь - мониторы компьютеров. Воздействие значительных магнитных полей часто полностью искажает изображение на мониторе, причем искажения сохраняются еще некоторое время после исчезновения породившего их воздействия (за счет остаточной намагниченности элементов конструкции). В некоторых случаях (например, когда монитор используется для оперативного управления предприятием) такие искажения недопустимы. Нужно также учитывать, что значительные уровни электромагнитных полей вредны для здоровья.

3.3 Расчётно-имитационный метод

Находит широкое распространение метод определения электромагнитной обстановки на энергообъекте, основанный на использовании устройств, позволяющих проводить имитацию реальн...