Анализ электромагнитной обстановки на подстанциях и метод расчета напряженностей магнитного поля в распределительных устройствах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самарский государственный технический университет

Анализ электромагнитной обстановки на подстанциях и метод расчета напряженностей магнитного поля в распределительных устройствах

Н.В. Сайдова

За последние годы в России темпы внедрения электронной, в первую очередь микропроцессорной, техники на энергетических объектах и в распределительных устройствах промышленных предприятий значительно возросли. Как известно, вся указанная аппаратура должна удовлетворять целому ряду требований устойчивости к электромагнитным помехам, например, указанных в [1]. В то же время состояние систем питания, заземления и молниезащиты на этих объектах зачастую таково, что уровни электромагнитных помех многократно превосходят предельно допустимые уровни устойчивости электронной аппаратуры. Влияние помех на аппаратуру может быть разнообразным: от искажения изображения на мониторах компьютеров и «беспричинных» сбоев цифровой техники до физического повреждения элементов аппаратуры и даже кабелей. При внедрении цифровой аппаратуры защиты, автоматики, управления и сигнализации возникает необходимость обеспечения ее электромагнитной совместимости (ЭМС) с жесткой электромагнитной обстановкой (ЭМО) на реальных объектах.

Обеспечение ЭМС любой электронной аппаратуры достигается комбинацией двух подходов. Во-первых, должна быть гарантирована ее помехоустойчивость при стандартизованных уровнях помех. Во-вторых, должно быть обеспечено соответствие реальной электромагнитной обстановки в месте размещения электронной аппаратуры стандартной ЭМО, в расчете на которую и проводились испытания этой аппаратуры. Знать реальную электромагнитную обстановку на объекте, где может размещаться современная микропроцессорная аппаратура, не менее важно, чем быть уверенным в характеристиках ЭМС применяемой аппаратуры. Поэтому возникает важная задача определения реальной электромагнитной обстановки на электрических станциях и подстанциях.

С этой целью были проведены экспериментальные исследования электромагнитной обстановки на главной понизительной подстанции ГПП 110/10 кВ, заводской подстанции 10/0,4 кВ и подстанции 6/0,4 кВ офисного здания.

Следует отметить, что, например, ГОСТ Р 50839-2000 с позиции устойчивости средств вычислительной техники и информатики (СВТИ) к электромагнитным помехам допускает значения магнитных полей промышленной частоты (по ГОСТ Р 50648-94 или МЭК 1000-4-8-93) при наличии СВТИ, чувствительных к магнитным полям, например, ЭВМ, вычислительных комплексов и систем и т.п., для применения в жилых и коммерческих зонах по классу ЭМО на уровне 3 А/м, а в промышленных зонах, в частности, в распределительных установках с устройствами микропроцессорной релейной защиты по классу ЭМО - на уровне 30 А/м [2].

Для анализа соответствия приведенным условиям были проведены исследования электромагнитных полей в закрытых трансформаторных подстанциях (ТП) автозавода. Исследования электромагнитных полей производились измерителем напряженности поля промышленной частоты (50 Гц) типа П3-50. Поскольку напряженности электрического поля Е оказались незначительными, основное внимание уделялось исследованиям магнитных полей (рис. 1, 2).

Измерения устройством П3-50 проводились на высоте 1 метр от пола и на расстоянии 0,5 метра от распределительного устройства (РУ) ТП с шагом примерно 0,5 метра по периметру РУ ТП.

На рис. 1, 2 показан характер изменения напряженности магнитного поля Н, А/м, по лицевой и тыльной сторонам РУ двухтрансформаторой ТП №33 автозавода с трансформаторами мощностью 2х1600 кВА.

Из приведенных рис. 1, 2 видно, что диапазон изменения напряженности магнитного поля промышленной частоты РУ ТП №33 автозавода составляет 2,2…33 А/м, а наибольшие значения напряженности магнитного поля промышленной частоты соответствуют местам соединений трансформаторов с РУ и с вводами напряжением 10 кВ, что, вероятно, свидетельствует о слабом экранировании этих участков. Учитывая, что ТП №33 является закрытой и в ней отсутствуют чувствительные к магнитным полям электронные устройства, а обслуживание осуществляется временным дежурным персоналом, можно считать уровни электромагнитных полей на ТП №33 в исследованном режиме также допустимыми.

Рис.1. Диаграмма измерения напряженности магнитного поля по лицевой стороне РУ ТП № 33

Рис. 2. Диаграмма измерения напряженности магнитного поля по тыльной стороне РУ ТП №33

Также для анализа соответствия приведенным условиям были проведены исследования электромагнитных полей на главной понизительной подстанции (ГПП) автозавода. Исследования электромагнитных полей производились измерителем напряженности поля промышленной частоты (50 Гц) типа П3-50. В ходе работы объект исследования был разделен на три части: главный щит управления (ГЩУ), закрытое распределительное устройство напряжением 10 кВ (ЗРУ) и трансформаторы напряжением 110 кВ и мощностью 63 МВА. Измерения на ГЩУ проводились на расстоянии 0,5 метра от шкафов с шагом 1 метр. Диапазон изменения напряженности магнитного поля промышленной частоты в процессе измерения составил 0,3…30 А/м, причем наибольшие значения напряженности магнитного поля промышленной частоты соответствуют шкафам с источниками питания оперативного тока. Измерения в ЗРУ 10 кВ ГПП проводились на расстоянии 1 метр от секций с шагом примерно 0,5 метра. Диапазон изменения напряженности магнитного поля промышленной частоты составил 1,4…40 А/м, причем наибольшие значения напряженности магнитного поля промышленной частоты наблюдались на шинах вводов трансформаторов. Измерения напряженности магнитного поля промышленной частоты вокруг трансформаторов напряжением 110 кВ ГПП проводились на расстоянии примерно 2 метра с шагом 0,5 метра. Диапазон изменения напряженности магнитного поля промышленной частоты составил 0,6…6 А/м. Учитывая, что ГПП является закрытой, обслуживается оперативно-дежурным персоналом и соответствует нормам, можно сказать, что уровни электромагнитных полей на ГПП в исследованном режиме являются допустимыми.

При решении проблемы электромагнитной совместимости следует обратить внимание и на особенности электроснабжения многоэтажных офисных зданий. Большое электропотребление многоэтажных офисных зданий вынуждает устанавливать собственные трансформаторные подстанции (ТП) напряжением 6(10)/0,4 кВ с использованием трансформаторов мощностью до 1000 кВА, которые являются дополнительным источником электромагнитных полей.

Как показали экспериментальные исследования, основными источниками электромагнитных полей (ЭМП) офисных зданий являются ячейки вводных распределительных устройств высокого напряжения 6(10) кВ (РУ ТП ВН), например, такие, как показанные на рис. 3, и низкого напряжения 0,4 кВ (РУ ТП НН), показанные на рис. 4, которые устанавливаются, как правило, на первых этажах офисных зданий.

Рис. 3. План расположения оборудования РУ ТП ВН 6кВ (ячеек RM6, кабельных вводов от двух трансформаторов по 1000 кВА (1 этаж)) и точек измерения ЭМП

Рис. 4. План расположения оборудования РУ ТП НН 0,4 кВ и точек измерения ЭМП

Результаты проведенных измерений ЭМП в виде напряженности магнитного поля Н50, А/м, измерителем электрического и магнитного полей промышленной частоты (частота 50 Гц) типа П3-50 от ячеек РУ высокого напряжения (РУ ТП ВН) и низкого напряжения (РУ ТП НН) приведены в табл. 1.

Из представленных в табл. 1 результатов измерений видно, что напряженности магнитного поля промышленной частоты Н50, А/м, от РУ ТП НН значительно выше, чем от РУ ТП ВН, и на указанном расстоянии от ячеек РУ (L = 0,1 м) соответствуют по степени жесткости электромагнитной обстановки (ЭМО) классу 4.

Дополнительно в РУ ТП НН (0,4 кВ) на расстоянии от ячеек L = 0,5 м были проведены исследования ЭМП с применением измерителя электрического и магнитного полей видеотерминалов типа ВЕ-МЕТР-АТ-002 (диапазон частот 5 Гц…400 кГц) совместно с прибором П3-50.

Таблица 1 Результаты измерений электромагнитных полей от ячеек РУ ТП ВН и РУ ТП НН офисных зданий

Исследования ЭМП промышленной частоты (50 Гц) прибором П3-50 по периметру ячеек вводов РУ ТП НН с трансформаторами мощностью 1000 кВА, приведенные в табл. 1 (на рис. 3 точки 6-8), показали, что напряженности электрического поля промышленной частоты Е50 = 3…5 В/м и напряженность магнитного поля Н50 = 0,15 А/м на расстоянии от ячеек L = 0,5 м существенно ниже нормируемых значений.

Однако измерения прибором ВЕ-МЕТР-АТ-002, предназначенным для исследования ЭМП от компьютеров в диапазонах частот 5…2000 Гц (Е1, В/м, В1, мкТл в табл. 1) и в диапазоне частот 2…400 кГц (Е2, В/м, В2, нТл в табл. 1), на расстоянии L = 0,5 метра от ячеек РУ, показали наличие существенных значений напряженности магнитных полей (электромагнитной индукции В1 и В2) в обоих диапазонах, что превышает допустимые нормы при наличии в РУ постоянного обслуживающего персонала, а в ряде случаев может повлиять на помехоустойчивость электронных устройств.

Выше рассмотрены методы, основанные на натурных измерениях. В то же время прямые измерения обычно не могут предоставить достаточной информации об ЭМО на объекте. Непосредственное измерение ЭМО при коротком замыкании (КЗ), молниевом разряде, в силу очевидных причин, не может быть осуществлено на действующих объектах. Поэтому наряду с методами прямых измерений для оценки ЭМО используются методы имитационного моделирования и расчетные методы.

В данной работе приводится метод расчета электромагнитных полей для трехфазной системы проводов. В качестве исходных данных задаются характеристики материала проводника: магнитная проницаемость, удельная электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость, сечение провода, величина тока.

Положение проводников на плоскости, перпендикулярной проводам, для расчета напряженности в контрольной точке целесообразно задавать, совмещая начало системы координат с центром провода фазы А. Тогда расстояния от оси проводов соответствующих фаз А; В; С до расчетной точки с координатами на плоскости () можно вычислить по выражениям

; ; ,

где - расстояние от оси проводов фаз соответственно А; В; С до контрольной точки; - координаты контрольной точки; - координаты центров проводов фаз В и С.

За основу расчета напряженности магнитного поля в пространстве принимаются значения токов в трехфазной сети с учетом их фазового сдвига. Для симметричной трехфазной системы этот фазовый сдвиг составляет, как известно, . электромагнитный трансформаторный поле ток

Тогда комплексные выражения мгновенных (например амплитудных) значений напряженности в контрольной точке, созданных токами в проводах каждой из трех фаз А; В; С, определяются из выражений

; ,

где - комплексные выражения амплитудных значений токов соответственно в фазах А, В, С.

Результирующее мгновенное значение напряженности магнитного поля в комплексном виде в расчетной точке целесообразно вычислять путем сложения комплексных значений напряженностей магнитного поля, создаваемых каждой из трех фаз:

.

Достоинством расчетных методов является то, что с их помощью можно контролировать электромагнитную обстановку уже на стадии проектирования нового объекта.

Для сопоставления с расчетными данными дополнительно в лабораторных условиях были проведены экспериментальные исследования напряженностей магнитного поля с применением прибора П3-50, результаты которых приведены в табл. 2.

Таблица 2 Результирующие значения напряженностей магнитного поля по осям проводов фаз А; В; С на расстоянии R

Для наглядности результаты измерений представлены на рис. 5 в виде графика.

Сравнительный анализ значений напряженностей магнитного поля, полученных экспериментальным методом, показал хорошее совпадение их с расчетными данными. При этом погрешность расхождения расчетных и экспериментальных результатов составила не более 15%.

Рис. 5. График изменения напряженностей магнитного поля , созданных токами фаз А; В; С трехфазной системы в пространстве

Дальнейшие изменения напряженности магнитного поля будут определяться характеристиками диэлектрика или металлического экрана:

,