Электромагнитная совместимость

Многолетняя практика решения проблем электромагнитной совместимости (ЭМС) микропроцессорной (МП) аппаратуры на энергообъектах показала, что уровни помех при молниевых разрядах, при протекании через заземляющее устройство ВЧ-составляющей токов КЗ и при коммутационных операциях в сетях напряжением выше 1 кВ могут значительно превышать уровень помехоустойчивости МП-аппаратуры РЗА, противопожарной автоматики, АСУ ТП, АИИС КУЭ и связи.
Существует ли возможность решить данную проблему? Свои предложения высказывают наши московские авторы.

ЭКРАНИРУЮЩИЕ КАБЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Средство экономичного решения проблем ЭМС

Михаил Матвеев, к.ф.-м.н., Михаил Кузнецов, к.ф.-м.н., Виктор Березовский,
ООО «ЭЗОП»

Игорь Косарев, ОАО «ЦИУС ЕЭС»
г. Москва

Результаты статистической обработки данных по экспериментальному и расчетному определению электромагнитной обстановки (ЭМО) на 100 случайно выбранных подстанциях (ПС) и электростанциях (ЭС) показали следующее (рис. 1): на большинстве объектов (84%) разности потенциалов, которые возникают вдоль кабельных трасс при молниевых разрядах в систему молниезащиты ПС и ЭС, могут превышать 16 кВ в течение планируемого срока эксплуатации объекта.

Рис. 1. Процентное соотношение ПС и ЭС, на которых при молниевом разряде разности потенциалов, приложенные ко входам МП-аппаратуры, будут достигать соответствующих значений

Возникает вопрос: почему мы берем за отсчет именно 16 кВ? Ведь уровень помехоустойчивости аппаратуры к микросекундным импульсным помехам (МИП) согласно [1, 2, 3] составляет 4 кВ (по схеме «провод–земля»). Однако, как известно, экранированные кабели с заземлением экранов с двух сторон позволяют значительно снизить уровень помех на входе МП-аппаратуры [1]. Для импульса молниевого разряда (10/350 мкс) коэффициент ослабления помех экраном кабеля составляет, как правило, не менее 4 (например, это указано в [4]). Таким образом, с учетом коэффициента ослабления импульсных помех в 4 раза, разность потенциалов 16 кВ оказывается тем показателем, превышение которого потребует дополнительных мероприятий по защите вторичной аппаратуры.

Аналогичную ситуацию можно наблюдать, если рассмотреть другой вид помех, характерных для энергообъектов, а именно одиночные колебательные затухающие помехи (КЗП). Помехоустойчивость к КЗП регламентирована также в [1, 2 и 5]. Эти помехи возникают при протекании через заземляющее устройство ВЧ-составляющей тока КЗ или при срабатывании ОПН. Типовой коэффициент ослабления таких помех экранами кабелей, заземленными с двух сторон, составляет 6 согласно [1]. Показателем, превышение которого потребует дополнительных мероприятий по защите аппаратуры, будет появление в пределах ЗУ разностей потенциалов более 24 кВ (при условии что такая аппаратура имеет достаточную помехоустойчивость и для нее уже применены экранированные кабели с двухсторонним заземлением экрана). ПС и ЭС, на которых будут необходимы дополнительные мероприятия по обеспечению ЭМС (по условиям защиты от КЗП), составляют более половины от общего числа.

Важно отметить, что часть МП-аппаратуры, применяемой на энергообъектах, не имеет максимального уровня помехоустойчивости 4 кВ к одиночным КЗП, а испытывается только на повторяющиеся КЗП по уровню 2,5 кВ. Для такой аппаратуры показатель, естественно, будет ниже и составит 15 кВ. При этом процент ПС и ЭС, проблемных по устойчивости к электромагнитным помехам (ЭМП), может значительно увеличиться.

Таким образом, уровни импульсных и высокочастотных ЭМП, возникающих на большинстве ПС и ЭС, превышают максимальные уровни помехоустойчивости МП-аппаратуры даже при условии применения экранированных кабелей с заземлением экранов с двух сторон.

КАНАЛИЗАЦИЯ КАБЕЛЕЙ

Для решения проблемы без применения дополнительных дорогостоящих устройств (например УЗИП) естественным будет использование экранирующих свойств кабельной канализации. В частности, НТД рекомендует использование заглубленных кабельных конструкций [1], экранирующие свойства которых обусловлены как наличием проводящих элементов, так и размещением кабелей ниже уровня грунта.

Следует отметить, что экранирующие свойства заглубленных кабельных каналов, обусловленные только расположением кабелей, сильно зависят от грунтовых условий и меняются с сезонным изменением этих условий. Как следствие, использование этих свойств не всегда возможно (например, на ПС со скальными грунтами). Однако кабельные каналы или лотки на ПС (ЭС), выпускаемые промышленностью, не имеют в своем составе проводящих элементов, которые могли бы дополнительно помочь экранам ослабить помехи до допустимого уровня. Имеющиеся проводящие элементы (арматура, кабельные полки) обычно не объединяются в единую цепь протекания тока вдоль кабельной трассы.

В качестве таких экранирующих элементов представляется естественным рассматривать металлические шины, проложенные вдоль лотков/каналов и заземленные по концам. Но открытым остается вопрос: сколько таких шин нужно прокладывать, как их располагать, как часто заземлять и т.п., и самое главное, какого коэффициента ослабления с их помощью можно добиться.

В настоящей статье описаны расчеты и эксперименты для двух характерных для ПС и ЭС типов кабельной канализации – поверхностных и заглубленных, которые были модифицированы для обеспечения ослабления импульсных и высокочастотных помех.

Основные задачи проведенной работы:

• повысить уровень общего коэффициента ослабления импульсных и ВЧ-помех с помощью новых типов кабельной канализации;
• обеспечить ЭМС на некоторых действующих ПС и ЭС в условиях невозможности полной замены существующих неэкранированных кабелей на экранированные кабели с заземлением экранов с двух сторон и других мероприятий.

Альтернативные пути достижения требуемого уровня ослабления помех, а именно: кардинальное улучшение ЗУ, массовое использование УЗИП, использование экранированных кабелей в условиях действующего объекта – часто бывают экономически нецелесообразны.

КОЭФФИЦИЕНТ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОМЕХ

Коэффициент ослабления помехи – это отношение уровня помехи на входе аппаратуры без учета эффекта средств экранирования к уровню помехи на входе аппаратуры с учетом этих средств.

Будем рассматривать только ослабление помех шинами уравнивания потенциалов (ШУП): смонтированными снаружи на элементах кабельной канализации и проложенными внутри кабельной канализации. При этом помехи могут создаваться как источниками, гальванически связанными с ЗУ, так и источниками, не связанными с ЗУ.

В первом случае воздействие токов молниевых разрядов, ВЧ-токов при КЗ и при срабатывания ОПН создает резко неоднородное распределение потенциалов по ЗУ ПС и ЭС. В результате между точками заземления вторичных цепей на ОРУ (например, местами заземления фазы В вторичной обмотки ТН или нуля ТТ) и местом размещения аппаратуры в ОПУ или РЩ будут возникать разности потенциалов, способные пробить изоляцию кабелей или повредить аппаратуру.

Во втором случае, например, при протекании в первичных сетях ВЧ-токов, вызванных коммутационными операциями, во вторичных цепях (проходящих на протяженных участках параллельно высоковольтным ошиновкам) могут наводиться помехи по индуктивному механизму. Эти помехи, как правило, имеют меньшую амплитуду, чем в первом случае, однако частота их возникновения может быть выше.

По результатам расчетов было установлено, что сложнее обеспечить ослабление помех, создаваемых вследствие протекания тока через заземляющее устройство (т.е. гальванически связанными с ЗУ источниками), чем помех, наводимых высокочастотными процессами в ошиновках (для случая, когда нет гальванической связи между источником помех и ЗУ).

Таким образом, рассматриваемое в настоящей работе понятие коэффициента ослабления помех определяется как отношение разности потенциалов между незаземленным концом кабеля, проложенного по территории ПС или ЭС, и ближайшей точкой ЗУ к той же разности, но с учетом взаимного влияния токов в ШУП на кабель. Обычно предполагается, что другой конец кабеля заземлен вблизи точки, где происходит стекание влияющего тока в заземлитель (молниеотвод, ОПН, любой электроаппарат, на котором произошло КЗ).

При расчетах целью было определить, при каком количестве и расположении ШУП в канале будет получен коэффициент ослабления не менее 4 для диапазона частот 25 кГц и выше.

Частота 25 кГц выбрана как минимальная, поскольку, во-первых, большинство ВЧ-процессов, связанных с протеканием через ЗУ ВЧ-составляющей тока КЗ или с коммутациями в сетях выше 110 кВ, имеют частоты выше 25 кГц [1], а во-вторых, 25 кГц – частота, близкая к диапазону частот, дающих максимальный вклад в спектр тока молнии с формой импульса 10/350 мкс [6].

Коэффициент 4 выбран на основании опыта работы на нескольких сотнях ПС и ЭС, как необходимый при применении экранированных кабелей с коэффициентом ослабления, равным 4 (так чтобы результирующий коэффициент ослабления достигал 16). При этом заземление экрана должно быть выполнено согласно требованиям [1] (приложение Е).

Коэффициент 4, таким образом, принимается для гальванически связанных с ЗУ цепей в диапазоне частот 25–100 кГц. Для цепей, гальванически связанных с ЗУ, в диапазоне частот выше 100 кГц коэффициент принимается равным 6 (п. 8.2.2.1 [1]: «Для цепей ВЧ-связи, напряжения и тока, заземленных на РУ, импульсный потенциал с определенным коэффициентом ослабления передается на вход вторичного оборудования. Наименьшее значение коэффициента ослабления для экранированных кабелей с заземлением экранов с двух сторон равно 6»).

Для цепей, гальванически не связанных с ЗУ (например цепи ОТ), указанный коэффициент будет составлять 10 [1]. Здесь мы не рассматриваем цепи, гальванически не связанные с ЗУ, поскольку коэффициент ослабления для них больше.

Таким образом, целевой минимальный коэффициент для частот от 25 кГц будет равен 4, при этом желательно, чтобы на частотах выше 100 кГц коэффициент достигал 6. Указанные параметры будут являться критерием достаточности при определении минимального количества ШУП и их взаимного расположения.

На основании результатов предварительных расчетов были изготовлены опытные образцы и на их основе на ПС смонтированы железобетонные лоток и канал для проведения тестовых измерений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Железобетонный лоток

Измерения коэффициента ослабления ЭМП железобетонным экранирующим лотком, имеющим наряду с ШУП встроенные металлоконструкции, проводились в феврале и мае 2012 г. на строящейся ПС 500 кВ «Дорохово» (фото 1). Определение экранирующих свойств проводилось для экспериментального образца лотка длиной 30 метров. Лоток размещался на поверхности грунта, что является худшим случаем для ослабления ЭМП по сравнению с заглубленным положением.

Фото 1. Тестовый образец ж/б экранирующего лотка

В местах стыков секций лотка экранирующие конструкции ШУП были соединены между собой с помощью сварки. Также ШУП каждой секции лотка соединялись сваркой посредством стальной шины, проложенной поперек секций лотка. ШУП лотка были заземлены на ЗУ ПС по концам лотка.

Результаты измерений коэффициента ослабления помех, выполненные в ПО «Контур» (для чего была создана специальная версия ПО, позволяющая рассчитывать индуктивное взаимодействие проводников), приведены на рис. 2. В расчетной модели учитывались заземлители ПС.

Рис. 2. Диаграмма результатов измерения коэффициентов ослабления ж/б экранирующего лотка

Для сравнения красными треугольниками показаны расчетные значения в программе «Контур» для кабеля вблизи крышки лотка

Коэффициент ослабления для любого из рассматриваемых положений кабеля (на дне лотка и на верхних полках вблизи крышки лотка) превышает 6 в диапазоне частот от 25 кГц до 1 МГц. Видно, что расчетные значения в интересующей нас области частот достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными. Использование нескольких ШУП позволяет даже на коротком участке лотка (30 метров) получить коэффициент ослабления не менее 7 для частоты более 10 кГц.

Измерения, проведенные в разное время года (для промерзшего и оттаявшего грунта), показали, что сезонное изменение удельного сопротивления грунта не оказывает значительного влияния на коэффициент ослабления помех.

Следует отметить, что расхождения расчетных и экспериментальных значений на высоких частотах связаны с большой погрешностью измерений, вызванных резким возрастанием влияния любых проводящих элементов системы (в том числе заземлителей ПС) при увеличении частоты в диапазоне выше 500 кГц.

Измерения коэффициента ослабления импульсных помех проводились с помощью генератора ЛУГ-М, позволяющего генерировать импульсы с током от 1 до 10 А с параметрами импульса 10/350 мкс (форма, идентичная форме молниевого импульса, согласно [6]). Как видно из полученных осцилло-грамм (рис. 3), коэффициент ослабления импульсной помехи достигает 6.

Рис. 3. Осциллограммы импульсов: синий – не ослабленный, красный – ослабленный

Кабельный канал

Измерения коэффициента ослабления прототипом подземного кабельного канала, не имеющего внутренних металлоконструкций, с дополнительными экранирующими элементами проводились в сентябре 2012 г. на строящейся ПС 220 кВ «Ока». В качестве прототипа подземного канала использовалась модель из дерева с обвязкой стальными ШУП. Определение экранирующих свойств проводилось для экспериментального образца канала (фото 2). ШУП канала были заземлены на ЗУ ПС по концам прототипа канала.

Фото 2. Макет кабельного канала

Результаты измерений коэффициента ослабления помех приведены на рис. 4. На этой же диаграмме приведены расчетные значения коэффициента ослабления. В расчетной модели учитывались заземлители ПС.
Коэффициент ослабления ЭМП превышает 4 (экспериментальные значения в большинстве своем лежат в диапазоне от 5 до 7) в диапазоне частот от 25 кГц до 1 МГц. Видно, что расчетные значения в интересующей нас области частот достаточно хорошо совпадают с экспериментальными значениями.

Рис. 4. Коэффициенты ослабления, измеренные на экспериментальном образце подземного кабельного канала для различных частот, и расчетные значения

Измерения коэффициента ослабления импульсных помех (форма импульса генератора 10/350 мкс, идентичная форме молниевого импульса, согласно [6]) показали, что коэффициент ослабления импульсной помехи достигает 5.

Как видно из проведенных экспериментов, рассматриваемые варианты экранирующей кабельной канализации позволяют обеспечить определенный выше минимальный коэффициент ослабления как для молниевого импульса, так и для КЗП в интересующем нас диапазоне частот.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ

Поскольку измерения проводились для канала и лотка только одной определенной конфигурации, нами были проведены дополнительные расчеты.

Во-первых, в расчетах было показано, что чем меньше поперечные размеры лотка/канала, тем выше коэффициент ослабления помехи. Действительно, при меньших размерах лотка/канала ШУП оказываются ближе к контрольным кабелям, что приводит к усилению индуктивного влияния и соответственно к увеличению коэффициента ослабления.

Далее нужно было определить, как ведет себя коэффициент ослабления с увеличением длины кабельной конструкции и при наличии многочисленных точек заземления ШУП на ЗУ ПС (поскольку в реальности ШУП должны заземляться, по крайней мере, в каждой ячейке на ОРУ).

Расчеты показали, что с увеличением длины канала/лотка коэффициент ослабления увеличивается. При этом заземление ШУП в промежуточных точках в большинстве случаев приводит к некоторому уменьшению коэффициентов ослабления для прямолинейных лотков или каналов. Однако может наблюдаться и увеличение коэффициента в зависимости от геометрии лотка/канала и некоторых других факторов (рис. 5 и рис. 6).

Рис. 5. Зависимость коэффициента ослабления от частоты для лотка 100 метров с одним поворотом, с ШУП, заземленными по концам (нижний график), и с дополнительными точками заземления (верхний график)

Рис. 6. Зависимость коэффициента ослабления от частоты для прямолинейных каналов длиной 80 метров с ШУП (верхний график – заземление только по концам, нижний – по концам и в промежуточных точках)

Основной вывод, который можно сделать на основании расчетов, таков: для каждой конкретной ПС коэффициент ослабления помех будет сильно зависеть от геометрии трасс прокладки кабелей (в том числе длины кабелей), количества промежуточных точек заземления ШУП, удельного сопротивления грунта и т.д. Поэтому коэффициент ослабления помех следует рассчитывать в каждом конкретном случае с учетом всех особенностей ПС или ЭС.

При этом обязательным следует считать экспериментальное определение реального коэффициента ослабления помех на ПС или ЭС после установки экранирующих конструкций на новых каналах или при модернизации существующих кабельных конструкций.

Для 16% ПС и ЭС с небольшими размерами и благоприятными грунтовыми условиями можно обойтись без дополнительных ШУП при условии применения экранированных кабелей или же использовать только ШУП без применения экранированных кабелей.

Для большинства ПС и ЭС (68%) при условии применения экранированных кабелей будет достаточно использования рассмотренных экранирующих кабельных конструкций для обеспечения защиты от МИП. Аналогичного эффекта при отсутствии экранированных кабелей можно добиться путем использования ШУП с коэффициентом ослабления помех от 4 до 16.

Для некоторых ПС, расположенных в зонах с плохими грунтовыми условиями или имеющих большую площадь (таких ПС и ЭС ~16% от общего числа), полученный минимальный коэффициент может оказаться недостаточным и потребуется выполнение дополнительных мероприятий по снижению импульсных помех, приложенных ко входам МП-аппаратуры. Для таких ПС и ЭС будет необходим коэффициент ослабления помех при молниевых разрядах, обусловленный действием ШУП в каналах, на уровне 6–9 (при обязательном условии применения экранированных кабелей). На этих объектах обеспечение ЭМС МП-аппаратуры может быть достигнуто посредством либо увеличения числа ШУП в кабельных конструкциях, либо, наряду с применением каналов/лотков с ШУП, проведения реконструкции ЗУ и других мероприятияй.

Аналогичные меры можно предпринять и для защиты от КЗП. Совместное применение экранированных кабелей и экранирующих конструкций с минимальным коэффициентом ослабления (на уровне не менее 6) позволит эффективно защитить МП-аппаратуру от колебательных затухающих помех на 96% ПС и ЭС без проведения других дополнительных мероприятий.

ВЫВОДЫ

1. Использование экранирующих кабельных конструкций позволяет обеспечить дополнительное ослабление импульсных и ВЧ-помех с коэффициентом ослабления не менее 4, а в большинстве случаев и более 6. С увеличением длины лотка коэффициент ослабления также растет. При заземлении металлоконструкций лотков в промежуточных точках эффективность экранирования может снижаться.
2. Применение экранирующих кабельных конструкций позволяет эффективно решить проблему защиты от микросекунд-ных импульсных и колебательных затухающих помех на подавляющем большинстве ПС или ЭС при условии применения МП-аппаратуры, удовлетворяющей требованиям НТД по помехоустойчивости, и использования экранированных кабелей (с заземлением экранов с двух сторон).
3. Использование ШУП может значительно облегчить и удешевить мероприятия по защите от МИП и КЗП на части существующих ПС или ЭС, где используются неэкранированные кабели. Прокладка ШУП вдоль кабельных конструкций (внутри или снаружи лотков/каналов), как правило, намного проще и дешевле, чем замена всех вторичных кабелей на экранированные. При этом, естественно, необходимо убедиться, сначала расчетным путем, а затем и экспериментально, что прокладка ШУП без использования экранированных кабелей обеспечит коэффициент ослабления помех, достаточный для защиты аппаратуры и вторичных цепей.
4. Коэффициенты ослабления помех экранирующими кабельными конструкциями необходимо определять на этапе проектирования расчетным путем, поскольку указанные коэффициенты могут зависеть от множества факторов. Без проведения таких расчетов при проектировании могут быть учтены только минимальные коэффициенты ослабления. Определение коэффициентов должно быть проведено в рамках отдельной научно-исследовательской работы, по результатам которой должен быть выпущен соответствующий нормативный документ. После завершения строительства или реконструкции необходимо провести эксперименты по определению коэффициентов ослабления помех, для того чтобы убедиться в достаточности выполненных работ и отсутствии опасности для аппаратуры и вторичных цепей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на электросетевых объектах ЕНЭС. СТО-56947007-29.240.044-2010.
2. ГОСТ Р 51317-6.5-2006. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электрических станциях и подстанциях. Технические требования и методы испытаний.
3. ГОСТ Р 51317.4.5-99. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии.
4. Матвеев М.В., Кузнецов М.Б. Имитационное моделирование растекания тока молнии по ЗУ ПС и ЭС // Энергоэксперт. 2009. № 4(15).
5. ГОСТ Р 51317.4.12-99. Устойчивость к колебательным затухающим помехам.
6. ГОСТ Р 62305-2010. Защита от молнии.