Размещено на http: //www. allbest. ru/

Московский энергетический институт (технический университет)

Проблемы обеспечения электромагнитной совместимости вторичного оборудования и систем связи на электрических подстанциях

Р.К. Борисов, Ю.В. Жарков, Т.Н. Тарасова

Аннотация

Рассмотрен системный подход к решению проблем обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) вторичного оборудования (систем) на электрических подстанциях, включающий применение помехоустойчивого оборудования, обеспечения благоприятной электромагнитной обстановки и контроль выполнения условий ЭМС для вторичного оборудования на объекте. Дан анализ нормативно-технической базы по ЭМС в электроэнергетике. Предложен новый метод натурного моделирования переходных процессов в первичных цепях и определения импульсных помех. Указаны источники электромагнитных помех на подстанциях. Дан анализ нарушений условий ЭМС и приведены примеры последствий этих нарушений.

Введение

Одними из распространенных и важнейших электроэнергетических объектов являются высоковольтные распределительные и магистральные подстанции. В последние годы в России осуществляется масштабное техперевооружение электрических подстанций. Вводятся в работу системы релейной защиты и автоматики, управления технологическим процессом, коммерческого учета электроэнергии, диспетчерского управления, сбора и передачи информации, связи, видеонаблюдения и охранной сигнализации, выполненные с использованием микропроцессорной элементной базы.

Вторичное оборудование (системы) на протяжении всего срока службы подвергаются электромагнитным воздействиям разного вида, возникающих при коротких замыканиях, переключениях (коммутациях) первичного оборудования, ударах молнии, коммутациях во вторичных цепях, работе высокочастотной связи разного назначения и т.п. Устойчивая и надежная работа современного энергообъекта возможна только при обеспечении условий электромагнитной совместимости (ЭМС). Критерием обеспечения ЭМС являются условия, при которых уровень всех видов электромагнитных воздействий ниже уровня помехоустойчивости вторичного оборудования (системы). электромагнитный совместимость помеха

1. Системный подход к решению проблемы ЭМС

Системный подход к решению проблемы ЭМС на объектах электроэнергетики предусматривает комплекс организационных и технических мероприятий:

- применение на энергообъектах оборудования с высокой помехоустойчивостью;

- разработка и реализация технических мероприятий по обеспечению благоприятной электромагнитной обстановки (ЭМО);

- контроль ЭМО при строительстве (техперево-оружении) и эксплуатации энергообъектов.

1.1 Нормативно-техическая база по ЭМС

Решение проблемы обеспечения ЭМС невозможно без создания соответствующей нормативно-технической базы. В состав действующих нормативных документов по ЭМС, которые применяются в электроэнергетике, входят общероссийские стандарты (ГОСТ), ведомственные документы (РД, СО), стандарты Международной электротехнической комиссии (МЭК), документы СИГРЭ, СИСПР, МККТ.

Нормативными документами, определяющими порядок проектирования, строительства, монтажа и эксплуатации энергообъектов в России, являются «Правила устройства электроустановок» и «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации». Однако в указанных документах вопросы ЭМС практически не отражены.

Основным нормативным документом, который определяет требования по помехоустойчивости ТС, устанавливаемых на электрических станциях и подстанциях является ГОСТ 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5-2001). Реализация требований указанного ГОСТа должна осуществляться в специальных аккредитованных в Госстандарте РФ лабораториях.

Из нормативных документов по обеспечению ЭМС при проектировании энергообъектов в России фактически действуют лишь «Методические указания по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от импульсных помех» (РД 34.20.116-93). Этот документ не отвечает современным требованиям. Разработанный в 2007 году проект стандарта «Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства» для проектировщиков не введен в действие до настоящего времени.

В 2004 году был введен в действие стандарт организации «Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях» (СО 34.35.311.2004). Данный документ предназначен для контроля электромагнитной обстановки (ЭМО)

на электрических станциях и подстанциях. Реализация требований указанного документа на этапе приемо-сдаточных испытаний позволяет решать вопросы ЭМС до ввода объекта в эксплуатацию. Однако некоторые положения данного документа требуют переработки.

В целом состояние нормативно-технической базы по ЭМС в электроэнергетике нельзя признать удовлетворительной.

1.2 Мероприятия по обеспечению благоприятной ЭМО

Создание требуемой ЭМО на электросетевом объекте обеспечивается выполнением комплекса организационных и технических мероприятий.

Организационные мероприятия для объектов нового строительства, комплексной реконструкции, расширения действующих объектов и при замене/установке отдельных устройств:

- принятие технических решений по обеспечению ЭМС в составе проектной документации на стадии проекта;

- применение сертифицированных ТС на помехоустойчивость в соответствии с ГОСТ 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5-2001) и назначением;

- реализация принятых проектных решений в конструкторской, строительной, монтажной и другой документации на стадии разработки рабочей документации;

- авторский надзор за выполнением проектных решений при производстве строительно-монтажных и пуско-наладочных работ;

- проведение приемо-сдаточных испытаний с целью подтверждения достаточности выполненных мероприятий.

Организационные мероприятия для действующих объектов:

- проведение планового (периодического) контроля ЭМО при эксплуатации объекта;

- проведение внепланового контроля ЭМО при возникновении признаков ее ухудшения в межплановый контрольный период;

- выполнение ремонтных работ по устранению выявленных недостатков и не требующих разработки проектной документации;

- разработка при необходимости проектной документации по устранению выявленных недостатков и выполнение работ в соответствии с проектом.

Для создания ЭМО, обеспечивающей выполнение на объекте требований ЭМС, должны быть выполнены основные и дополнительные (при необходимости) технические мероприятия.

К основным техническим мероприятиям относятся технические решения по заземляющему устройству; молниезащите; компоновке объекта (первичного, вторичного оборудования, молниеотводов и др.); кабельной канализации (выбор типа кабельной канализации, трассы, раскладка кабелей в кабельных каналах); определение ЭМО и проверка обеспечения требований ЭМС с использованием

методов и технических средств в соответствии с СО 34.35.311.2004.

Дополнительные технические мероприятия следует выполнить в случае невозможности достижения ЭМО, обеспечивающей требования ЭМС ТС, реализацией только основных технических мероприятий.

К дополнительным техническим мероприятиям относятся технические решения по экранированию помещений, в которых установлены ТС; применению экранированных кабелей для подключения ТС; усилению заземляющего устройства (изменение шага сетки, замена материала заземляющего устройства); ограничение уровня эмиссии помех в источнике их возникновения.

1.3 Контроль ЭМО при строительстве (техпере-вооружении) и эксплуатации энергообъектов

Контроль ЭМО должен выполняться в соответствии с «Методическими указаниями по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях» СО 34.35.311.2004.

Методические указания предназначены для определения ЭМО в местах расположения устройств автоматических и автоматизированных систем технологического управления при проведении пуско-наладочных работ на строящихся энергообъектах и на действующих объектах. Методические указания определяют порядок проведения измерений и расчетов, необходимых для получения количественных данных о наибольших возможных значениях электромагнитных воздействий.

Комплексное сочетание натурных экспериментов с имитацией электромагнитных воздействий и численным анализом полученных результатов позволяет получить данные о наиболее неблагоприятной ЭМО. Результаты измерений и расчетов оформляются в виде соответствующих протоколов. Для реализации положений данного документа разработаны необходимые технические средства и компьютерные программы. Результаты проверки ЭМО отражают в протоколах установленной формы.

1.4 Новый метод определения импульсных помех

В результате переходных процессов при коммутациях силового оборудования и коротких замыканиях на шинах в цепях вторичной коммутации наводятся импульсные высокочастотные помехи, которые могут вызвать повреждение или неправильную работу вторичного оборудования.

Расчетные оценки импульсных помех в цепях вторичной коммутации необходимо проводить на этапе проектирования. Следует, однако, понимать, что такие расчеты, как правило, являются приближенной оценкой. Погрешности в расчетах неизбежны, так как конфигурация первичной сети сложная и не может быть точно воспроизведена в расчетной модели. Неоднороден по вертикали и горизонтали грунт. В расчетной модели всегда применяются определенное эквивалентирование удельных характеристик грунта по вертикали и однородность по горизонтали. Емкости на землю для силового оборудования различного типа могут существенно отличаться от принимаемых усредненных значений или паспортных данных. Фактически их необходимо определять экспериментально. При расчетах наведенных напряжений в цепях вторичной коммутации необходимо учитывать экранирующий эффект от металлоконструкций, близко расположенных кабелей, оболочек, брони и экранов кабелей и т.п., вводя коэффициент ослабления электромагнитного поля. Этот коэффициент на практике может изменяться от единиц до нескольких десятков и даже сотен. Определить реальный коэффициент ослабления можно только экспериментально.

При экспериментальной проверке расчетной модели было установлено, что скорость распространения электромагнитной волны в неоднородной среде воздух-земля зависит от характеристик грунта и конфигурации первичной сети и должна определяться экспериментально, чтобы уменьшить погрешность в определении амплитудно-частотных характеристик импульсных помех.

Наиболее достоверные данные о характеристиках импульсных помех можно получить, проводя их измерения при натурных коммутациях силового оборудования и устраивая искусственные короткие замыкания на землю в первичных цепях. На действующем электросетевом объекте осуществить в полном объеме необходимые коммутации весьма затруднительно. Устроить искусственные короткие замыкания в нужных точках практически невозможно. Для проведения измерений в цепях вторичной коммутации при коммутациях и коротких замыканиях необходимо проводить указанные операции многократно. Это возможно только для отдельных коммутаций. Попытки сделать заключение о возможных уровнях импульсных помех на основании результатов измерений при каких-то отдельных коммутациях разъединителями или выключателями нельзя считать обоснованными. Результаты таких экспериментов могут быть использованы лишь для тестирования расчетной модели.

Наиболее эффективным, позволяющим получать достоверные результаты, является метод натурного моделирования переходных процессов. На этапе приемо-сдаточных испытаний перед постановкой подстанции под напряжение проводятся эксперименты при собранной схеме первичных цепей и при подключенных устройствах РЗ, ПА и АСУ на шины подстанции подается напряжение порядка сотен вольт. При таком напряжении производятся все необходимые коммутации и устраиваются искусственные короткие замыкания на землю. При этом определяются амплитудно-частотные характеристики импульсных токов и напряжений в первичных и вторичных цепях. Эксперименты можно проводить для любых коммутациях и коротких замыканий в любых точках первичных цепей, причем многократно повторяя. Пересчет к реальному напряжению на шинах подстанции производится линейно.

2. Характерные особенности ЭМО действующих энергообъектов

2.1 Источники электромагнитных помех

Наиболее типичными источниками электромагнитных возмущений, которые могут оказывать влияние на вторичное оборудование (системы) являются:

переходные процессы в первичных цепях высокого напряжения при коммутациях силовыми выключателями и разъединителями;

переходные процессы при пробое электрической изоляции (КЗ), срабатывании разрядников или ограничителей перенапряжения в первичных цепях высокого напряжения;

электрические и магнитные поля промышленной частоты от высоковольтных установок;

повышения напряжения при протекании токов КЗ через заземляющие устройства;

переходные процессы, являющиеся следствием ударов молнии.

быстрые переходные процессы, являющиеся следствием коммутаций в низковольтном оборудовании;

электростатические разряды;

поля высокой частоты, создаваемые радиопередающими устройствами (как относящимися, так и не относящимися к электроустановке);

возмущения высокой частоты, создаваемые другими частями рассматриваемой установки и передаваемые излучением или через гальванические связи;

низкочастотные возмущения, создаваемые источниками питания.

Источником электромагнитных возмущений, который может вызвать сбои в работе электронных и микропроцессорных устройств является также вспомогательное электрооборудование (электроинструмент, сварочные аппараты, осветительные приборы, мощные тяговые механизмы, бытовые электроприборы).

2.2 Примеры нарушений условий ЭМС на энергообъектах

Проведенный нами анализ случаев неправильной работы устройств РЗА показал, что свыше 15% таких случаев можно с уверенностью отнести к проблемам ЭМС. Результаты проведенных обследований показали, что ЭМО на действующих энергообъектах России в целом не может быть признана благоприятной для эксплуатации МП устройств.

Это относится, прежде всего, к воздействию токов и напряжений при коротких замыканиях. Практика эксплуатации показывает, что при коротких замыканиях на шинах распределительных устройств подстанций и станций происходят повреждение кабелей вторичной коммутации и устройств РЗА, а также неправильная работа защиты. Для примера приведем несколько случаев из практики эксплуатации.

При КЗ на шинах 110 кВ п/ст Очаково из-за неправильного действия защиты происходит отключение л. Очаково -- ТЭЦ-25 и блока генераторов на ТЭЦ-25. Из-за КЗ в цепях ТН на панели РЩ отключается АТ-6. Повреждается изоляция в цепях ТТ л. Очаково-ТЭЦ 25.

При КЗ на шинах 110 кВ п/ст Новгородская происходит отключение нескольких линий, в том числе и на п/ст Чудово и Юго-Западная. Отключается вводной автомат АБ и повреждаются блоки питания ВЧ-постов, катушки контакторов соленоидов включения выключателей и другие устройства РЗА.

При КЗ на шинах 110 кВ п/ст Орехово происходит повреждение кабеля связи и неправильно работает ДЗЛ. Повреждается осциллограф.

При обследовании ЭМО было установлено, что на этих объектах из-за плохого состояния заземляющего устройства не выполняются условия по уровню разности потенциалов на заземляющем устройстве, допустимому для изоляции контрольных кабелей, и по токовой нагрузке на экраны, оболочку и броню кабелей.

При коротких замыканиях и при коммутациях на действующих объектах из-за воздействия импульсных помех имели место случаи повреждения электронных устройств РЗА и неправильная работа защиты.

На п/ст Бакеево повреждается электронное реле при коммутациях разъединителей. На п/ст Гражданская и Карачарово неправильно работает нуль-индикатор.

Измерения на объектах показали, что причиной таких случаев является низкая помехоустойчивость устройств и неправильное выполнение заземляющего устройства.

На отдельных объектах наблюдалось превышение допустимых уровней по магнитным полям промышленной частоты и по полям в радиочастотном диапазоне.

Существующая система постоянного тока на действующих объектах (в особенности больших размеров, как, например, Костромская ГРЭС) не отвечает требованиям ЭМС для МП устройств. Наличие протяженных кабелей в системе постоянного тока создает условия для появления в цепях питания, управления и сигнализации электромагнитных помех, превышающих допустимые уровни.

На действующих объектах имели место случаи неправильной работы МП устройств из-за помех на дискретных входах. Так, например, на ТЭЦ-12 более 2 лет не вводилась в работу МП защита фирмы Сименс из-за ложных срабатываний по дискретным входам.

При возникновении перенапряжений в сети постоянного тока от грозовых явлений, при коротких замыканиях или при коммутации индуктивной нагрузки эти перенапряжения распространяются по всей сети постоянного тока и воздействуют практически на все устройства системы РЗА.

На п/ст Очаково при ударе молнии в молниеотвод из-за появления перенапряжений в сети постоянного тока произошло повреждение устройств РЗА

(УРОВ, ВЧ-пост, осциллограф и др.) и отключение 8 выключателей ПО кВ, 2 выключателей 220 кВ и блока генераторов на ТЭЦ-25.

Молниезащита на энергообъектах проектируется без учета требований ЭМС. На большинстве объектов измерения показали наличие серьезной опасности для МП устройств при ударах молнии в молниеотводы на объекте.

Практически ни на одном из обследованных нами действующих объектов не применяются меры по защите МП устройств от воздействия статического электричества.

На Костромской ГРЭС на пульте управления применяется ковровое синтетическое напольное покрытие. В зимнее время при низкой влажности на двух шагах оператор заряжается до 15 кВ.

Применение вспомогательного электрооборудования (электроинструмента, сварки, бытовых электроприборов) может привести к неправильному функционированию электронных и МП устройств. Так, например, при проведении сварочных работ на ТЭЦ-22 устройство контроля вибрации турбин давало неправильные показания.

Если сопоставить случаи проблем ЭМС и виды источников электромагнитных возмущений, то можно убедиться, что при решении практических проблем ЭМС необходимо рассматривать весь спектр возмущений.

Заключение

1. Проблема ЭМС решается эффективно только в случае строгого выполнения всех трех основных положений системного подхода: применения помехоустойчивого оборудования, разработки и выполнения технических мероприятий по созданию благоприятной ЭМО и контроля ЭМО. Невыполнение хотя бы одного из указанных положений сводит на нет все усилия по обеспечению ЭМС.

2. Комплексное сочетание натурных экспериментов с имитацией электромагнитных воздействий и численным анализом полученных результатов позволяет получить данные об ЭМО на объекте. Результаты измерений и расчетов оформляются в виде соответствующих протоколов. Если в результате проверки были установлены нарушения условий ЭМС, то должны быть разработаны и реализованы мероприятия по их устранению.

3. В целом состояние нормативно-технической базы по ЭМС в электроэнергетике нельзя признать удовлетворительной. Необходимо ввести в действие разработанные проекты стандартов по обеспечению ЭМС при проектировании подстанций.

4. При проектировании и контроле ЭМО необходимо рассматривать весь спектр электромагнитных возмущений, которые могут быть на энергообъекте.

Размещено на Аllbest.ru