"Новости Электротехники N1(25)"Помехи на объекте и устойчивость аппаратуры РЗА

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №2(26) 2004

Электромагнитная совместимость микропроцессорной аппаратуры релейной защиты и автоматики – тема для журнала не новая. Поскольку микропроцессорные устройства РЗА, к надежности которых предъявляются особые требования, размещаются на энергообъектах, создающих значительные электромагнитные помехи, «Новости Электротехники» продолжают публиковать материалы, освещающие различные аспекты этой проблемы.

ПОМЕХИ НА ОБЪЕКТЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ АППАРАТУРЫ РЗА

Михаил Матвеев, к.ф.-м.н., ООО «ЭЗОП», г. Москва

Вопросы ЭМС микропроцессорной аппаратуры РЗА
в большей или меньшей степени освещаются в нормативной и технической документации и литературе [1–4]. Напомним, что ЭМС микропроцессорной аппаратуры определяется ее собственной устойчивостью к помехам и электромагнитной обстановкой (ЭМО) на объекте, где она размещается. Обеспечение должной устойчивости аппаратуры к помехам является задачей ее изготовителя. При этом соответствие реальных уровней устойчивости аппаратуры требованиям стандартов или декларациям изготовителя может дополнительно проверяться независимыми организациями в ходе процедур сертификации или экспертной оценки. Кроме того, такая проверка может быть проведена по инициативе заказчика аппаратуры. Решая проблемы ЭМС, следует учитывать, помимо данных о помехоустойчивости аппаратуры, такие параметры, как электрическая прочность изоляции вторичных цепей, клеммных сборок и т.п. Опыт показывает, что именно эти элементы часто повреждаются (или пробиваются) в первую очередь, что приводит в итоге к повреждению собственно МП устройств РЗА.

Оценка обстановки
Что касается процедур оценки ЭМО, то для существующих объектов производится комплекс измерений, позволяющих оценить состояние заземляющего устройства по условиям ЭМС, уровни импульсных помех при коммутациях высоко– и низковольтного оборудования, уровни магнитных полей и электростатических потенциалов в нормальном режиме работы объекта и т.п. [2–4]. Сложнее оценить помехи и поля от источников, прямые измерения для которых фактически невозможны. Так, прямые измерения полей и помех при молниевых разрядах и КЗ в высоковольтной сети удается произвести достаточно редко. Поэтому здесь необходимо применять методы расчетного и имитационного моделирования.
Оценивая ЭМО на стадии проектирования новых объектов, приходится всецело полагаться на существующую нормативную документацию (к сожалению, не всегда достаточную и иногда противоречивую), а также на расчетные методы, позволяющие производить довольно точный анализ [3].
Принято считать, что, имея результаты оценки ЭМО и данные по помехоустойчивости аппаратуры, можно чуть ли не автоматически определить, обеспечивается ЭМС МП устройств РЗА на данном объекте или нет. Однако интерпретация результатов оценки ЭМО и «привязка» их к уровням помехоустойчивости аппаратуры – задачи не шаблонные. Так как в данной статье нет возможности рассмотреть все эти вопросы детально, остановимся несколько подробнее лишь на оценке опасности для аппаратуры помех при коммутациях высоковольтного оборудования.

Устойчивость аппаратуры к помехам
Сначала рассмотрим процедуру определения устойчивости аппаратуры к импульсным помехам согласно ГОСТ Р 51317.4.12-99 (МЭК 61000-4-12-97). Подобные помехи создаются, в частности, при коммутациях высоковольтного оборудования. Процедура испытаний заключается в том, что на входы работающей аппаратуры подаются импульсы от стандартного испытательного генератора и при этом контролируется правильность работы аппаратуры: отсутствие ложных срабатываний, «зависания», перезагрузки и физического повреждения устройств.
В требованиях к МП аппаратуре РЗА (например [5]) дается класс жесткости испытаний, которому соответствует некоторое испытательное напряжение. Но это напряжение определяется на холостом ходу испытательного генератора. В реальности напряжение, приложенное к аппаратуре при испытаниях, будет зависеть от ее полного входного сопротивления (точнее, от амплитудно– и фазочастотной характеристики в спектре частот рассматриваемых импульсов). Более того, вольт-амперная характеристика входов аппаратуры нередко оказывается нелинейной, особенно в случае установки в аппаратуру разрядников, варисторов и т.п. нелинейных устройств защиты. Кстати, в случае превышения мощностью помехи нагрузочной способности, например, варистора, он может быть выведен из строя, хотя напряжение помех на входе оборудования не превысит нескольких сотен вольт. Как показывают измерения, это напряжение часто оказывается существенно меньше нормированного.
Разумеется, это не снижает ценность результатов испытаний, поскольку стандартами нормируется еще и внутреннее сопротивление испытательного генератора. Поэтому мощность помехи, попадающей на аппаратуру, контролируется в любом случае.

Ситуация на объекте
Рассмотрим теперь реальную ситуацию на энергообъекте. Пусть производится коммутация высоковольтного оборудования (например, разъединителем). При этом действуют следующие механизмы влияния генерируемых при коммутации помех на вторичные цепи и аппаратуру:

Подъем потенциала части заземляющего устройства (ЗУ) на высокой частоте (ВЧ) из-за стекания емкостных высокочастотных токов с заземления коммутационных аппаратов. В результате создается локальный подъем потенциала ЗУ на высокой частоте, который может приводить к появлению помех во вторичных цепях (по гальваническому или емкостному механизму).
Появление ВЧ-токов в протяженных заземлителях за счет индуктивных наводок на них. Создаваемые при этом токи в заземлителях неизбежно порождают разности потенциалов на высокой частоте между различными частями ЗУ. Эти разности потенциалов оказываются приложенными к изоляции вторичных цепей и входам аппаратуры.
Проникновение помех во вторичные цепи непосредственно через измерительные трансформаторы (ТН, ТТ), а также цепи присоединения аппаратуры ВЧ-защит и ВЧ-связи.
Наводки на вторичные цепи как от токов, протекающих по шинопроводам в высоковольтной части объекта, так и от порожденных ими токов в протяженных заземлителях. При этом происходит единый переходный процесс, затрагивающий всю территорию объекта и подходящие ВЛ. Из-за соизмеримости длины волны на частотах коммутационных помех (обычно 0,5–10 МГц) с длинами шинопроводов, магистральных заземлителей и вторичных кабелей, возможно возникновение резонансных эффектов.

Многообразие механизмов влияния на вторичные цепи делает необходимыми в ходе оценки ЭМО натурные измерения помех при коммутациях. Действительно, известные на сегодняшний день методики расчета или имитационного моделирования позволяют учесть максимум 2–3 фактора из перечисленных выше, да и то с существенными погрешностями. Это всегда нужно помнить при анализе данных, полученных расчетным путем или с помощью имитационного моделирования.

Натурные измерения
Анализ данных, полученных в результате измерений высокочастотным осциллографом, также не сводится к механическому сопоставлению уровней устойчивости аппаратуры и измеренных уровней помех. Для того, чтобы такое сопоставление было полностью корректным, необходимо, чтобы измерение производилось на разомкнутой со стороны аппаратуры цепи (т.е. аналогично режиму холостого хода испытательного генератора). При этом вся остальная цепь должна быть полностью собрана, включая присоединение к ТТ, ТН или фильтру присоединения. Только в этом случае можно говорить о возможности прямого сравнения измеренных значений и степеней жесткости испытаний аппаратуры.
Более того, нагружая цепь на балластный резистор с калиброванным сопротивлением, можно получить зависимость напряжения от нагрузки, что будет характеризовать результирующее внутреннее сопротивление источника помехи. Это возможно, если однотипные коммутации проводятся последовательно несколько раз.
К сожалению, во многих случаях измерения приходится производить на действующих (подключенных к аппаратуре) цепях РЗА или АСКУЭ и связи. В этом случае, наряду с осциллограммой напряжения, целесообразно записывать осциллограммы тока, для чего необходимы высокочастотные осциллографирующие токовые клещи. Тогда появляется возможность оценить мощность помехи, передаваемой на нагрузку. Если полученный результат сопоставить с режимом испытательного генератора, при котором на нагрузку передается та же мощность, то можно вычислить эквивалентное напряжение испытательного генератора, которое было бы приложено на холостом ходу при тех же уставках генератора. Разумеется, такая оценка будет корректной, лишь когда внутреннее сопротивление реального источника помехи близко к внутреннему сопротивлению испытательного генератора. Но поскольку параметры генераторов для испытаний аппаратуры на помехоустойчивость определяются ГОСТ и МЭК на базе обобщения многолетних испытаний и расчетов, можно считать, что такое соответствие приближенно обеспечивается.

Мониторинг помех
Еще одним важным моментом является то, что при выполнении коммутационных операций далеко не всегда удается воспроизвести режимы, наихудшие по условиям влияния на вторичные цепи. Действительно, при оценке ЭМО выполняются лишь те коммутации, которые не нарушают нормальный режим работы объекта.
Практика показывает, что при коммутации различными аппаратами уровни помех во вторичных цепях могут существенно различаться. В этом случае возможно использование расчетных методов или методик имитационного моделирования для расчета помех от представляющихся наиболее опасными коммутационных операций или КЗ. Но, как уже говорилось, точность таких оценок будет невысока.
Для объектов высокой важности, заблаговременно намечаемых под реконструкцию на базе внедрения МП аппаратуры, представляется весьма перспективным долговременный мониторинг помех. Для этого в выбранные цепи (их определяют по условиям наибольшей опасности влияния помех) устанавливаются работающие в долговременном режиме устройства регистрации. Такие устройства позволяют автоматически (т.е. по факту прихода помехи, превышающей заданную уставку) фиксировать осциллограмму помехи и запоминать ее в памяти присоединенного к измерительному комплексу компьютера. При этом фиксируется и время прихода помехи, что позволяет осуществить ее «привязку» к оперативному журналу. При интерпретации результатов измерения в режиме долговременной регистрации помех следует учитывать все моменты, о которых речь шла выше.
Возможно более дешевое решение проблемы с помощью пороговых регистраторов, фиксирующих только уровень помехи без запоминания осциллограммы. Недостаток такого варианта – меньшая информативность полученных данных, а достоинство – сравнительно низкая стоимость и большее количество цепей, которые можно диагностировать одновременно.

Нетривиальная задача
Статью ни в коем случае не следует рассматривать как некое исчерпывающее руководство по определению помех при коммутационных операциях. Это лишь некоторые соображения, свидетельствующие о необходимости тщательного анализа собранных результатов оценки электромагнитной обстановки перед их сопоставлением с документированными уровнями устойчивости аппаратуры.
В силу сказанного, оправданным представляется, в частности, развитие новых методов контроля уровней помех (например, режима длительного мониторинга). Кроме того, хорошей практикой является обеспечение некоторого «запаса» при решении проблемы ЭМС, –т.е. некоторого превышения (в 1,5 – 2 раза) уровня устойчивости аппаратуры над ожидаемыми уровнями помех на объекте.
Что же касается расчетного и имитационного моделирования, то, как представляется автору, основной задачей является повышение точности и достоверности этих методов. Рамки статьи не позволяют даже бегло рассмотреть тонкости методик проверки обеспечения ЭМС для других источников помех – коротких замыканий, молниевых разрядов и т.п, но и без этого ясно, что сопоставление данных оценки ЭМО и информации по помехоустойчивости является далеко не столь простой и обыденной задачей, как это кажется на первый взгляд.

Литература:
1.Guide on EMC in Power Plants and Substations // CIGRE Publ. 124. – 1997.
2. Матвеев М.В. Электромагнитная обстановка на объектах определяет ЭМС цифровой аппаратуры // Новости электротехники. – 2002. – № 1(13), 2(14).
3. Матвеев М.В. ЭМС цифровой аппаратуры диктует новые требования к заземляющим устройствам электроустановок // Новости Электротехники. – 2004. – № 1. – С. 50–53.
4. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике / Под ред. Дьякова А. Ф. – М.: Энергоатомиздат, 2003.
5. Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем. РД 34.35.310-97. – М.: РАО «ЕЭС России», 1997.