ЭЛКОН - комплексное решение проблем электромагнитной совместимости

Комплексное решение проблем электромагнитной совместимости

+7 812 915-07-78

Проблема ЭМС

Надежная и безаварийная работа современных энергообъектов во многом зависит от надёжности технологического оборудования, выполняющего функции защиты электронных компонентов, систем автоматики, средств связи и др. На объектах энергетики и промышленности, как правило, электронное оборудование и аппаратура подвержены действию электромагнитных помех, которые проявляются в виде любых электромагнитных помех, отрицательно влияющих или способных повлиять негативным образом на работу аппаратуры и оборудования.

Под термином электромагнитная обстановка (ЭМО) понимается общий уровень электромагнитных помех на конкретном энергообъекте.

Необходимо заметить, что на различных энергообъектах будет значительный разброс показателей ЭМО. Ниже рассматриваются основные проблемы, имеющие непосредственное отношение к проведению контроля и улучшению состояния ЭМО на энергетических объектах.

Среди различных видов помех, наибольший вклад вносят следующие:

  • Помехи возникающие при протекании тока КЗ в сетях с глухо- и эффективно заземленной нейтралью.
  • Импульсные помехи возникающие при плановых переключениях и отключениях.
  • Помехи вызванные молниевыми разрядами.
  • Помехи импульсного характера от функционирующих электромеханических устройств.
  • Электромагнитные поля высокой частоты, вызываемые мощными радиотехническими средствами.
  • Электромагнитные поля промышленной частоты от работающего силового электрооборудования.
  • Протекание токов значительной силы по защитным устройствам при штатной работе энергообъекта.
  • Неудовлетворительное качество напряжения в электрической сети.

При прохождении по заземляющему устройству токов короткого замыкания значительной силы в высоковольтных сетях в пределах заземляющего устройства возникает разность потенциалов. Кроме того, повышается среднее значение потенциала заземляющего устройства относительно земли. Таким образом, на вторичных кабелях и на входах электронной аппаратуры возникает опасная разность потенциалов.

Одновременно с этим при протекании токов короткого замыкания в заземляющем устройстве, а также в силовых ошиновках создаётся магнитное поле с амплитудой в несколько сотен А/м. Если трасса вторичных цепей проходит в непосредственной близости от ЗУ или силовой ошиновки во вторичных сетях возникает импульс перенапряжения. В реальной ситуации оба фактора могут проявляться одновременно, усиливая импульс наведённого тока. Магнитное поле при коротком замыкании может повредить аппаратуру, если она расположена на небольшом расстоянии от ошиновок или по пути протекания тока короткого замыкания в элементах заземляющего устройства. Типичный случай близкого расположения ошиновок и здания ОПУ представлен на рис1.

Размещение силового электротехнического оборудования подстанции вблизи здания ОПУРис. 1 - Размещение силового электротехнического оборудования подстанции вблизи здания ОПУ

При выполнении переключений в сетях высокого напряжения как правило происходят переходные процессы с высокой частотой. Данные процессы отличаются индивидуальностью для каждого энергообъекта и даже имеют различия при однообразных коммутациях. Возникающие импульсы перенапряжения вместе с ВЧ токами распространяются по всей подстанции. В результате образуются сильные электромагнитные поля, которые вызывают наводки цепях вторичной коммутации - кабелей и аппаратуры. Более того, коммутационные электромагнитные помехи проникают во вторичные кабеля через трансформаторы и фильтры присоединения ВЧ связи.

Сложная ситуация может возникнуть на современных компактных элегазовых подстанциях, где в непосредственной близости от высоковольтного оборудования размещаются панели управления и автоматики. Как правило, на электроподстанциях во вторичных цепях возникают незначительные коммутационные помехи (от 100 до 500 В). Эти помехи достаточно быстро затухают в низкочастотных кабелях и не приводят к серьезным последствиям.

Вместе с тем,в ВЧ-кабелях связи могут возникать помехи в несколько киловольт. Реальные уровни помех при коммутации оборудования связаны с сочетанием различных факторов, среди которых выделяются: геометрическая форма энергообъекта, вид и состояние ЗУ, место прокладки вторичных цепей, тип энергетического оборудования. Как правило, уровни коммутационных помех в электрических цепях энергообъектов не превышают нескольких сотен вольт. В отдельных случаях в процессе проведения измерений (Рис. 2) были зафиксированных помехи с амплитудой свыше 1 000 В.

Осциллограмма электромагнитной помехи коммутационного характера в цепях питания

Рис. 2. Осциллограмма электромагнитной помехи коммутационного характера в цепях питания

Из данного примера видно, что для точной оценки уровня коммутационных помех необходимо выполнять замеры на исследуемом объекте и при комплексном обследовании электромагнитной обстановки данный вид работ включается в техническое задание и программу работ.

В обычной молнии сила тока достигает нескольких сотен килоампер, что намного превышает ток короткого замыкания. Также следует помнить, что грозовые разряды способны повреждать не только подстанции или другие промышленные энергообъекты, но и объекты для связи и управления, которые имеют высокие мачты для радиосвязи, расположенные на территории или непосредственно на крыше здания. Большая часть импульса от удара молнии попадает по экранированным кабелям прямо на аппаратуру узла связи.

При расследовании обстоятельств выхода из строя электроаппаратуры было выявлено, что ток молнии растекается по зданию в непосредственной близи от электронных приборов. Действие импульсного электромагнитного поля вызвало повреждения аппаратуры и оборудования. Выполненные расчёты подтвердили, что напряженность магнитного поля могла достигать 1 000 А/м, что является критической величиной даже для специализированной аппаратуры, которая производится в защищённом исполнении.

Исследование электромагнитных помех модотом осциллографирования выявило, что в низковольтных и слаботочных цепях при переключении реле, выключателей, электрических приводов и других устройств, возникают коммутационные помехи. Причем частота помех намного выше, чем при аналогичных процессах в высоковольтных сетях (> 100 МГц). Например, при срабатывании электромеханического реле возникают помехи с импульсом 3 000 В. В некоторых случаях также возникали импульсы низкой частоты.

В последние годы отмечены неоднократные случаи появления сбоев при работе электронного оборудования, вызванные воздействием сильных электромагнитных полей от радиочастотных источников.

При совместной установке силового и электронного оборудования возможно появление электромагнитных полей, оказывающих постоянное воздействие на электронные приборы и оборудование. На практике часто встречаются случаи, когда превышается допустимый уровень магнитного поля диапазона 50Гц, что связано с нарушениями технических условий и норм проектирования собственных систем, предназначенных для обслуживания подстанций.

Несмотря на то, что амплитуда электромагнитных полей невелика и не может повлиять на основной функционал аппаратуры, все же проявляется ее негативное воздействие на мониторы и дисплеи информационных и контрольных устройств. При этом наблюдается быстрая утомляемость обслуживающего персонала (диспетчера, операторы и др.) и превышаются установленные нормы СанПиН.

Для многих энергообъектов подстанций является нормой протекание через систему заземления токов значительной величины. В отдельных случаях подобная ситуация возникает при серьёзных просчетах в процессе проектирования систем питания для собственных нужд. В результате на заземляющих устройствах этих энергообъектов имеется постоянный потенциал, доходящий по амплитуде до 100 В (рис.3). Данный потенциал возникает на входах цепей для связи с остальными объектами и редко оказывает непосредственное воздействие на электронную аппаратуру. Но как только нарушается симметрия, возникающая между входами в аппаратуру и цепями связи, возникают значительные электромагнитные помехи кабелях связи.

Рис. 3. Помеха с амплитудой 25 В на ЗУ объекта, связанного с "нулевым проводом".

Рис. 3. Помеха с амплитудой 25 В на ЗУ объекта, связанного с "нулевым проводом"

Качество питания электронной аппаратуры также является важным рассматриваемым фактором. Проблемы с качеством электропитания возникают как правило, на объектах с нелинейной нагрузкой. Например, тяговые подстанции, подстанции для электроснабжения крупных промышленных предприятий. Стоит отметить ещё одну проблему с качеством питания – использование устаревших ИБП (источников бесперебойного питания), стабилизаторов, инверторов.

На Рис.4 продемонстрирована кривая питания от дизель-генератора, который не соответствует современным требованиям к системе питания энергообъекта. Также опасна ситуация, при которой источники бесперебойного питания подвергаются перегрузке. В этой ситуации подключение мощных потребителей электроэнергии может спровоцировать скачки напряжения питания с последующим развитием опасных переходных процессов с амплитудой до 1 кВ. Учитывая серьёзность вышеперечисленных обстоятельств проблема ЭМС требует комплексного решения.

Рис. 4 Кривая питания от морально устаревшего дизельного генератора

Рис. 4 Кривая питания от морально устаревшего дизельного генератора

  1. Обеспечение высокой степени защищенности и устойчивости к электромагнитным помехам.
  2. Профессиональная оценка электромагнитной совместимости и реализация мероприятий по улучшению ЭМС на энергообъектах.

Каждый энергообъект имеет фактические параметры электромагнитной обстановки, зависящие от многих параметров. Существующие технические условия и нормы проектирования используют расчетное значение ЭМО, определяемое для исправного оборудования или аппаратуры. На современном этапе развития электронной промышленности в заводских условиях можно реализовать изготовление электротехнического оборудования с высокой степенью устойчивости к воздействию к интенсивным электромагнитным помехам значительной величины. Однако стоимость подобных изделий отпугнёт потенциальных покупателей. Поэтому наиболее оптимальным решением проблемы ЭМС является грамотное сочетание обоих подходов с учётом особенностей конкретной подстанции.

Проблеме ЭМС в электроэнергетике в последнее время уделяется повышенное внимание. И это связано прежде всего со следующими обстоятельствами:

  • Некорректными проектными решениями, связанными с требованиями ЭМС для различных энергообъектов.
  • Изменения проектных решений, возникающие при реализации проекта, при последующих реконструкциях энергообъекта связанные с дополнительными объемами проектирования (например, прокладка дополнительных силовых кабелей по существующим трассам).
  • Несоблюдения технологии производства строительных и монтажных работ, ведущие к возникновению серьёзных дефектов при монтаже ЗУ.
  • Неудовлетворительное состояние защитных устройств (коррозия в местах контактов приводит к ухудшению электромагнитной обстановке).
  • Повреждение ЗУ энергообъекта при выполнении земляных работ при реконструкции.

Перед размещением электронной аппаратуры и оборудования, предназначенного для защиты систем РЗА, связи, диспетчеризации, требуется обязательная проверка электромагнитной обстановки на всех энергообъектах, которые входят в состав электрической подстанции. Регулярный контроль ЭМО позволяет своевременно выявлять потенциальные опасности, исходящие от эксплуатирующихся систем заземления и молниезащиты.

Согласно сложившейся методике, оценка ЭМО содержит следующие мероприятия:

  • Оценка состояния систем заземления и молниезащиты.
  • Определение трасс растекания импульсных токов при КЗ и попадании молниевого разряда.
  • Оценка качества напряжения в сети питания.
  • Долговременный мониторинг электромагнитных помех в слаботочных цепях.
  • Измерение уровней электромагнитных помех при переключениях в информационных слаботочных цепях и цепях питания.
  • Оценка уровней электромагнитных полей проомышленной частоты и радиочастотного диапазона.

Кроме стандартной процедуры проверки заземляющих устройств на предмет сопротивления растеканию тока импульсного перенапряжения, практически всегда возникает необходимость контроля состояния электрических связей между конструктивными элементами разветвленных заземляющих устройств. Для этого используется следующая методика: на заземляющем контуре энергообъекта выбирается расчётная точка, относительно которой проверяется связь остальных точек при помощи создания токовой петли.

Потенциал каждой проверяемой точки измеряется относительно удаленной земли. Параметр на выходе – сопротивление заземляющего устройства относительно расчётной точки. Определяется как частное от деления измеренного потенциала на ток прогрузки. Если сопротивление менее 0,1 Ом, значит между проверяемыми конструктивными элементами ЗУ имеется надёжная связь. При величинах свыше 0,1 Ом возможны дефекты заземляющего устройства: отсутствие необходимых связей или их недостаточное число, небольшое значение эффективного сечения проводника заземляющего устройства (коррозия или конструктивные просчёты).

В случае выявления участков ЗУ с сопротивлением более 0,1 Ом необходимы мероприятия по модернизации заземляющего устройства. Для выполнения точных измерений применяется специальная аппаратура, отличающаяся высокой избирательностью в измеряемом диапазоне и устойчивостью к воздействию помех при сложной электромагнитной обстановке. Поиск и проверка коммуникаций заземляющих устройств при помощи универсальных трассоискателей – вполне допустимые операции при проведении ремонтных и восстановительных работ. Между тем следует учитывать то обстоятельство, что подобная аппаратура позволяет получить только приближённое представление о реальном расположении металлосвязей в пределах элементов контура заземляющего устройства, но не даёт качественную оценку.

Данная операция проводится для выявления реальных трасс, по которым растекаются токи короткого замыкания и токи молниевого разряда. Прохождение значительных по величине токов по металлоконструкциям и экранам кабелей, а также по шинам заземления приводит к появлению магнитных полей и дополнительных наводок, которые часто приводят к сбоям или выходу из строя аппаратуры и оборудования.

Для получения корректной оценки качества питающей сети производится оценка коэффициента гармонических искажений с мониторингом фактического значения в течение суток и более. Для определения продолжительности бестоковой паузы выполняется осциллографирование переключения на питание от резервных источников.

Долговременный мониторинг позволяет фиксировать реальные помехи в расширенном частотном диапазоне. Также данная операция применяется для выявления импульсных помех нерегулярного характера. Осциллограф вместе с персональным компьютером переводятся в специальный режим (режим «чёрного ящика). Это позволяет работать в автономном режиме без участия человека в течение неограниченного времени (на практике – несколько суток). Осциллограф обнаруживает и фиксирует помехи с последующей записью всех событий в память ПК.

Измерение уровня помех производится с помощью цифровых осциллографов, с частотой дискретизации 1 ГГц на канал, оснащённых функцией запоминания импульсного сигнала. Выбор заданных установок триггера зависит от конкретной операции и вида цепи, для которой выполняются измерения уровня электромагнитных помех. Оцифрованные осциллограммы заносятся в память компьютера и могут обрабатываться при помощи современных пакетов для математического анализа.

Измерение электромагнитных полей осуществляется при помощи интегрированной аппаратуры и приборов, специальных антенн и других устройств. В отдельных случаях уровень полей определяется аналитическими методами. Например, для измерения значений магнитных полей в местах размещения приборов и аппаратуры, возникающих при КЗ в высоковольтных сетях с заземлённой нейтралью.
Исходя из сложности и особой ответственности мероприятий по определению ЭМС и ЭМО при подготовке к реконструкции энергообъекта целесообразно передавать подобные работы специализированным предприятиям. Все работы должны выполняться совместно с проектной организацией, осуществляющей разработку проекта реконструкции.

Несмотря на некоторое увеличение стоимости проекта, это в дальнейшем окупается безопасной и надёжной работой оборудования. Для текущего контроля электромагнитной обстановки в течение срока эксплуатации энергообъекта между его модернизациями и реконструкциями, целесообразно привлекать персонал объекта. Целью текущего контроля ЭМО является своевременное выявление любых проблем, связанных с электромагнитной совместимостью и электромагнитной обстановкой. Для детальной диагностики и решения имеющихся проблем требуется дополнительное обследование энергообъекта, схожее по объёму и перечню работ с аналогичными мероприятиями при реконструкции.

Корректная оценка ЭМО позволяет разработать и внедрить ряд защитных мероприятий. По результатам проведенного обследования электромагнитной обстановки рекомендуется выполнить следующие мероприятия:

  • Оптимизацию заземляющего устройства объекта.
  • Выполнение трасс кабельных линийв соответствии с требованиями ЭМС.
  • Экранирование электронной аппаратуры.
  • Установку УЗИП.
  • Модернизацию систем питания.

В рамках данного мероприятия выполняется ремонт повреждённых и прокладка отсутствующих элементов заземления для снижения потенциала импульсных токов при коротком замыкании и молниевом разряде. Установка вертикальных заземлителей обеспечивает эффективную работу устройств молниезащиты, разрядных защитных устройств и ограничителей импульсного перенапряжения. Дополнительно требуется выполнить разделение заземляющих проводов для слаботочных сетей и для устройств, способных вызвать значительные помехи.

Разрыв лишних связей между элементами молниезащиты и фильтрами высокочастотных помех качественно улучшит защитные свойства ЗУ. Для надёжной защиты аппаратуры и цепей питания следует обеспечить растекание тока молнии на безопасном расстоянии от места нахождения аппаратуры и цепей питания. Завершающий этап – контроль и приведение заземляющих устройств и систем выравнивания потенциалов в соответствие с актуальными требованиями МЭК.

Для обеспечения электромагнитной совместимости требуется прокладка силовых цепей отдельно от информационных цепей, экранирование вторичных цепей с наличием двустороннего заземления, использование информационных кабелей типа «витая пара», избегание областей с высокими уровнями электромагнитных помех, использование безопасной оптической развязки, применение шин для выравнивания потенциалов, установка барьерных заземлителей и др.

В некоторых случаях повышенный уровень магнитных полей, возникающий при коротких замыканиях в высоковольтной сети, представляет серьёзную опасность для электронной аппаратуры. Для решения данной проблемы предусматриваются стандартные варианты с размещением чувствительной аппаратуры в шкафах с экранирующими поверхностями. Кроме вышеперечисленных методов снижения уровня электромагнитных помех существуют и другие решения, обеспечивающие электромагнитную совместимость различных устройств и аппаратуры.

Специфика современных электрических подстанций такова, что невозможно без значительных инвестиций в энергообъект снизить до минимальных значений уровень электромагнитных помех. Поэтому для каждого электронного устройства, от которого зависит безаварийная эксплуатация подстанции, требуется собственная устойчивость к подобного рода помехам. Это предполагает при сертификации энергообъекта или при выполнении его экспертной оценки проводить соответствующие испытания на электромагнитную совместимость.

В последние годы получили широкое распространение защитные устройства для подавления импульсных токов, возникающих в системах питания и обмена информацией. Подобные УЗИП имеют конструкцию на базе силовых элементов с ярко-выраженной нелинейной вольтамперной характеристикой. К ним можно с полным правом отнести варисторы, стабилитроны, газовые разрядники и т.д. Благодаря наличию вольтамперной характеристики с нелинейной зависимостью можно эффективно отводить импульсные помехи по стандартным схемам «проводник – земля» и «проводник – проводник», не доводя помехи до входов в аппаратуру.

Для достижения максимального эффекта от подавления электромагнитных помех в системах питания следует применять зонную защиту электронной аппаратуры. Она предусматривает монтаж защитных устройств по каскадному принципу: каждое последующее устройство рассеивает оставшуюся часть энергии импульсного перенапряжения (Рис. 5). Благодаря зонной защите можно снизить амплитуду электромагнитных помех до приемлемых безопасных значений, что гарантирует надёжную работу электронной аппаратуры, не предназначенной для постоянной эксплуатации на рассматриваемых энергообъектах.

Рис. 5. Установка ЗУ I, II и III класса (классификация МЭК) в сети типа TN-C-S с рабочим напряжением 220/380 В

Рис. 5. Установка ЗУ I, II и III класса (классификация МЭК) в сети типа TN-C-S с рабочим напряжением 220/380 В

Устройства для защиты РЗА, линий связи, управления и цифровых входов мультикаскадная структура реализуется на конструктивном уровне. Первый каскад предназначен для поглощения большей части энергии импульсного перенапряжения. Высокочастотная составляющая импульса практически беспрепятственно проходит через первый уровень, но за счет стабилитронов второго каскада практически мгновенно рассеивается (от 1 до 10 нс). По результатам тестирования, провёденного в лабораторных условиях, грозовой импульс с амплитудой порядка 4 000 В (сгенерирован испытательным устройством) был эффективно погашен (Рис. 6).

Рис. 6. Подавление грозового импульса при помощи защитного устройства с интерфейсом RS485

Рис. 6. Подавление грозового импульса при помощи защитного устройства с интерфейсом RS485

Форма импульса перенапряжения с фактической амплитудой 4 000 В

Амплитуда импульса перенапряжения уменьшена до 15 В после подключения ЗУ

Амплитуда импульса перенапряжения уменьшена до 15 В после подключения ЗУ

Для усовершенствования систем питания требуется снижение токов утечки (способствует уменьшению уровней магнитных полей и токов низкой частоты в информационных цепях), применение устройств для стабилизации питания (разделительные трансформаторы, стабилизаторы, устройства резервного питания), использование источников вторичного питания (выпрямители, источники бесперебойного питания), переход на системы TN-S или TN-C-S для разделения нулевого и заземляющего провода, создание защищённой сети питания для систем автоматизированного управления и связи.