"Новости Электротехники №1(49)" ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ПОДСТАНЦИИ Проектирование с учетом ЭМС

	< Предыдущая ] [ Следующая >	Журнал №1(49) 2008


	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ПОДСТАНЦИИ Проектирование с учетом ЭМС Внедрение на объектах электроэнергетики микропроцессорной аппаратуры привело к необходимости решения проблем ее электромагнитной совместимости (ЭМС). Подходы к решению этой задачи за последнее десятилетие существенно изменились. Раньше речь шла в основном о проведении работ на действующих объектах экспериментальными методами, что позволяло устранить явные дефекты заземляющего устройства и существенно улучшить электромагнитную обстановку (ЭМО). Однако выяснилось, что источником неблагоприятной ЭМО часто служат решения, заложенные еще на стадии проектирования. Многие из них практически невозможно исправить на уже введенном в эксплуатацию объекте. Поэтому, как считают Михаил Борисович Кузнецов и Михаил Вячеславович Матвеев, решение проблемы ЭМС должно начинаться уже на стадии проектирования энергообъектов. Михаил Кузнецов, к.ф.-м.н., Михаил Матвеев, к.ф.-м.н., ООО «ЭЗОП», г. Москва На рис. 1 приведен характерный пример, когда трасса прокладки вторичных цепей проходит в непосредственной близости от молниеотводной мачты. При молниевом разряде в такую мачту высока вероятность пробоя изоляции вторичных цепей и соответственно повреждения микропроцессорной (МП) аппаратуры. Если такая же мачта оказывается рядом со зданием релейного щита (РЩ) или общеподстанционным пуктом управления (ОПУ), то появляется также опасность воздействия импульсного магнитного поля непосредственно на размещенную там аппаратуру. Такая ситуация порождает необходимость применения дополнительных средств защиты от помех. МП аппаратура может быть помещена в экранирующие шкафы или помещения. Экранирование кабелей с двухсторонним заземлением экрана способно существенно снижать уровни импульсных помех [1–3]. В случаях, когда этого недостаточно, возможно применение устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) на базе нелинейных элементов, в первую очередь варисторов [1–3], для дополнительной защиты аппаратуры от импульсных помех. Кроме того, возможно применение оптоволоконных цепей обмена информацией вместо проводных (при условии что подключенная к ним электронная аппаратура защищается от влияния электромагнитных полей и помех по входам питания и других цепей, остающихся проводными). Этот подход, однако, имеет существенные недостатки. Во-первых, дополнительные мероприятия существенно увеличивают стоимость проекта. Так, даже при установке УЗИП только в некоторые цепи (например, ТН, ТТ) потребуется несколько сотен устройств, что делает стоимость защитных мероприятий соизмеримой со стоимостью защищаемого оборудования. Во-вторых, применение любых дополнительных устройств неизбежно снижает общую надежность системы. В-третьих, имеются ограничения на применение специальных средств защиты, например, связанные с необходимостью обеспечения эффективного уравнивания потенциалов на всей территории, занятой вторичными цепями. В противном случае УЗИП и экраны кабелей могут быть повреждены. Так, если разность потенциалов при КЗ, приложенная к УЗИП, окажется выше порога срабатывания, то УЗИП может быть выведено из строя. При протекании значительной части тока КЗ по экрану кабеля (заземленному с двух сторон) возможно термическое повреждение изоляции (если не будут приняты специальные меры по ограничению величины тока, протекающего по экрану). Даже в случае отсутствия таких средств защиты, как УЗИП или заземленные с двух сторон экраны, возможно повреждение изоляции вторичных цепей при воздействии разностей потенциалов между элементами ЗУ при КЗ. Возможность же эффективного уравнивания потенциалов вдоль трасс прокладки вторичных цепей сильно зависит от компоновки объекта (в первую очередь от длины этих цепей). И наконец, существуют значительные трудности в экранировании низкочастотных магнитных полей, создаваемых токоограничивающими реакторами или шинопроводами. Это связано с невысокой эффективностью экранирования на низких частотах, что приводит к необходимости использования сплошных металлических экранов. Поэтому сегодня целесообразным представляется следующий подход: обеспечить максимальное снижение помех за счет выбора компоновочных решений, оптимизации взаимного расположения силового оборудования и элементов системы молниезащиты – с одной стороны, и МП аппаратуры со вторичными цепями – с другой. Например, применение концепции «распределенного РЩ» [4] на ОРУ больших размеров (особенно в случае, когда токи КЗ составляют несколько десятков кА) позволяет снизить разности потенциалов, приложенные к изоляции вторичных цепей и входам аппаратуры без применения дополнительных средств подавления помех во вторичных цепях. Если же в применении подобных средств в некоторых цепях необходимость всё же возникнет, их применение будет облегчено по сравнению со случаем обычной компоновки. Также должны по максимуму использоваться возможности, обеспечиваемые естественными средствами помехоподавления, такими как: ЗУ объекта, оптимизированное по условиям ЭМС; металлические обшивки зданий, аппаратных шкафов, металлические кабельные короба и т.п., обладающие экранирующими свойствами; батареи питания постоянным током и источники бесперебойного питания (ИБП) переменным током, обладающие помехоподавляющими свойствами; металлические оболочки (включая экраны, броню и т.п.) кабелей. Для того чтобы обеспечить эффективное использование перечисленных естественных средств помехоподавления, работы по обеспечению ЭМС должны начинаться на ранних стадиях процесса проектирования, когда компоновочные решения еще не утверждены. В настоящее время сложился благоприятный момент для внедрения подобного подхода, поскольку всё больше объектов строится заново или подвергается комплексному техническому перевооружению. Чтобы эта возможность могла быть полноценно использована, критически важным фактором является правильный учет вопросов ЭМС в процессе проектирования. ПРЕДПОСЫЛКИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЭМС Для решения проблем ЭМС на стадии проектирования ЭС и ПС теоретически могут применяться два принципиально разных подхода: 1. Нормативный подход, когда обеспечение ЭМС сводится к набору определенных правил, которые должны пунктуально выполняться проектировщиком. При этом от проектировщика не требуется детальное понимание физического смысла правил, которые он должен выполнить. 2. Интеллектуальный подход, при котором, прежде чем принимать те или иные проектные решения, оценивается (расчетным путем) ЭМО на объекте и возможные последствия влияния на нее тех или иных проектных решений. Примером нормативного подхода являются многие пункты ПУЭ: так, в документе не объясняется почему сопротивление растеканию ЗУ подстанции 110 кВ должно быть не более 0,5 Ом, а ток от точки заземления молниеотвода должен растекаться не менее чем в двух направлениях с углом не менее 90О между ними. Достоинством подобного подхода является упрощение процесса проектирования, отсюда невысокие требования к технической подготовке персонала. Количество необходимых расчетов сводится к минимуму, поскольку они заменяются определенным набором правил. Контроль их выполнения также является достаточно очевидной операцией, не требующей высокой технической квалификации. Однако имеются и серьезные недостатки. Первый (и главный) из них заключается в том, что крайне тяжело и вряд ли возможно вообще сформулировать набор достаточно простых, не слишком затратных и конструктивных требований, выполнение которых будет автоматически обеспечивать ЭМС. Даже в простейшем случае, когда к аппаратуре присоединяются только проводные цепи питания, воздействующая на нее ЭМО характеризуется не менее чем десятком различных параметров. При этом величины параметров зависят от геометрии объекта, рабочих токов и токов КЗ в силовых сетях, грозовой активности на территории объекта, уровней перенапряжений в первичной сети при коммутациях, характеристик заземляющего устройства и даже от типа напольного покрытия в помещении. Поэтому создать единый набор правил обеспечения ЭМС на все случаи жизни сложно: в тех или иных ситуациях он может оказаться как избыточным, так и недостаточным. Таким образом, обеспечение ЭМС на базе исключительно нормативного подхода чревато как недостаточной надежностью обеспечения ЭМС, так и «перезакладкой», приводящей к значительным материальным издержкам. Рассмотрим простой пример. Так, в РД-34.20.116-93 была сделана попытка нормирования расстояний от заземления молниеотводов до трасс прокладки вторичных цепей: «Трассы кабелей с цепями управления, измерения и сигнализации должны прокладываться на расстоянии не менее 10 м в свету от основания фундаментов (стоек) с разрядниками и молниеотводами. Допускается в стесненных условиях уменьшать это расстояние до 5 м…». Необходимость ограничения указанных расстояний продиктована тем фактом, что при грозовом разряде в молниеотвод вблизи его основания неизбежно возникает зона локального подъема импульсного потенциала, который может достигать нескольких десятков, а в отдельных случаях – и нескольких сотен кВ. Это часто приводит к пробою изоляции вторичных цепей, даже если они проходят транзитом мимо основания молниеотвода. Если же у основания молниеотвода заземляются, например, цепи измерительных трансформаторов, то повышенный потенциал будет выноситься по вторичным цепям непосредственно на входы аппаратуры (в том числе РЗА). Однако предлагаемые ограничения (10 м, в стесненных условиях – 5 м), хотя и разумны в большинстве случаев, всё же могут оказаться как чрезмерными, так и недостаточными. В реальности указанные расстояния должны зависеть от многих факторов, включая наличие экранов у вторичных цепей, удельное сопротивление грунта, конфигурацию заземлителей, геометрию объекта в целом и место расположения конкретного молниеотвода. Так, например, для ПС размером примерно 600.400 метров, находящейся в районе с удельным сопротивлением грунта 16 Ом·м, при наличии вторичных цепей с двухсторонним заземлением экранов безопасным будет расстояние 4–5 метров между молниеприемниками и вторичными цепями, проходящими транзитом. Без использования экранов вторичных цепей на той же ПС аналогичное безопасное расстояние будет составлять уже примерно15–20 метров. Увеличение удельного сопротивления грунта до 100–200 Ом·м также существенно увеличит допустимые расстояния. Нормировать все указанные факторы вряд ли возможно и целесообразно. Поэтому на практике сегодня намного чаще используется подход, связанный с определением разностей потенциалов путем расчетов (например, в программе «Контур») или имитационного моделирования. Расстояния в итоге определяются отдельно для каждого конкретного объекта, с учетом всех значащих факторов. Оба подхода имеют право на жизнь. Но если нормативный подход преимущественно используется там, где определяются базовые требования безопасности персонала, интеллектуальный применяется, когда речь идет, например, об ЭМС и повышении надежности работы вторичного оборудования на объекте. При этом жестко нормироваться, как представляется, должны не столько средства обеспечения ЭМС (которые могут быть различными), сколько итоговые требования к электромагнитной обстановке, а также общий состав, объем и этапы проведения работ по обеспечению ЭМС. ЭМС И ПРОЕКТНЫЕ РАБОТЫ Рассмотрим, каким образом может быть организовано решение проблем ЭМС при строительстве или комплексном техническом перевооружении объекта (например, ПС). Предполагается, что во втором случае заменяется практически всё первичное и вторичное оборудование. Из сказанного выше следует, что работы по обеспечению ЭМС должны начинаться еще на стадии разработки проектной документации, когда определяются основные проектные решения, включая компоновку объекта. Сейчас существует арсенал расчетных методов, позволяющих оценить большинство параметров ЭМО с достаточной точностью на основании проектных схем объекта. Но возникает сложность с исходными данными. Так, чтобы определить разности потенциалов, приложенных к вторичным цепям при молниевых разрядах или КЗ, необходимо знать схему ЗУ, места расположения молниеотводов и трассы прокладки вторичных цепей. Но такая информация обычно становится доступной на стадии подготовки рабочей документации, а к этому моменту все компоновочные решения обычно уже определены и утверждены. Поэтому полученные результаты оказываются безнадежно запоздавшими: учесть выдаваемые в этом случае рекомендации, пусть даже превосходно детализированные и обоснованные, не представляется возможным. Выход из подобной ситуации заключается в более тесной привязке работ по обеспечению ЭМС к единому процессу проектирования. Чтобы иметь возможность выдать основные рекомендации по обеспечению ЭМС еще на стадии проекта, необходимо с самого начала провести хотя бы приближенную оценку основных параметров ЭМО. К этим параметрам относятся: разности потенциалов между элементами ЗУ объекта при КЗ в сетях выше 1 кВ; разности потенциалов между элементами ЗУ объекта при молниевых разрядах в элементы системы молниезащиты объекта; магнитные поля промышленной частоты как в нормальном режиме работы объекта, так и при КЗ; импульсные магнитные поля, возникающие при молниевых разрядах; электростатические потенциалы; уровни перенапряжений, вызванных коммутационными операциями в сетях выше 1 кВ; уровни помех при работе электромеханических устройств (реле, контакторов, электромагнитов и т.п.); качество питания аппаратуры переменным и постоянным током (включая сети гарантированного питания). Для выполнения приближенной оценки ЭМО на стадии проекта используются упрощенные модели, не требующие высокой детализации. Например, контур заземления ПС приближенно моделируется сеткой, данные об удельном сопротивлении грунта определяются согласно предпроектным изысканиям. Токи КЗ берутся на основе имеющихся данных, приближенно оценивается величина подпитки от собственных трансформаторов и от системы. Выбор параметров тока молнии осуществляется на базе оценки риска, позволяющего определить вероятность молниевого разряда с параметрами, превышающими принимаемые пороговые значения [5, 6]. Наконец, приближенные данные по величине ВЧ-составляющей тока КЗ могут быть получены на базе анализа принципиальных схем объекта с учетом опыта расчетов ВЧ-сставляющей КЗ для аналогичных объектов. По тому же принципу берутся исходные данные для оценки других параметров ЭМО. Проведенные расчеты дают приближенную оценку основных параметров ЭМО. Точность ее невелика, т.к. невелика и точность исходных данных. Но даже такие данные позволяют осуществить выбор основных проектных решений с учетом требований ЭМС. Так, даже если решения по компоновке ПС не подвергаются существенной ревизии, полученные результаты позволяют выбрать ряд важных параметров: рекомендуемый размер ячейки заземляющей сетки, сечение и материал заземлителей, допустимые расстояния между вторичным оборудованием, с одной стороны, и молниеотводами, электроаппаратами на ОРУ, ошиновками, реакторами – с другой. В некоторых случаях результаты расчетов оказывают определяющее влияние на выбор компоновочных решений. Например, на ОРУ одной из ГРЭС на юге России, с линейным размером примерно 400 метров и величиной токов КЗ более 40 кА, добиться снижения разностей потенциалов между элементами ЗУ ОРУ до величин, допустимых по условиям ЭМС, затруднительно без применения принципа «распределенного РЩ». Такая ситуация, кстати, характерна для многих ЭС (ГРЭС и ТЭЦ). В части организации молниезащиты по условиям ЭМС, помимо расстояния от молниеотводов до вторичных цепей, в ряде случаев результаты расчетов дают ответы на вопросы, можно ли, например, использовать молниеприемники на порталах объекта или молниезащиту желательно выполнить отдельно стоящими молниеотводами. В последнем случае необходимо также выяснить, следует ли использовать для молниеотводов отдельные контуры заземления или их можно объединить с общим ЗУ ПС. В условиях грунтов с удельным сопротивлением 100 Ом·м и выше могут потребоваться специальные решения по заземлению молниеотводов [7]. Еще один важный вопрос, на который дает ответ проведение приближенной оценки ЭМО на стадии проекта, – это необходимость экранирования аппаратуры и/или вторичных цепей. При этом экранирование вторичных цепей оказывается целесообразным в большинстве случаев, а выполнения дорогостоящих мероприятий по экранированию аппаратуры часто удается избежать за счет изменения компоновки объекта или с помощью использования экранирующих свойств зданий и сооружений, в которых аппаратура будет размещаться. Таким образом, выполнение приближенной оценки ЭМО на стадии проекта позволяет осуществить выбор основных проектных решений уже с учетом требований ЭМС. В ряде случаев может быть предложено несколько способов решения проблемы, и тогда основной задачей является выбор решения, оптимального по технико-экономическим показателям. Так, в случае недопустимого влияния на МП аппаратуру магнитного поля, создаваемого токоограничивающими реакторами в ЗРУ 6 или 10 кВ, решение проблемы возможно следующими способами: изменение компоновки объекта, при котором будет увеличено расстояние между реакторами и МП аппаратурой; экранирование всего помещения с аппаратурой сплошным листом или металлической сеткой; использование экранирующих аппаратных шкафов; применение аппаратуры с повышенным уровнем устойчивости к магнитным полям. Вопрос, какой из этих подходов является оптимальным по технико-экономическим показателям, должен решаться на стадии проекта по результатам приближенной оценки ЭМО. ПОДГОТОВКА РАБОЧЕЙ ДОКУМЕНТАЦИИ Если основные вопросы обеспечения ЭМС были проработаны на стадии проекта, то соответствующая работа на стадии подготовки рабочей документации (РД) кардинально упрощается. Например, если на стадии проекта были определены общие требования к выполнению ЗУ ПС, то на стадии РД соответствующая схема должна быть выполнена детально, с учетом всех нюансов ЭМС. Практика показывает, что, изменяя локальную конфигурацию заземлителей в месте расположения молниеотвода, можно добиться существенного снижения разностей потенциалов, приложенных к изоляции вторичных цепей. При этом средний размер ячейки, сечение и материал заземлителей на всем ЗУ в целом остаются без изменений. Так, благодаря изменению конфигурации заземлителей портала с молниеприемником на одной из ПС в Красноярском крае, удалось снизить разность потенциалов (которые были бы приложены к входам МП аппаратуры по цепям ТН при молниевом разряде в молниеприемник) примерно в 6 раз (с 65 до 11 кВ). Общие решения по обеспечению ЭМС должны быть правильно конкретизированы на стадии РД. Например, решение о применении экранированных кабелей с двухсторонним заземлением экрана закладывается на стадии проекта. Но не менее важно, чтобы на стадии РД были правильно определены места и способы заземления экранов. Так, на одной из ПС в центральной части России заземление экранов было выполнено способом, указанным на рис. 2а (длинным и тонким проводником, а не с помощью хомутов по всему периметру). В этом случае значительно увеличивается переходное сопротивление заземления экрана, что скажется отрицательно на способности заземленного с двух сторон экрана ослаблять высокочастотные помехи [1–3]. На стадии РД должны решаться и проблемы подходящего выбора аппаратных шкафов, типов кабелей, устройств защиты от перенапряжений и т.п. Отдельный вопрос – выбор устанавливаемой аппаратуры. На ПС 330 кВ и выше на стадии РД желательно также проводить расчетное определение параметров ВЧ-составляющей тока КЗ с целью уточнения решений по защите вторичных цепей и оборудования. ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ При всех достоинствах изложенного здесь подхода к решению проблемы ЭМС на стадии проектирования, всё это не исключает необходимости проведения дополнительных экспериментальных работ непосредственно на объекте. Во-первых, даже самые лучшие проектные решения могут быть сведены на нет вследствие неграмотного или некачественного исполнения. Особенно часто это наблюдается при монтаже заземляющих контуров. Практика показывает, что почти на всех обследованных новых ПС наблюдаются те или иные отклонения от проекта: некоторые заземлители отсутствуют, заземляющие спуски части электроаппаратов не присоединены к ЗУ ПС, не заземлены бывают даже нейтрали автотрансформаторов и т.п. То же самое касается заземления экранов кабелей, установки средств защиты от перенапряжений и т.п. Во-вторых, некоторые параметры ЭМО принципиально не могут быть точно определены на стадии проектирования (например, перенапряжения во вторичных цепях, создаваемые при коммутационных операциях в первичной сети). Поэтому возникает необходимость в проведении таких измерений непосредственно на объекте на стадии пусконаладочных испытаний для уточнения, например, необходимости использования УЗИП для защиты от коммутационных перенапряжений. ЛИТЕРАТУРА 1. Кузнецов М.Б., Кунгуров Д.А., Матвеев М.В., Тарасов В.Н. Проблемы защиты входных цепей аппаратуры РЗА от мощных импульсных перенапряжений / Relay Protection and Substation Automation of Modern EHV Power Systems (Moscow – Cheboksary, September 10–12, 2007). 2. Кузнецов М.Б., Кунгуров Д.А., Матвеев М.В., Тарасов В.Н. Входные цепи устройств РЗА. Проблемы защиты от мощных импульсных перенапряжений // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 6(42). 3. Кузнецов М.Б., Кунгуров Д.А., Матвеев М.В. Проблемы защиты входных цепей аппаратуры РЗА от мощных импульсных перенапряжений: Сборник тезисов первой Всероссийской конференции по молниезащите. – Новосибирск, 2007. 4. Матвеев М.В., Кузнецов М.Б. Защита вторичных цепей на подстанциях и электростанциях // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 4(46). 5. IEC-62305, Lightning Protection (МЭК-62305, Молниезащита). 6. Understanding Direct Lightning Stroke Shielding of Substations, P.K. Sen, PSERC Seminar Golden, Colorado, November 6, 2001 7. Кузнецов М. Б., Матвеев М. В. Комплексный подход к решению проблем защиты МП аппаратуры энергообъектов от вторичных проявлений молниевых разрядов: Сборник тезисов первой Всероссийской конференции по молниезащите. – Новосибирск, 2007.