"Новости Электротехники"Электромагнитная обстановка на объектах определяет ЭМС цифровой аппаратуры

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №1(13) 2002

Электромагнитная обстановка на объектах определяет ЭМС цифровой аппаратуры

Наш журнал вновь обращается к проблеме электромагнитной совместимости (см. № 3(9), 2001 «Россия задумалась об электромагнитной совместимости», № 6(12), 2001 «Невнимание к проблеме ЭМС может обернуться катастрофой»).
Автор нынешней публикации предлагает комплексный подход к оценке и улучшению электромагнитной обстановки (ЭМО) на энергетических и промышленных объектах. Такой подход, при условии обеспечения собственной помехоустойчивости аппаратуры в соответствии с действующими стандартами, обеспечивает надежное решение проблемы ЭМС.

Михаил Матвеев, заместитель директора ООО ЭЗОП - «Электроэнергетика, Защита От Помех» г. Москва

Надежность работы энергетических и промышленных объектов во многом определяется надежностью работы электронной (сейчас, как правило, цифровой) аппаратуры защиты, автоматики, связи и т.п. Специфика современных объектов такова, что устанавливаемая на них электронная аппаратура часто подвергается воздействию высоких уровней электромагнитных помех. В данной статье под помехой понимается любое явление электромагнитной природы, способное негативно влиять на работу аппаратуры.

Совокупность уровней помех на конкретном объекте называется электромагнитной обстановкой (ЭМО). Следует отметить большой разброс параметров ЭМО (например, уровней помех при коммутационных операциях) на различных объектах.
В данной статье мы кратко рассмотрим проблемы, связанные с контролем и улучшением ЭМО на энергетических и промышленных объектах.

Особенности ЭМО на энергетических и промышленных объектах
Чтобы понять суть проблемы, начнем с рассмотрения особенностей ЭМО на энергообъектах. Основной вклад в нее вносят, как правило, следующие виды помех:

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 также повышается. 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. Магнитное поле при КЗ опасно и для самой аппаратуры, если последняя размещается вблизи ошиновок или пути растекания тока КЗ по элементам ЗУ. Отметим, что случаи расположения ошиновок над зданиями ОПУ с помещениями РЩ, узлов связи и т.п. достаточно типичны (см. рис. 1).

Помехи при грозовых разрядах
Ток молнии обычно составляет десятки и даже сотни килоампер, то есть часто превосходит ток КЗ.

Важной особенностью грозовых разрядов является то, что их воздействию подвергаются отнюдь не только электростанции, подстанции и промышленные предприятия. Обычный узел связи и управления в городской черте может оказаться не менее уязвимым. В первую очередь это касается объектов, оснащенных мачтами радиосвязи (на крыше или рядом со зданием). Обследование ряда таких объектов показало, что растекание тока молнии часто происходит по элементам систем заземления и питания информационной техники либо вблизи от нее.
Часто значительная часть тока молнии (в отдельных случаях до 80-100%) стекает по экранам коаксиальных кабелей непосредственно на узел связи.

Рис. 1. Расположение силового оборудования рядом со зданием ОПУ на одной из типовых подстанций

При расследовании причин повреждения аппаратуры в одном из региональных диспетчерских управлений, например, было выявлено растекание тока молнии практически через все здание вблизи элементов систем связи, АСУ, сигнализации. В результате имели место массовые повреждения элементов этих систем. Причиной ряда повреждений, согласно проведенному анализу, явилось непосредственное воздействие импульсного электромагнитного поля на аппаратуру. По приближенной оценке, напряженность магнитного поля в месте размещения аппаратуры составила от 300 до 1000 А/м, что может представлять угрозу даже для специальной аппаратуры в промышленном исполнении, не говоря уже о компьютерах и АТС офисного типа.

Импульсные помехи при коммутационных операциях выключателями и разъединителями
При коммутационных операциях выключателями и разъединителями в сети высокого напряжения возникает высокочастотный переходный процесс.

Параметры этого 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 трансформаторы тока (ТТ), трансформаторы напряжения (ТН), фильтры присоединения ВЧ-связи и т.п. Особенно серьезна ситуация на компактных элегазовых подстанциях, где высоковольтное оборудование и подверженная его 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 высоким затуханием 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.

1) (Tek THS730A). CH1 100 V 2 uS
2) (Tek THS730A). CH2 500 V 2 uS
Рис. 2. Осциллограмма коммутационной помехи в цепях питания узла связи (верхняя кривая - импульсное напряжение между нулем и землей узла связи, одно деление по вертикали – 100 В; нижняя кривая - импульсное напряжение между фазой и нулем, цена деления по вертикали - 500 В). Развертка по времени - 2 мкс на деление.

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, согласно сказанному выше, 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 (рис. 2).
Приведенный пример показывает, что истинный уровень коммутационных помех может быть достоверно определен лишь по результатам измерений. Поэтому измерение коммутационных помех следует рассматривать как обязательную часть комплекса оценки электромагнитной обстановки, даже если априори нет оснований предполагать, что их уровень высок.

Импульсные помехи при работе электромеханических устройств
Осциллографирование помех при коммутациях низковольтных цепей показало, что переключения реле, электроприводов и т.п. также сопровождаются коммутационными помехами.
Частоты обычно оказываются значительно выше, чем при коммутациях высоковольтного оборудования (до сотни МГц и даже выше). В частности, работа традиционных электромеханических реле может приводить к генерации помех до 2-3 кВ (см. рис. 3).
Интересно, что высокочастотный процесс в ряде случаев сопровождается низкочастотным «всплеском». Это согласуется с данными зарубежных измерений.

2) (Tek THS730A). STO2 500 V 200 uS
Рис. 3. Помехи при коммутации реле РП-16 (получено при лабораторных испытаниях).

Протекание значительных токов по ЗУ в нормальном режиме работы объекта Для многих объектов (например, тяговых ПС) протекание значительных токов через систему заземления является нормой. Иногда такая же ситуация возникает вследствие ошибок при проектировании системы собственных нужд объекта. Все это приводит к тому, что на заземляющем устройстве этих объектов постоянно присутствует значительный потенциал (рис.4). Отмечены случаи, когда этот потенциал достигал 100 В по амплитуде. Он оказывается приложенным к входам цепей связи с удаленными объектами. Воздействие такого потенциала на аппаратуру редко бывает разрушительным. Однако малейшее нарушение симметрии цепи связи и входов аппаратуры вызывает сильное повышение уровней шумов в каналах проводной связи.

Низкочастотные магнитные поля при нормальной работе силового электрооборудования

2) (Tek THS730A). CH1 10 V 5 mS
Рис. 4. Помеха на заземлении узла связи, связанном цепью нуля питания с заземляющим контуром тяговой подстанции (амплитуда - 25 В).

При компактном расположении силового и электронного оборудования возможно постоянное воздействие на аппаратуру полей высокого уровня. Кроме того, часто приходится сталкиваться с повышением уровня магнитного поля промышленной частоты, обусловленным ошибочной конструкцией системы собственных нужд объекта.
Амплитуда таких полей обычно слишком мала для того, чтобы вызвать сбои или отказы оборудования. Однако часто приходится сталкиваться с их негативным влиянием на дисплеи («дрожание» изображения). Это приводит к быстрой утомляемости оперативного персонала, имеющего автоматизированные рабочие места (АРМ). Кроме того, оказываются превышенными нормы Санитарных правил (СанПиН).

Высокочастотные электромагнитные поля, создаваемые радиосредствами
За последнее десятилетие были отмечены случаи сбоев в работе электронной аппаратуры на энергообъектах под действием полей радиочастотных источников.

Низкое качество напряжения питания
Чаще всего проблемы качества питания возникают на подстанциях, питающих мощную нелинейную нагрузку. Таковы, в частности, тяговые подстанции, подстанции многих промышленных предприятий и т.п. Другим распространенным источником проблем с качеством питания является использование устаревших источников бесперебойного питания (ИБП), инверторов, стабилизаторов. В качестве примера на рис. 5 показана кривая питания от устаревшего дизель-генератора, уже не отвечающего потребностям питаемой им системы. Опасна также перегрузка ИБП. В этом случае включение мощных потребителей способно вызывать броски напряжения питания и последующие переходные процессы с амплитудой порядка киловольта (согласно результатам измерений в ЦДУ «Мосэнерго»). Все вышеперечисленные причины обусловили необходимость решения проблемы ЭМС.

Существует два подхода к решению проблемы ЭМС. Во-первых, это контроль и повышение устойчивости применяемой аппаратуры к помехам. Во-вторых, это оценка и улучшение электромагнитной обстановки на объектах.

Параметры ЭМО на различных объектах имеют большой разброс. Поэтому действующие нормы неизбежно ориентируются на некую «идеализированную» ЭМО, характерную для объектов без существенных дефектов. Теоретически можно изготовить аппаратуру, выдерживающую практически любые возможные помехи, но стоимость ее будет непомерно высока. Поэтому наиболее экономичным является сочетание обоих подходов к решению проблемы ЭМС. В большинстве случаев проблемы ЭМС объясняются:
1. Недостаточной проработкой проектных решений в части соблюдения особых условий ЭМС. Внимание проблеме ЭМС при проектировании энергетических и промышленных объектов, зданий и помещений управления и связи стало уделяться в основном лишь с середины 90-х годов.

1) (comm6) CH1 200 V 10 mS
Рис. 5. Кривая питания от устаревшего дизель-генератора.

2. Отклонением от проекта в ходе его реализации и последующих реконструкций. В качестве примера можно назвать прокладку непредусмотренных изначально дополнительных цепей резервного питания с объектов, обладающих высоким уровнем помех на заземляющем устройстве, на узлы управления и связи.
3. Низким качеством строительно-монтажных работ. Пример - дефекты монтажа заземляющего устройства (от полного отсутствия сварного соединения до дефекта типа «точечной сварки» вместо сплошного шва.)
4. Физическим и моральным старением объекта. Например, коррозия заземляющего устройства может в течение 10 - 20 лет сделать ЭМО крайне жесткой из-за ухудшения или полной потери значительного количества связей в пределах ЗУ.
5. Повреждением заземлителей при земляных работах, реконструкции и т.п.

Продолжение статьи, в которой автор рассказывает о контроле и улучшении электромагнитной обстановки на энергетических и промышленных объектах, – в следующем номере