CC BY
82
-►
Энергетика
УДК 621.311
H.B. Коровкин, A.B. Сморгонский
АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДСТАНЦИЯХ И СТАНЦИЯХ
Электромагнитная (ЭМ) обстановка на электрических подстанциях и станциях даже в штатных режимах работы характеризуется значительной напряженностью, что обусловлено наличием на этих объектах большого количества искусственных и естественных источников электромагнитных полей и их приемников. В нестационарных режимах работы, например при коммутациях, коротких замыканиях (КЗ) или ударах молнии, напряженность ЭМ полей на станциях многократно возрастает.
ЭМ возмущения приводят к возникновению помех в аппаратуре и кабелях систем контроля и управления (СКУ). Как показано в [1,2], большинство аварий наблюдается на оборудовании, относящемся к централизованным СКУ. Обычное расположение главного щита управления (ГЩУ) в центральной части главного корпуса станции, длина которого для крупных ТЭС составляет сотни метров, а для ГЭС на широких реках может превышать 700 м [3,4], обусловливает наличие большого количества протяженных кабелей, идущих от датчиков и исполнительных механизмов к ГЩУ. Кабели СКУ выходят также за пределы главного корпуса, связывая ГЩУ с другими цехами и устройствами на ОРУ, площадь которого может превышать 10 га. Кабельные лотки, где проложены кабели, заземленные экраны кабелей, сама система заземления, представляющая собой сложную трехмерную сеть из многократно соединенных проводников, проложенную по всей территории электростанции и/или подстанции — все это образует сложную многоконтурную систему, в которой наводятся ЭМ помехи. Как было отмечено, контуры этой системы могут быть весьма протяженными и значитель-
ными по площади, что делает возможным возникновение в них помех большой амплитуды.
Согласно [5] одно из важнейших требований кустройствам автоматизации — это обеспечение их электромагнитной совместимости (ЭМС) с целью исключения некорректной работы. Однако анализ повреждений и отказов устройств СКУ, проведенный на электростанциях России в последние годы, показал, что около 10 % таких аварий обусловлены неблагоприятной ЭМ обстановкой [1, 2]. Поэтому анализ ЭМ обстановки — актуальная задача как при модернизации действующих, так и при проектировании новых объектов электроэнергетики. На действующих объектах даже с помощью натурных экспериментов весьма сложно определить местоположение источника ЭМ воздействий, создающего наиболее опасные помехи в кабелях СКУ. Это обусловливает целесообразность сочетания экспериментальных и расчетных методов при анализе ЭМ обстановки по рекомендациям, приведенным в [6]. Детальное математическое моделирование электроэнергетических объектов с многокомпонентной структурой — весьма сложная и трудоемкая задача, поэтому актуальны разработка и совершенствование упрощенных методик оценки ЭМ обстановки.
Практика проектирования показала [1, 7], что запаздывание с мероприятиями по обеспечению ЭМС значительно увеличивает стоимость их реализации. Поэтому целесообразно разрабатывать меры по соблюдению требований ЭМС на ранних стадиях подготовки проектной документации. Программные комплексы систем автоматизированного проектирования (САПР), например 8та11Р1ап1, позволяют получать точные данные о месте установки основного электротех-
нического оборудования и геометрии токопро-водов, системах заземления и молниезащиты, а также координаты трассировки кабелей СКУ. Эти данные являются исходными для оценки ЭМ обстановки на начальном этапе проектирования и разработки мероприятий по уменьшению Э М помех до допустимых значений.
При решении сложных задач, к которым относится обеспечение ЭМС на крупных электроэнергетических объектах, принято разделять их по иерархическому принципу Введение "правильной" иерархии позволяет выделять в сложной комплексной задаче относительно простые подзадачи и, что главное, анализировать каждую из них независимо от других с последующим объединением результатов расчетов для анализа электромагнитной обстановки всей системы. Такой подход значительно упрощает анализ и сравнение различных проектных решений. В области ЭМС он носит название топологического моделирования [10, 11], его и будем использовать далее применительно к объектам электроэнергетики.
Рассматриваемую в данной работе комплексную задачу оценки ЭМС и определения помех, наводимых в жилах кабелей СКУ, можно условно разделить на два иерархических уровня. Первый, внешний уровень исследует следующие источники ЭМ воздействий: токопроводы, силовое оборудование, системы молниезащиты и заземления. Соответствующую задачу определения помех, наведенных этими источниками в экранах кабелей СКУ, будем называть внешней. Объектом исследования второго, внутреннего уровня является экранированный кабель СКУ. В данной подзадаче источник ЭМ возмущений —
ток, протекающий по экрану кабеля. Задачу определения помех, которые он создает во внутренних жилах кабеля, будем называть внешней.
Внешняя задача
Источники ЭМ помех и их основные параметры, характерные для электрических станций и подстанций [1,7], приведены в табл. 1.
Анализ помех от источников 1 и 5 требует использования специальных подходов, выходящих за рамки данной работы, а здесь будем рассматривать наиболее часто встречающиеся на практике источники 2—4, для которых возможно применение единой методики проведения расчетов.
Пути проникновения. Генераторные токопроводы от выводов генератора до внешней стены машинного зала расположены внутри корпуса электростанции, а следующая их часть — до здания РУ генераторного напряжения или повышающего трансформатора — находится обычно снаружи корпуса. Система молниезащиты состоит из отдельных стержневых и тросовых молни-еприемников на ОРУ, а также молниезащитной сетки на крышах зданий и молниеспусков вдоль их стен. РУ разных классов напряжений могут быть открытого или закрытого типа исполнения.
Применим принцип ЭМ топологии для анализа путей проникновения помех, созданных источниками, перечисленными выше (строки 2—4 таблицы 1). Для этого выделим защитные барьеры, препятствующие проникновению помех. Первый ЭМ барьер — здание главного корпуса, в котором расположены кабели и аппаратура СКУ; второй барьер могут образовывать корпуса устройств и кабельные лотки; третий — экраны кабелей.
Таблица 1
Источник электромагнитных помех на электрических станциях и подстанциях
№ Тип помехи Амплитуда Частотный диапазон, Гц
1 Низкочастотные ЭМ помехи естественного происхождения, В/км 2 (1-10)-106
2 Помехи промышленной частоты, кА 1-40 50
3 Удары молнии, кА 50-200 10-5-106
4 Коммутации и КЗ в РУ, кА 1-40 (1-100)-106
5 Искусственно создаваемые ЭМ импульсы, В/м 100 (0,1-100)-106
Все перечисленные ЭМ барьеры далеко не совершенны и имеют большое количество точек входа в виде апертур (окна, двери, вентиляционные отверстия, отсутствие соединений арматуры в стенах здания, неполное экранирование кабел ьных лотков). Другими точками входа могут сл ужить вводимые в здание неэкранированные кабели питания и заземленные экранированные кабели, проложенные хотя бы частично в одном лотке с кабелями СКУ, а также трубы — водопроводные, газовые, вентиляционные и отопительные. ЭМ помехи, возникающие при коммутациях на РУ, могут наводить в этих инженерных коммуникациях значительные токи, которые будут протекать в непосредственной бл изости от аппаратуры и даже проникать внутрь металл ических корпусов аппаратуры через вводы системы питания. Таким образом, первые два из предполагаемых ЭМ барьеров могут быть легко пройдены. Проникновение помех сквозь третий барьер подробнее рассмотрено далее.
ЭМ возмущения проникают в приемник по следующим путям (связям): через общее сопротивление, через индуктивности, по емкостной связи, а также по связи излучением.
Приемники ЭМ помех — контуры, образованные кабелями СКУ, кабельными лотками и проводниками системы заземления. Как отмечалось выше, линейные размеры и площади таких контуров весьма велики. Резул ьтаты анализа [9] путей проникновения помех, приводящих к отказам СКУ, приведены в табл. 2.
Поскольку кабельные системы на электростанциях и подстанциях содержат тысячи кабелей, их модел ирование представляет значительные трудности [10], связанные в первую очередь с необходимостью определения параметров схемы замещения экранов кабелей и проводников заземления, а также учета взаимного влияния системы заземл ения, кабел ьных л отков и кабелей, прол оженных в них.
Как показано на рис. 1, для кабеля с экраном, заземленным с обеих сторон, необходимо определить эквивалентные ЭМ параметры всех элементов, включая, в частности, взаимные индуктивности между экранами, лотком и системой заземления.
В общем случае требуется определить взаимные индуктивности между кабелями в одном лотке. Для кабелей с экранами, заземленными с одного конца, при ВЧ воздействиях (табл. 1, строки 3,
Таблица 2 Пути проникновения ЭМ помех в СКУ
Тип кабелей Заземление экрана кабелей Отн осительн ое число помех, %
Неэкрани-рованные _ 60
Экранированные С обоих концов 15
Со стороны приемника 13
Со стороны источника 4
Не указано 8
4) необходимо также рассчитать емкости между экраном и лотком и между экранами кабелей.
Методика решения внешней задачи. Для вычисления ЭДС, наводимой источниками ЭМ помех в контурах, образованных экранами кабелей, кабел ьным и л отками и проводн иками системы заземления, необходимо определ ить магнитный поток Ф сквозь поверхность 5 отдельного контура. Наиболее просто Ф можно определ ить с использованием векторного магнитного потенциала: Ф = (§Ай1. В случае прямолинейного от/
резка проводника с током, пренебрегая краевыми эффектами вблизи концов отрезка, можно рассматривать поле как плоскопараллельное, ток направлен вдоль оси г цилиндриче-
б)
Заземление
-
■-нот
ж.
е е
е(г)
е(г)
Я»
*М
заз-экр
Рис. 1. Принципиальная схема (а) СКУ с экраном, заземленным с двух сторон, и соответствующая ей расчетная схема замещения (б)
ской системы координат. С учетом рассматриваемых далее допущений об однородности магнитных свойств среды можно считать, что векторный потенциал на расстоянии гот проводника с током / имеет единственную составляющую Д,, совпадающую с направлением тока: Д, = (//2я)-1п(1//'). Интегрированием Аг определяются ЭДС во всех контурах, по их значениям составляется вектор ЭДС источников Е.
Далее необходимо рассчитать параметры кабелей, кабельных лотков и заземления на основе модели, описанной выше. По информации о значениях собственных и взаимных сопротивлений, учитывающих индуктивные связи и емкости между кабелями, сопротивления контактов в местах соединения экранов кабелей с сетью заземления или корпусами устройств СКУ, составляется матрица Z. Теперь внешняя задача состоит в определении вектора токов I во всех контурах посредством решения системы уравнений ZI = Е. По найденным значениям контурных токов рассчитывают токи в экранах кабелей и по ним определяют величины помех на входе устройств СКУ путем решения внутренней задачи, которая рассматривается далее.
При внешней простоте решение внешней задачи достаточно трудоемко, поскольку, какуже отмечалось, порядок матрицы Z даже при грубых приближениях составляет несколько тысяч. Увеличение детализации воспроизведения реальной геометрии кабелей не приводит к существенному улучшению точности определения ЭМ параметров, входящих в матрицы Z, и слабо влияет на результаты расчетов. Поэтому целесообразно применение упрощенных методик, дающих приближенные оценки (желательно, оценки сверху), что позволяет проанализировать воздействие ЭМ помех от многообразных источников на разветвленную кабельную систему для различных случаев при приемлемых затратах.
Рассмотрим основные допущения, которые принимаются далее и позволяют значительно упростить решение внешней задачи:
а) отсутствие обратной реакции. Источники ЭМ помехи создают магнитный поток Ф, наводящий в контурах, образованных экранами кабелей и системой заземления ЭДС, ток/, который создает магнитный поток, стремящийся уменьшить исходный поток Ф. Потоком Ф' пренебрегаем;
б) упрощенная геометрия системы. Будем полагать, что участки проводников источников ЭМ помех, кабельных лотков, экранов кабелей, элементов сети заземления в большинстве случаев расположены взаимно параллельно или перпендикулярно. Это позволяет значительно уменьшить размерность задачи, так как необходимо учитывать наводки только от взаимно параллельных проводников. Кроме того, пренебрегаем краевыми эффектами у проводников с током. Тогда созданное ими ЭМ поле совпадает с полем бесконечного проводника, расчет которого относительно прост [8];
в) поверхностный эффект при определении параметров проводников также будем учитывать упрощенно, используя для оценочного расчета некоторую характерную для данного типа воздействий частоту;
г) магнитная однородность среды также предполагается, и это существенно упрощает использование для расчетов векторного магнитного потенциала.
Приведенные допущения позволяют получать, по нашим оценкам, величины наводимых токов и ЭДС с относительной погрешностью не более 50 %, что достаточно для решения вопросов о необходимости специальных мер по защите оборудования от наводимых токов и напряжений, а также выработки рекомендаций по снижению наводок.
Внутренняя задача
Внутренняя задача состоит в определении величины помехи, наведенной между внутренней жилой кабеля и его экраном. Результаты решения внешней задачи — значения токов экранов кабелей — служат исходными данными (источниками) для внутренней задачи. Для решения внутренней задачи необходимы также характеристики помехозащищенности кабелей, важнейшими из которых служат передаточные сопротивления кабелей.
Передаточное сопротивление. Ток/экр, протекающий по экрану кабеля, создает внутри него осевое электрическое поле. Вследствие поверхностного эффекта распределение тока и электрического поля не будет однородным по ширине сечения экрана кабеля. Осевая компонента электрического поля создает напряжение мвн между внутренним проводником и экраном кабеля. Величина Zf = мвн//экр, имеющая смысл передаточ-
ного сопротивления, характеризует экранирующие свойства экрана кабеля. Известны теоретические зависимости передаточного сопротивления от частоты для кабелей с полужесткими [12] и плетеными [13] экранами. Тем не менее даже кабели одной и той же марки, выпущенные разными производителями, могут существенно отличаться по этому параметру [14]. Поэтому при выборе кабелей рекомендуется либо запрашивать частотную характеристику конкретного кабеля непосредственно у его производителя, либо проводить ее экспериментальное определение на образце выбранного кабеля.
Экспериментальное определение передаточного сопротивления. Существуют различные методы проведения эксперимента по определению передаточного сопротивления кабелей. Схема наиболее простой экспериментальной установки по методу триаксиальной линии, в которой используются только специальные коннекторы и рефлектометр, приведена на рис. 2.
С помощью рефлектометра можно определить матрицу 8 параметров рассеяния четырехполюсника, обведенного на рис. 2 пунктиром. При этом коннекторы, представляющие собой сложные неоднородные системы, оказывают сильное влияние на результаты измерений, особенно вблизи резонансных частот экспериментальной установки.
Для устранения этого недостатка можно использовать усовершенствованную методику [15]. Экспериментальная установка может быть представлена каскадным соединением трех четырехполюсников (А, В и С), как показано на рис. 2. Четырехполюсник В — это кабель, передаточное сопротивление которого измеряется, А и С — коннекторы, соединяющие исследуемый кабель с рефлектометром.
Далее необходимо выполнить серию экспериментов по описанной ранее методике и определить матрицы параметров рассеяния 8А и 8С для обоих коннекторов, а также матрицу 8 всей системы, включающей кабель и два коннектора. Затем по формулам перехода [16] вычислить матрицы А-параметров соответствующих четырехполюсников.
Поскольку четырехполюсники соединены каскадом, что для них действительно соотношение
: АаАвАс,
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
откуда матрицу А-параметров четырехполюсника В, описывающую непосредственно исследуемый кабель, можно определить по выражению
А^Ад'ААс1.
Затем по обратным формулам перехода [16] можно преобразовать матрицу Ав в матрицу 8В:
8« —
В12
$В2\ $В22.
Таким образом, в отличие от исходной матрицы 8, параметры рассеяния 8В более точно описывают исследуемый кабель, поскольку в них не входят параметры коннекторов.
Используя полученные параметры, можно рассчитать передаточное сопротивление кабеля по формуле [15]
^=2 Я-
В2\
где — интеграл, зависящий от параметров кабеля; Я — сопротивление используемого в экспериментальной установке резистора.
Рассмотренный метод позволяет определять передаточное сопротивление кабеля в диапазоне частот вплоть до нескольких ГГц, что достаточно для исследования рассматриваемых ЭМ помех от грозовых и коммутационных импульсов, воздействующих на кабели СКУ.
Задача оценки ЭМ помех на электростанциях и подстанциях весьма актуальна. Помехи создаются в значительных по площади контурах, образованных кабельными сетями СКУ и проводниками системы заземления. В статье предложена методика расчета помех, наводимыхто-
копроводами с токами промышленной частоты и молниезащитной системой при протекании по ней импульсов молнии, а также помех, создаваемых при коммутациях в высоковольтных цепях.
Исходные данные для расчета по предложенной методике имеются уже на ранних стадиях
проектирования. Благодаря этому можно прорабатывать вопросы ЭМС на стадии планирования, что позволяет избежать проблем по электромагнитной совместимости оборудования, а также дополнительных расходов по исправлению проекта на стадии ввода в эксплуатацию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К.
и др. ЭМС в электроэнергетике и электротехнике / Под ред. А.Ф. Дьякова. М.: Энергоатомиздат, 2003.
2. Даниленко К.Н., Сарылов В.Н., Сивоконь В.П. ЭМС, эффективность и безопасность эксплуатации атомных станций / Тр. Vll-ro международного симпозиума по ЭМС и электромагнитной экологии, 26-29 июня 2007. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Санкт-Петербург. 2007.
3. Купцов И.П., Иоффе Ю.Р. Проектирование и строительство тепловых электростанций. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985.
4. Korovkin N.V., Modulina A.N., Smorgonskiy A.V. Noise immunity of cable networks in the control systems of power plants / Proc. of the 7th int. Symp. and Exhibition on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. St-Petersburg State Electrotechnical University "LET1", 26-29 June 2007. St.-Petersburg, 2007.
5. Основные положения технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 года / РАО "ЕЭС России", 2003.
6. СО 34.35.311—2004: Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях / РАО "ЕЭС России", 2004.
7. Хабигер Э. ЭМС. Основы ее обеспечения в технике // Пер. с нем. И.П. Кужекина / Под ред. Б.К. Максимова. М.: Энергоатомиздат, 1995.
8 Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. СПб.: Питер, 2003.
9. Ametani et al. "Electromagnetic disturbances of control circuits in power stations and substations experienced in Japan" / 1ET, 2007.
10. Tesche F.M., lanoz M.V., Karlson T. EMC Analysis Methods and Computational Models. New York: Wiley-lnterscience, 1997.
11. Baum C.E. Electromagnetic Topology: A Formal Approach to the Analysis and Design of Complex Electronic Systems / 4th Symp. and Technical Exhibition on EMC Zurich. March 1981. P. 209-214.
12. Вэнс Э.Ф. Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели / Пер. с англ. Г.М. Мосина; Под ред. Л.Д. Разумова. М.: Радио и связь, 1980.
13. Sclielkunoff SA. The electromagnetic theory of coaxial transmission lines and cylindrical shields // Bell Syst. Tech. J. 1934. Vol. 13.
14. Fourie A.P.C., Givati O., Clark A.R. Simple technique for the measurement of the transfer impedance of variable length coaxial interconnecting leads // IEEE Transaction on EMC. 1998. Vol.40, № 2.
15. Korovkin N., Nitsch J., Scheibe H-J. Improvement of cable transfer impedance measurement with the aid of the current line method" / Proc. of the 2003 IEEE int. Symp. on Electromagnetic Compatibility. March, 2003, Istanbul, Turkey.
16. Коровкин H.B., Сморгонский A.B. Реализация соотношений между матрицами A, Z, Y, Н и S-параметров для каскадно включенных четырехполюсников / Всеросс. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов "XXXV Неделя науки СПбГПУ". 20-25 ноября 2006 г. СПб.
УДК621.31 1:621.316
В.А. Раков, Ф. Рашиди
ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ МОЛНИИ И МОЛНИЕЗАЩИТЫ ЗА ПОСЛЕДНИЕ 10 ЛЕТ
Первый специальный выпускжурнала"IEEE имолниезащите, был опубликован в ноябре 1998 Transactions on Electromagnetic Compatibility", года по инициативе главного редактора журнала посвященный физике и эффектам молнии Мотохиза Канда. Четыре приглашенных редак-
