ВХОДНЫЕ ЦЕПИ УСТРОЙСТВ РЗА
Проблемы защиты от мощных импульсных перенапряжений

Михаил Кузнецов, Дмитрий Кунгуров, Михаил Матвеев, Владимир Тарасов, ООО «ЭЗОП», г. Москва

Современная микропроцессорная техника, используемая в устройствах РЗА, АСКУЭ, АСУ ТП, получающая сигналы от измерительных трансформаторов тока и напряжения, предъявляет ряд требований к электромагнитной обстановке. Существуют проблемы защиты этой аппаратуры от воздействия электромагнитных помех. Об этом неоднократно рассказывалось в нашем журнале (www.news.elteh.ru).

a)

В материале московских авторов рассматриваются основные результаты проводившихся ими совместно с ГУП ВЭИ в 2006 году экспериментов по проверке эффективности защиты сигнальных цепей аппаратуры РЗА. Рис. 1 Пример опасной компоновки элементов молниезащиты на ОРУ 110 кВ: а) ТН и ОПН на одной стойке; б) шкаф на опоре портала с молниеприемниками и рядом кабельные лотки

б)

Рис. 2. Схема вторичного воздействия грозового разряда



Рис. 3. Схема практических испытаний

На многих крупных электрических станциях (ЭС) и подстанциях (ПС) микропроцессорная (МП) аппаратура несовместима с высокими уровнями электромагнитных помех во вторичных цепях. Воздействие электромагнитных помех часто приводит к сбоям и повреждениям аппаратуры и вторичных цепей. Выход из строя систем РЗА в свою очередь может послужить причиной серьезных системных аварий.
Как известно, вся МП аппаратура должна удовлетворять целому ряду требований устойчивости к электромагнитным помехам. Весьма жесткие испытания на устойчивость к воздействию импульсов большой энергии предусматривает ГОСТ Р 51317.4.5­99 (МЭК 61000­4­5­95) [1]. Однако, как показывают исследования, уровень импульсных перенапряжений на отечественных ЭС (ПС) в ряде случаев значительно превосходит требования данного ГОСТ, даже при условии выполнения систем заземления и молние­защиты в соответствии с действующими нормами [2, 3].

ГРОЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ

• Прямой вынос импульсного потенциала. При стекании тока на ЗУ возникает зона повышенного импульсного потенциала, который выносится на заземление ИТ и далее по кабелям – на входы электронной аппаратуры.
• Помехи, индуцированные электромагнитным полем. При стекании импульса тока на ЗУ, происходит генерация импульсного электромагнитного поля. За счет индуктивной и емкостной связи с ЗУ и молниеотводом, во вторичных цепях наводятся импульсы напряжения, распространяющиеся далее по кабелям на входы аппаратуры.

Чтобы оценить характер помех, воспользуемся принятой стандартом МЭК (IEC 62305) [6] моделью молниевого разряда. Согласно ей импульс, индуцированный электромагнитным полем разряда, имеет форму продифференцированного импульса тока молнии. При форме первичного импульса 10/350 (время фронта/спада, мкс) индуцированный импульс имеет форму 8/20, характерная частота индуцированного поля – 25 кГц.
Поскольку сопротивление растеканию ЗУ увеличивается с ростом частоты [7], импульсный подъем потенциала ЗУ будет также отличаться от эталонной формы 10/350. В первый момент импульса тока 10/350 он будет иметь резкий всплеск, также похожий на импульс 8/20.
При совместном действии этих механизмов, в цепи ИТ возникает мощная синфазная («провод­земля») помеха в виде суперпозиции импульсов 8/20 и 10/350 мкс. По расчетным оценкам, при пиковом токе молнии 100 кА величина этой помехи достигает нескольких десятков кВ. При использовании обычного (неэкранированного) кабеля помеха прикладывается непосредственно к входу аппаратуры.

Применение кабелей с экраном, заземленным с двух сторон, значительно снижает уровень этой помехи. Уменьшение величины импульса напряжения, приложенного к входу аппаратуры, происходит за счет:

• компенсации ЭДС, наводимой внешним полем, наводкой от тока, протекающего по экрану кабеля;
• емкостной связи между жилами и экраном, за счет которой происходит снижение разности потенциалов «жила­экран» по длине кабеля;
• протекания тока первичного импульса по экрану кабеля (дополнительно к растеканию по заземлителям), при котором происходит выравнивание потенциалов между «землями».

ПРАКТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Учитывая относительную редкость грозовых разрядов в существующие молние­приемники, был разработан специальный генератор импульсного тока (ГИТ) молнии ЛУГ­1М, способный создавать импульс тока с характеристиками 10/350 мкс и амплитудой тока от 0,5 до 5 А.
С помощью этого генератора была проведена серия испытаний, имитирующих разряды молнии в расположенные на ПС молниеприемники (рис. 3).
Импульсы тока прикладывались между молниеотводом и удаленным зондом. Амплитуда импульса тока обычно составляла от 2 до 4 А. Цифровым осциллографом регистрировались импульсы напряжения помех, возникающих в сигнальном кабеле, которые затем пересчитывались на амплитуду импульса тока молнии 100 кА. Необходимо отметить, что нелинейные эффекты, проявляющиеся при протекании через ЗУ реального тока молнии, при таком подходе не учитываются.
Для имитационного моделирования были выбраны цепи ИТ, при этом одна из жил каждой цепи заземляется на ОРУ. При измерениях регистрировались импульсы напряжения V1 между заземлением ИТ и заземлением РЩ (релейного щита), а также разность потенциалов V2 между жилой кабеля и заземлением РЩ (т.е. фактически помеха, приходящая на МП аппаратуру по схеме «провод­земля»).
Из рис. 4, а видно, что импульс напряжения между заземлением ИТ и заземлением РЩ, в пересчете на импульс тока 100 кА, составит около 37 кВ. Импульс напряжения на выходе кабеля (рис. 4, б) примерно в 5 раз меньше и составляет около 7 кВ, что все еще превосходит уровень устойчивости современной МП аппаратуры РЗА (обычно до 4 кВ).
Осциллограмма импульса напряжения, возникающего на входах аппаратуры при воздействии импульса тока, полученная уже на другой ПС (рис. 4, в), показывает, что протяженный контур, образованный сигнальным кабелем и системой проводников и заземлителей на ПС 500, имеет собственную частоту колебаний около 50 кГц. Пиковое значение напряжения, приложенного к входам аппаратуры при импульсе тока 100 кА, составит около 33 кВ. Заземление экрана кабеля с двух сторон уменьшает пиковое значение напряжения примерно до 8 кВ (рис. 4, г), что также превосходит уровень устойчивости МП аппаратуры РЗА.
Следует отметить, что аналогичные измерения, проведенные для цепей, не имеющих гальванической связи с ЗУ ЭС (ПС), показывают существенно большую эффективность экранирования по сравнению с определенной здесь для цепей ИТ. Однако отказ от заземления цепей ИТ (или вынос их заземления с ОРУ) нежелателен по соображениям безопасности [2, 8] и защиты изоляции вторичных цепей.
Таким образом, в рассматриваемых ситуациях имеется необходимость дальнейшего снижения уровня импульсных перенапряжений. Типовым решением является применение устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). В электроэнергетике УЗИП успешно применяются для защиты цепей питания и связи. Аналоги УЗИП (разрядники и ОПН) широко используются в сетях выше 1 кВ для защиты силового оборудования. В то же время опыт использования УЗИП в цепях ИТ отсутствует, что потребовало проведения дополнительных исследовательских работ.

Рис. 4. Осциллограммы моделирования грозового разряда на ПС

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Моделирование последствий удара молнии производилось в лаборатории ГУП ВЭИ на базе установки ГИТ­100. Установка представляет собой классическую схему генератора импульсного тока и позволяет получать как одиночные импульсы, так и серию импульсов с напряжением до 100 кВ и током до 30 кА.
Для исследования вторичного воздействия молнии была собрана следующая схема. На изолирующем столе, имитирующем «землю ОРУ», располагался измерительный трансформатор напряжения (ТН). Сигналы с вторичной обмотки ТН по экранированному кабелю идут на другой стол, соединенный с системой заземления здания, который имитирует «землю ОПУ». Экран кабеля «заземлен» с двух сторон. Точка Х вторичной обмотки ТН, экран кабеля и корпус ТН соединены с «землей ОРУ» (рис. 5).
При испытаниях регистрировались осциллограммы импульсов тока ГИТ и напряжения между двумя условными точками: «землей ОРУ» и «землей ОПУ», а также токи и напряжения в жилах кабеля, подключенных к обмоткам ТН (при регистрации токов жилы временно заземлялись со стороны «ОПУ»). Осциллограммы снимались при различных напряжениях зарядки батареи конденсаторов U0: 5; 10; 20; 30; 40; 50 кВ, что примерно соответствует выносу потенциала на заземление ИТ на реальных объектах (рис. 4, а, в).
Амплитуда тока ГИТ при этом находилась в диапазоне 1–16 кА. Во время испытаний было сделано несколько тысяч импульсов. Пробоев и повреждений изоляции кабеля КВВГЭ при визуальном осмотре обнаружено не было.
Как видно из графиков (рис. 6), при подаче импульса тока в системе возникали затухающие колебания, частота которых определялась индуктивностью отрезка кабеля и емкостью батареи конденсаторов ГИТ. При испытаниях частота колебаний варьировалась от 10 до 60 кГц. Это перекрывает основной диапазон частот помех, индуцированных импульсным магнитным полем молнии, и согласуется с результатами имитационного моделирования. Графики показывают, что основной ток протекает по экрану кабеля. По жилам проходит не более 30% общего тока.
На рис. 7 приведены осциллограммы напряжений на жилах «А» и «Х» на выходе кабеля. Видно, что заземление с двух сторон экрана кабеля уменьшает амплитуду помехи в несколько раз – до 3–7 кВ при приложенном напряжении 30–40 кВ. В то же время она остается несколько выше допустимого для МП аппаратуры (2–4 кВ).
На рис. 8 представлены осциллограммы тока, протекающего по жилам кабеля. Ток жилы «А» гораздо меньше тока жилы «Х», по­скольку она соединена с ГИТ через вторичную обмотку ТН, которая имеет значительное реактивное сопротивление.

Рис. 5. Схема лабораторной установки

Рис. 6. Осциллограммы тока и напряжения на входе кабеля

Рис. 7. Осциллограммы напряжения на выходе кабеля

ПРИМЕНЕНИЕ УЗИП

• к синфазным импульсам («провод­земля») – гальванической развязкой входных цепей с помощью изолирующих трансформаторов или оптронов;
• к противофазным импульсам («провод­провод») – пороговыми элементами (например, защитными диодами), устанавливаемыми параллельно входам.

Осциллограммы напряжения «провод­земля» носят аналогичный характер и потому не приводятся. Уровень перенапряжений снижен до уровня устойчивости аппаратуры, причем искажений формы рабочего сигнала с ИТ (50 Гц) не наблюдается.
Амплитуда напряжения «провод­провод» в схеме 1 за счет несинхронного срабатывания УЗИП в два раза превосходит уровень защиты каждого УЗИП. Поэтому более эффективной представляется схема 2.
Несмотря на полученные положительные результаты, пользоваться стандартными УЗИП для защиты входов аппаратуры нужно с осторожностью. Проблема заключается в недостатках практикуемого сегодня подхода к обеспечению ЭМС (напр. [10]). Обычно принимается, что для обеспечения ЭМС достаточно просто ограничить величину максимального напряжения помех во вторичных цепях. Но в ряде случаев повреждение аппаратуры происходит при сравнительно низком напряжении и определяется током, протекающим по входной цепи.
Для подтверждения этого тезиса был собран имитатор входной цепи аппаратуры, рассчитанный на диапазон 0–100 В переменного входного напряжения. Имитатор имел защиту по напряжению на основе мощного защитного диода 1.5КЕ­180СА. Входная цепь имитатора выдерживала серию импульсов напряжения 4 кВ по схеме «провод­провод» (4 степень жесткости по ГОСТ Р 51317.4.5­99, с устройством связи 40 Ом, 0,5 мкф ).
Однако при испытаниях совместно с УЗИП, происходило повреждение имитатора. Было установлено, что защитный диод пробивался и вход схемы закорачивался. Через закороченную входную цепь начинал протекать значительный ток 50 Гц, что иногда приводило к повреждению элементов монтажа. Повреждение имитатора происходило при напряжениях зарядки батареи конденсаторов U₀ более 30 кВ. Однако максимальное значение напряжения на выходе УЗИП было значительно меньше 4 кВ, при которых имитатор испытывался и которое, на первый взгляд, представлялось «безопасным».

Рис. 8. Осциллограммы тока в жилах кабеля

Рис. 9. Схемы испытаний УЗИП

Рис. 10. Осциллограммы напряжения на выходе УЗИП

Выводы

• Возникающие при воздействии вторичных проявлений молнии на цепи ИТ импульсные перенапряжения могут значительно превышать уровень устойчивости аппаратуры РЗА (по крайней мере, при тех компоновках ОРУ, которые характерны для большинства ЭС и ПС).
• Использование экранированных кабелей в сигнальных цепях, значительно ослабляющих синфазные перенапряжения, является необходимым, но в ряде случаев недостаточным условием.
• Для защиты аппаратуры на ЭС и ПС применяют специальные УЗИП. Необходимость установки УЗИП может быть уточнена по результатам экспериментального или расчетного определения электромагнитной обстановки на объекте.
• Применение УЗИП необходимо сочетать с мероприятиями по улучшению ЗУ объекта, экранированию цепей, модернизацией систем молниезащиты и другими работами, направленными на обеспечение ЭМС.
• При условии выполнения этих мероприятий вероятность повреждения УЗИП крайне мала, поскольку при протекании низкочастотной составляющей тока КЗ не происходит срабатывания УЗИП, а часть тока молнии, протекающая через УЗИП, много ниже его допустимой нагрузки.
• При срабатывании УЗИП не происходит нарушений в передаче рабочего низкочастотного сигнала с ИТ на входы терминала РЗА.
• Результаты исследований будут справедливы при анализе перенапряжений, возникающих в цепях ИТ не только при грозовых разрядах.
• Аналогичные эффекты будут наблюдаться и при воздействии любых других мощных источников импульсных помех, например, при срабатывании ОПН, протекании через ЗУ тока ВЧ­составляющей КЗ и т.п.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 51317.4.5­99. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний.
2. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). –7­е изд. – М.: Изд­во НЦ ЭНАС, 2002.
3. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. СО­153­34.21.122–2003. – М.: Изд­во МЭИ, 2004.
4. V. Rakov, M. Uman. Lightning. – Cambridge, 2005.
5. Методические указания по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от импульсных помех. Утверждены Департаментом науки и техники 29.06.93 за номером РД 34.20.116–93. – М.: РАО «ЕЭС России»,1993.
6. IEC 62305 (Lightning Protection).
7. Матвеев М.В. ЭМС цифровой аппаратуры диктует новые требования к заземляющим устройствам // Новости ЭлектроТехники. – 2004. – № 1(25).
8. Guide on EMC in Power Plants and Substations. CIGRE Publ. 124, 1997.
9. M.K.Kostin, M.V.Matveyev, A.Ovsyannikov, V.S.Verbin, S.Zhivodernikov. Some results of EMC investigation in Russian substations. CIGRE Session 2002, pp. 36–103.
10. Методические указания по определению электромагнитной обстановки на электрических станциях и подстанциях. СО 34.35.311­2004. – М.: РАО «ЕЭС России».