Технические средства защиты от электромагнитных помех в сетях собственных нужд и оперативного тока энергетических объектов
Современное развитие электроэнергетики характеризуется широким внедрением и распространением на энергетических объектах компьютерной и другой цифровой техники. На электростанциях и подстанциях повсеместно используется вычислительная техника (ВТ), а средства релейной защиты и автоматики (РЗ и А), связи и телемеханики (С и ТМ) все чаще строятся на базе микропроцессорной и электронной техники. В то же время в связи с распространением электронного оборудования обостряется проблема его ЭМС с системой электропитания. С одной стороны, электронная техника отличается повышенной чувствительностью к воздействию электромагнитных помех (ЭМП), а с другой стороны, электростанции и подстанции являются объектами, которые в условиях эксплуатации подвергаются их интенсивному воздействию.
Следует отметить, что еще в 1997 г. в Днепропетровском региональном диспетчерском центре Украины (г. Запорожье) проводилась научно-практическая конференция по эксплуатации и совершенствованию устройств РЗ и А, на которой анализировались результаты работы за 1995—1996 гг. На конференции, в частности, было обращено внимание на два вопроса:
- необходимость скорейшего перехода устройств РЗ и А на микропроцессорную базу;
- увеличение количества нарушений в работе устройств РЗ и А, которые расследовались, но причины их появления не были установлены, и составили в среднем 12 % числа ложных срабатываний.
По мнению авторов [12] эти нарушения произошли под влиянием помех, возникших в результате коммутационных переключений, причем на подстанциях, которые еще не были оснащены микропроцессорной техникой. Аналогичная ситуация наблюдалась и на высоковольтных подстанциях Мосэнерго. При этом анализ случаев неправильной работы устройств РЗ и А за несколько лет показал, что более 15 % таких случаев можно с уверенностью отнести к проблемам ЭМС.
В работах [153, 157] изучались и систематизировались источники ЭМП, а также пути их распространения. На основе обширных материалов по измерениям различного рода источников ЭМП Международной электротехнической комиссией составлены руководящие документы. Обзор электромагнитных явлений, от которых возможно возникновение ЭМП приводится в [189] и [190], а дополнительная информация о типовых источниках и причинах возникновения помех дана в Приложении А [191]. Предварительный анализ типичных проблем ЭМС на электроэнергетических объектах показал, что при их решении необходимо рассматривать весь спектр ЭМП, перечисленных в названных документах.
Основными источниками ЭМП на электроэнергетических объектах являются коммутационные операции выключателями и разъединителями, короткие замыкания и удары молнии на территории объекта или примыкающей к ней линии. В то же время не следует исключать такие источники ЭМП, как магнитные поля промышленной частоты, разряды статического электричества, электромагнитные поля радиочастотного диапазона и т.д. Кроме того, надо отметить различные мощные нелинейные нагрузки, в первую очередь, полупроводниковые устройства, которые вызывают систематические искажения формы кривых токов и напряжений. При всем многообразии источников помех на энергообъектах при изучении опыта и результатов измерений, которые проводили исследователи разных стран, было установлено, что чаше всего помехи проникают в электронные устройства через цепи питания. При этом, в результате действия ЭМП происходит нарушение качества питающего напряжения.
Напомним (см. первую главу), что изменения эффективного значения напряжения являются основными помехами, так как электрооборудование в той или иной мере зависит от параметров питающего напряжения. При этом рассматриваются отклонения напряжения, которые происходят при любом изменении установившегося напряжения выше или ниже входного диапазона, который является допустимым для конкретного оборудования. Очень распространенной помехой является прекращение подачи электроэнергии (максимально возможное отклонение напряжения), которое определяется, как полное отключение входного напряжения в течение не менее 5 мс [195, 204, 211]. Отдельно следует отметить помехи большой амплитуды и малой длительности, которые в виде колебательных перенапряжений накладываются на нормальную синусоиду питающего напряжения. Если рассмотреть первые два или три полупериода этих колебаний, то можно выделить так называемые пики импульсов напряжения, обычно возникающие в частотном диапазоне от десятков кГц до единиц МГц. Результаты измерений на энергообъектах разных стран показывают, что амплитуды указанных импульсных помех находятся в диапазоне от десятков вольт до нескольких киловольт. Причем возникновение этих помех наблюдалось в сетях питания как переменного, так и постоянного тока [192, 194]. Отметим, что кроме рассмотренных внешних случайных помех в системах электропитания существуют периодические искажения синусоидальности кривой напряжения питания, вызванные внутренними причинами.
В настоящее время, когда на подстанциях стали применяться системы РЗ и А с использованием микропроцессорной техники, проблема обеспечения ЭМС цепей разных классов напряжений стала наиболее острой. В соответствии с требованием к помехоустойчивости устройств РЗ и А на электроэнергетических объектах должна быть обеспечена такая электромагнитная обстановка (ЭМО), чтобы возникающие ЭМП при любых режимах не превышали допустимых уровней для этих устройств.
Современное состояние энергетики Украины таково, что приоритетным является не строительство новых объектов, а реконструкция существующих. При проведении реконструкции чрезвычайно важно перед проектированием определить реальную ЭМО на объекте. Для этого, в частности, надо проводить исследования и измерения ЭМП в цепях собственных нужд (СН) и оперативного тока (ОТ) конкретных энергообъектов. В работе [43] приведены результаты указанных исследований на двух характерных энергообъектах: Киевской ТЭЦ-5 и подстанции «Северная-330 кВ». Проведенные измерения уровня ЭМП показали, что возникающие на данных энергообъектах помехи, существенно различаются по амплитуде и характеру распространения. Это объясняется, прежде всего, различными энергетическими характеристиками сетей СН и ОТ электростанции и подстанции.
Например, сеть постоянного ОТ Киевской ТЭЦ-5 за счет наличия мощной аккумуляторной батареи и сравнительно маломощных потребителей постоянного тока имеет большой запас мощности. Поэтому при включении выключателей 6 и 330 кВ не возникают опасные для ответственных электропотребителей провалы постоянного напряжения. В то же время на подстанции «Северная-330 кВ» потребляемый соленоидом выключателя 110 кВ ток существенно превышает разрядный ток штатной аккумуляторной батареи. В результате при включении выключателя 110 кВ в цепях постоянного тока наблюдались значительные провалы напряжения с понижением до 210 В в цепи питания соленоидов (уровень 270 В) и до 186 В в цепи питания других электропотребителей подстанции (уровень 220 В). Такие значительные провалы напряжения могут вызвать нарушения в работе соответствующих средств РЗ и А, работающих на постоянном токе, а также сбои в работе компьютеров и современных средств А, работающих на переменном токе, но получающих питание через инвертор от сети постоянного тока подстанции. Кроме того, следует отметить, что в процессе измерений на зажимах соленоидов были зарегистрированы высокочастотные импульсы напряжения длительностью приблизительно 150 мкс и амплитудой до 100 В. При широком использовании микропроцессорной техники для средств РЗ и А это может стать причиной сбоев и нарушений в работе ответственных электропотребителей.
Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования систем электропитания средств РЗ и А, С, ТМ и ВТ на электростанциях и подстанциях подтвердили, что в условиях эксплуатации они подвергаются интенсивному воздействию ЭМП. Анализ существующих технических средств защиты от ЭМП показывает, что, если требуется высокая степень стабилизации напряжения и полная защита от всех видов ЭМП, используются системы гарантированного электропитания (СГЭ).
СГЭ является наиболее эффективным средством зашиты, обеспечивающим резервом мощности при прекращении подачи электроэнергии и коротких отключениях. По крайней мере СГЭ дает возможность правильно отключить ВТ без риска повредить аппаратуру и потерять информацию. Если емкость аккумуляторной батареи достаточно большая или имеется резервный генератор, то при прекращении подачи электроэнергии СГЭ обеспечивает достаточно длительное функционирование ВТ.
Наряду с преимуществами СГЭ имеют некоторые недостатки:
- в составе СГЭ используется полупроводниковая техника, которая сама часто требует дополнительных средств защиты от помех типа разрядников или подавителей импульсов напряжения;
- СГЭ занимает много места в основном из-за габаритов и условий эксплуатации аккумуляторной батареи, требующей отдельного помещения [175].
Следует отметить, что на электростанциях и подстанциях с постоянным ОТ используются аккумуляторные батареи, которые можно рассматривать как резервный источник питания. Предлагается дополнить существующую систему электропитания специальными фильтрующими устройствами и построить на ее основе СГЭ микропроцессорной техники на энергообъекте. Как известно, в Институте электродинамики НАН Украины разработаны соответствующие фильтры, а накопленный опыт их эксплуатации в сетях низкого напряжения (см. параграф 6.1) и результаты проведенного анализа ЭМП на энергообъектах позволяет предложить эти устройства для использования в указанных, системах электропитания. При этом предлагаются два вида фильтрующих устройств: фильтр низких частот (ФНЧ), который осуществляет фильтрацию токов высших гармоник на низких частотах, и специальный высокочастотный фильтр (СФВЧ) для подавления высокочастотных и импульсных помех.
Проведенные исследования показали, что кроме фильтрации высших гармоник ФНЧ обеспечивает демпфирование несимметричных перенапряжений (не меньшее 30 % амплитуды) и провалов фазных напряжений (продолжительностью не более 5с) вплоть до обрыва одной из фаз питания. В то же время возможности ФНЧ по подавлению высокочастотных и импульсных помех оказались ограниченными, что обусловило необходимость привлечения СФВЧ, который имеет следующие технические характеристики.
Номинальное напряжение 380 В, 220 В
Рабочий ток 30
Уменьшение импульсов напряжения длительностью до сотен нс до 30 раз
Уровень подавления высокочастотных помех в диапазоне частот 10 кГц—1 ГГц не менее 30 дБ
Габаритные размеры 200x350x500 мм
Масса 20 кг
В результате лабораторных исследований комплекта ФНЧ- СФВЧ было установлено, что после проверки в промышленных условиях предложенные фильтры могут быть рекомендованы в качестве элементов СГЭ средств РЗ и А, ВТ, С и ТМ на электростанциях и подстанциях.
На основании изложенного выше, а также с учетом известных требований к обеспечению надежности сетей СН и ОТ предлагаются принципы построения указанных СГЭ на энергообъектах, которые (СГЭ) должны строиться на основе существующих элементов системы питания и дополнительных технических средств защиты от ЭМП. При этом существующими элементами являются сеть СН, обеспеченная надежным резервированием [31, 84] и РЗ от коротких замыканий со своим резервированием [113, 147], и система постоянного ОТ со штатными аккумуляторной батареей и средствами автоматического регулирования напряжения [71, 101, 106]. Обязательным элементом сети СН должны быть ограничители перенапряжений (разрядники) [8, 11, 23]. Кроме того, система заземлений энергообъекта, зданий, помещений и устройств должна быть выполнена в соответствии с существующими нормами и современными требованиями [205].
Рис. 6.4. Схема подключения фильтрующих устройств к сети собственных нужд энергообъекта
В результате, электропитание электронных устройств можно осуществлять или от сети переменного тока с резервированием от сети постоянного тока, или от сети постоянного тока с аккумуляторной батареей, которая работает в буфере с подзарядным агрегатом.
В качестве дополнительных обязательных элементов СГЭ предлагаются фильтрующие устройства ФНЧ и СФВЧ, схема подключения которых приведена на рис. 6.4. ФНЧ может подключаться в любой точке сети СН переменного тока (от шин трансформатора до нагрузки) параллельно сети, а СФВЧ- в рассечку проводов сетей как переменного, так и постоянного тока. Точки подключения, мощность и количество фильтров определяются мощностью и спецификой защищаемых устройств. Ряд номинальных мощностей фильтров позволяет использовать их в различных вариантах построения СГЭ.
Следует отметить, что дополнительными элементами СГЭ на подстанциях также могут стать технические средства защиты от провалов напряжения постоянного тока, которые возникают при включениях мощных потребителей ОТ. Для обеспечения бесперебойности электропитания средств С и ТМ в качестве резервных источников питания традиционно используются индивидуальные аккумуляторные батареи. Аналогично, персональные компьютеры могут быть укомплектованы индивидуальными агрегатами бесперебойного питания. В результате, при подключении средств РЗ и А, ВТ, С и ТМ к общестанционной сети СН, которая должна быть укомплектована предложенными фильтрами для защиты от ЭМП, можно обеспечить гарантированное электропитание упомянутых средств.
