Обеспечение производственной электромагнитной безопасности токоограничивающих реакторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.318.4

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИХ РЕАКТОРОВ

© 2009 Н.Б. Рубцова2, М.Ш. Мисриханов1, А.Ю. Токарский1 1Филиал ОАО «ФСК ЕЭС» - Магистральные электрические сети Центра 2 НИИ медицины труда РАМН Статья получена 24.09.2009 г.

В работе рассмотрены уровни напряженности магнитного поля (МП), создаваемого токоограничи-вающими реакторами РТОС-10-3150-0,25-У3 в закрытом распределительном устройстве 10 кВ и в местах нахождения персонала, и показана эффективность применения комбинированных электромагнитных экранов для ограничения этого МП до предельно допустимого уровня

Ключевые слова: электромагнитная безопасность, токоограничивающие реакторы, напряженность магнитного поля

Основным документом, регламентирующим предельно допустимые уровни (ПДУ) магнитных полей (МП) промышленной частоты (ПЧ) для персонала, является СанПиН 2.2.4.1191 - 03 «Электромагнитные поля в производственных условиях» [1], где ПДУ МП ПЧ устанавливаются для условий общего (на все тело) и локального (на конечности) воздействия (см. табл. 1) по значениям напряженности Н МП в производственных условиях.

По помехоустойчивости уровни напряженности МП в зависимости от степени жесткости при постоянной интенсивности нормируются в пределах от 1 А/м до 100 А/м [2].

Таблица 1. ПДУ воздействия МП ПЧ на персонал

Время пребывания, час ПДУ МП, H [А/м] У при воздействии

общем локальном

< 1 1600 6400

2 800 3200

4 400 1600

8 80 800

МП, создаваемое токоограничивающими реакторами в ЗРУ-10 кВ. Рассмотрим проект размещения четырех токоограничивающих реакторов РТОС-10-3150-0,25-У3 в здании ОПУ и ЗРУ-10 кВ. Схема размещения реакторов в осях координат XOY показана на рис. 1, а в осях YOZ - на рис. 2.

Рубцова Нина Борисовна, доктор биологических наук, заведующая отделом. E-mail: [email protected] Мисриханов Мисрихан Шапиевич, доктор технических наук профессор, генеральныыш директор. E-mail: mmsh@mes-centraru

Токарский Андрей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, главныый специалист. E-mail: [email protected]

"О Âb

.о

го

¿1 'О

7о

ZL^

I

¥

'Я гс ni il 4M au клетка

Рис. 1. Схема размещения четырех токоограничивающих реакторов РТ0С-10-3150-0,25-У3 и осей XOY в здании ОПУ и ЗРУ-10 кВ. Первый этаж

Каждый виток реактора (см. рис. 3) выполнен в виде пучка, состоящего из четырех проводов (см. рис. 4). Высота пучка 11,7 мм, а ширина 18 мм. Плоскость витка расположена на расстоянии середины высоты пучка, т.е. на расстоянии 5,85Ш6 мм выше нижнего торца пучка. Высота фундамента над уровнем z=0 м составляет 0,15 м. Расстояние между фундаментом и плоскостью нижнего витка обмотки реактора 0,662 м. Тогда Ьиб=0,15+0,662+0,006= 0,778 м. Число витков в ряду обмотки реактора N=37. Зазор между соседними витками в ряду составляет 16 мм, тогда расстояние между плоскостями соседних витков, т.е. шаг «n» намотки витков в ряду, составит n=16+11,7=27,7 мм. Высота обмотки реактора h=n-(N-1)=27,7-36 =997,2 мм, т.е. h=0,997 м. Радиус R0T0P внутреннего торца внутреннего ряда обмотки реактора составляет 420 мм (см. рис. 5), тогда радиус витка внутреннего ряда R0=429 мм, т.е. R0=0,429 м. Аналогично определяется шаг намотки рядов AR0=0,034 м. Координаты расположения осей обмоток реакторов по оси OX даны в таблице 2.

Рис. 2. Схема размещения токоограничивающих реакторов РТОС-10-3150-0,25-У3 и расчетных уровней по осям 07 и 0У в помещении ЗРУ-10 кВ

Каждый виток реактора (см. рис. 3) выполнен в виде пучка, состоящего из четырех проводов (см. рис. 4). Высота пучка 11,7 мм, а ширина 18 мм. Плоскость витка расположена на расстоянии середины высоты пучка, т.е. на расстоянии 5,85Пб мм выше нижнего торца пучка. Высота фундамента над уровнем г=0 м составляет 0,15 м. Расстояние между фундаментом и плоскостью нижнего витка обмотки реактора 0,662 м. Тогда ЬНв=0,15+0,662+0,006 = 0,778 м. Число витков в ряду обмотки реактора N=37. Зазор между соседними витками в ряду составляет 16 мм, тогда расстояние между плоскостями соседних витков, т.е. шаг «п» намотки витков в ряду, составит п= 16+11,7=27,7 мм. Высота обмотки реактора Ь=п-(^1)=27,7-36 =997,2 мм, т.е. Ь=0,997 м. Радиус К0Т0Р внутреннего торца внутреннего ряда обмотки реактора составляет 420 мм (см. рис. 5), тогда радиус витка внутреннего ряда К0=429 мм, т.е. К0=0,429 м. Аналогично определяется шаг намотки рядов ДК0=0,034 м. Координаты расположения осей обмоток реакторов по оси ОХ даны в таблице 2.

г+

-- сшсшоо

рпооор □□□□□□

распоп □□аппп

□□□□□а □□□□□□

РООРОР □ □□□□□ - -

РРОРЕЗР-г -

□□□□□□т

еоаооо 1 □ □□□□

арарра

боарпо □□□□□□

РРОРРО

Епапап □ □□□о

оаааоо □□□□□□

□□□□□о попсзап □□□□□о мвввн

0,000

п

ооаосш □□□□□а □□□□□с □□□□□с

□□□□□С

□□□□□а □□□□□о □□□□□с □опопо

РРРРРП

аооаоо □□□□□а □□□□□а □□□□□о □□□□□а □□□□□а

рроррр

□□□□□а □□□□□□

рррррр РРОРРО

□□□□□о

ОРОРРП □ □ о □ □ □

оаоооа

- ВН ШК N

- НИ 1(1 К N-1

- НИ I ок N-2

Рис. 4. Пучок из четырех проводов, образующий виток

Рис. 3. Схема обмотки реактора

Рис. 5. К определению радиуса внутреннего ряда и шага намотки по рядам

Число витков обмотки реактора Р=8. Число параллельных электрических ветвей, витки которых прошли транспозицию с целью выравнивания сопротивлений этих ветвей, равно С=8. Токи во всех ветвях реактора одинаковы и составляют 1р/С. Наибольшее значение модуля тока в обмотке реактора 1р=2850 А (по данным проектировщиков). Шкафы, содержащие микропроцессорные платы, расположены в помещении ЗРУ-10 кВ на втором этаже. На рис. 2 показана схема размещения шкафов и расчетных уровней по осям 07 и 0У в помещении ЗРУ-10 кВ. Распределение напряженности МП на расчетных уровнях рассчитывалось по программе «Реактор МП» [3]. На рис. 6 показано распределение напряженности Нтах (действующее значение по большей полуоси эллипса) МП, создаваемого четырьмя трехфазными реакторами на уровне +5,6 м (г=5,6 м, или 2,0 м от поверхности пола помещения ЗРУ-10 кВ) при номинальном токе реактора 3150 А.

Таблица 2. Координаты расположения осей обмоток реакторов по оси ОХ, м

Реакт. 1 2

Фаза А1 В1 С1 А2 В2 С2

х, м -16,07 -13,42 -10,77 -6,77 -4,12 -1,47

Реакт. 3 4

Фаза А3 В3 С3 А4 В4 С4

х, м 1,47 4,12 6,77 10,77 13,42 16,07

й/п г=5.6

у=2м

=2.5 У=2,5М у=2.95м

/ЛУ у=3,45м

А \ н л/А у=3,95м

А" г/у

щтлх у ¡Л Им .1 Я

.0000 а- -к 000 XI \ у=4,1м .0000 у! 0000 X, и

Рис. 6. Распределение напряженности Н^ в помещении ЗРУ-10 кВ на уровне +5,6 м для у=2 м, 2,5 м, 2,95 м, 3,45 м, 3,95 м и 4,1 м при номинальном токе реактора 3150 А

Наибольшее воздействие МП со стороны реакторов оказывается на технические средства, размещенные в ближнем к реакторам ряде рабочих шкафов помещения ЗРУ-10 кВ. Для второго (удаленного от реакторов) ряда рабочих шкафов Нтах не достигает значения 30 А/м даже при токе 3150 А. В рабочих шкафах размещены блоки, содержащие микропроцессорные платы, на которые воздействие МП ограничено величиной напряженности 30 А/м. Блоки, содержащие микропроцессорные платы,

расположены в шкафах на расстоянии 1,8 м от пола помещения ЗРУ-10 кВ, т.е. на уровне г=5,4 м. Наибольшее значение тока в реакторах при максимальной нагрузке составляет по данным проектировщиков 2850 А. На рис. 7 показано перевернутый относительно координаты х=0 м график распределения напряженности МП на уровне г=5,4 м для у=3,7 м и 4,1 м при изменении х от -24 м до 33 м. График совмещен с планом помещения ЗРУ-10 кВ.

Рис. 7. График распределения напряженности МП на уровне г = 5,4 м для у = 3,7 м и 4,1 м при изменении х от -24 м до 33 м, совмещенный с планом помещения ЗРУ-10 кВ

н

Для всех шкафов на расчетном уровне напряженность МП превышает 30 А/м (наибольшие значения Нщ^: 54 А/м для у=3,7 м и 44 А/м для у=4,1 м), что может привести к выходу из строя микропроцессоров, регламентированных для четвертой степени жесткости по помехоустойчивости. Для устранения такой возможной причины выхода из строя микропроцессоров необходимо либо перенести реакторы хотя бы на 0,5 м к наружной стенке здания, либо использовать блоки, содержащие микропроцессоры, регламентированные по пятой степени жесткости [2] (Н^^ЮО А/м), либо установить на реакторы электромагнитные экраны.

МП, создаваемое токоограничивающими реакторами на лестничной клетке. На расстоянии 1572 мм от оси крайнего реактора расположена поверхность стены лестничной клетки (см. рис. 1 и 8). На рис. 8 показана область расчета напряженности МП на лестничной клетке здания ОПУ и ЗРУ-10 кВ. Расчет проводился по прямой, соединяющей оси реакторов (при у=0 м, где Ншах имеет наибольшие значения) для уровней х=17,644 м, 18,144 м, 18,644 м, 19,144 м и 19,644 м при изменении г

от 0 м до 7 м. 1р=2850 А. На рис. 9 показано распределение Ншах на расчетных уровнях.

Напряженность МП на поверхности стены лестничной клетки на высоте 0,94 м и 1,58 м составляет 1,954 кА/м, что (см. табл. 1) исключает возможность появления обслуживающего персонала в данном помещении. На расстоянии 0,5 м от стены Ншах=860 А/м, на расстоянии 1 м - Ншах=450 А/м, на расстоянии 1,5 м - Ншах=260 А/м, а на расстоянии 2 м -Ншах=170 А/м. Для устранения вредного воздействия МП на обслуживающий персонал необходимо либо перенести лестничную клетку на противоположенную сторону здания ОПУ и ЗРУ-10 кВ, либо отодвинуть реакторы от стены лестничной клетки на 3 м, увеличив на 3 м длину здания ОПУ и ЗРУ, либо экранировать стену камеры реактора с помощью ферромагнитного экрана (листы пермаллоя, трансформаторное железо и т.п.) хотя бы до значения напряженности МП на поверхности стены лестничной клетки Ншах<1600 А/м со временем пребывания персонала в данном помещении менее 1 часа в сутки, либо установить на токоограничивающие реакторы электромагнитные экраны, обеспечивающие снижение уровней МП до необходимых значений.

Рис. 8. Область расчета напряженности МП на лестничной клетке здания ОПУ и ЗРУ-10 кВ

Рис. 9. Распределение напряженности Ншах на лестничной клетке для расчетных уровней х=17,644 м, 18,144 м, 18,644 м, 19,144 м и 19,644 м. 1р=2850 А

н

Ограничение уровня напряженности МП с помощью комбинированных электромагнитных экранов. Снизить уровень напряженности МП в помещении ЗРУ-10 кВ и на лестничной площадке можно в результате установки на реакторы комбинированных электромагнитных

экранов (КЭМЭ) [4]. Рассмотрим один реактор РТОС-10-3150-0,25-У3 (см. рис. 10), на котором на середине его обмотки установим однорядный электромагнитный экран (ЭМЭ4в), содержащий 4 витка (N=4, Р=1) радиусом 0,8 м, намотанных с шагом п=0,1 м.

Рис. 10. Реактор РТ0С-10-3150-0,25-У3 с КЭМЭ

На расстоянии 0,2 м от торцов обмотки реактора разместим двухслойные электромагнитные экраны (ЭМЭ2Ч2), содержащие по два витка в слое (N=2, Р=2), намотанных с шагом по слоям п=0,1 м и по виткам ПК0=0,1 м. Все ЭМЭ выполнены медным прямоугольным проводом с размерами «по меди» - высотой ЬПР=5 см и шириной д=4 см. Соединение всех ЭМЭ в КЭМЭ - согласно-параллельное, выполненное шинами из того же провода. Расчет параметров реактора, КЭМЭ и напряженности МП проводился по программе «Реактор -ЭМЭ» [5]. При полном токе реактора 2850 А

в крайних ЭМЭ наводятся токи 1лп=2605е-

Д79°

.-Д79°

А, а в среднем ЭМЭ ток = 5210е-

А. МП, создаваемое токами КЭМЭ, направлено встречно магнитному полю реактора и

компенсирует последнее. Индуктивное сопротивление обмотки реактора составляет 0,270 Ом, а с учетом влияния комбинированного ЭМЭ при его согласно-параллельном соединении снижается до 0,184 Ом. На рис. 11 показано распределение напряженности Нтах МП на уровне г=5,4 м (уровень расположения микропроцессорных плат в рабочих шкафах ЗРУ-10 кВ) для у=3,7 м (ближний торец микропроцессорной платы), создаваемого одним реактором (первый реактор третьей группы с координатой оси х=1,47 м, см. рис. 1 и табл. 2) - кривая «Реактор», установленным на нем КЭМЭ -кривая «Экран» и совместно реактором и экраном - кривая «Реактор+экран». На рис. 12 показана отдельно кривая «Реактор+экран».

Нтах

40. в

-4.0 '"""-3.0 3 -а:о"" -1?0 '0Т0" 1?00 ^'2?00 3.00 4.0

-2,53 -1,53 -0,53 0,47 1,47 2,47 3,47 4,47 5,47

Рис. 11. Распределение напряженности Нтах МП на уровне г=5,4 м для у=3,7 м

А/м у=3.7 г=5.4

А/м

- > Реак / тор

/ Экран /\ \

2_1 \ \

/ N

Л Реактор+экр 1/ ан ,, „

Рис. 12. Кривая «Реактор+экран» распределения напряженности Н^ МП на уровне г=5,4 м для у=3,7 м

Установка на реактор КЭМЭ позволила снизить напряженность МП в месте расположения микропроцессорных плат с 77,56 А/м до 1,043 А/м. МП токов соседних обмоток трехфазного реактора и МП токов обмоток соседних реакторов, если обмотки соседних реакторов установлены в последовательности типа А1,В1,С1 - А2,В2,С2 - и т.д. (см. рис. 1 и табл. 2), за счет сдвига фазных токов на 120° компенсируют МП, создаваемое током рассматриваемой обмоткой реактора. В нашем случае Нтах компенсируется примерно с 78 А/м до 30 А/м (см. рис.11, рис. 12 и рис. 7, кривая у=3,7 м, для х=1,47 м), т.е. более, чем в 2 раза для данного расположения реакторов. Тогда, если на обмотки всех реакторов одинаково установить КЭМЭ одинаковой конструкции, то напряженность результирующего МП по сравнению с напряженностью МП одного реактора с КЭМЭ также уменьшится более, чем в 2 раза и составит на рассматриваемом месте расчетного

уровня г=5,4 м при у=3,7 м порядка 0,5 А/м, что меньше 1 А/м (придельный уровень напряженности МП по помехоустойчивости для степени жесткости 1).

Таким образом, оснащение токоограни-чивающих реакторов РТ0С-10-3150-0,25-У3 комбинированными электромагнитными экранами позволит использовать в помещении рассмотренного ЗРУ-10 кВ электронные устройства отвечающие любой степени жесткости по помехоустойчивости к МП промышленной частоты. Рассчитаем напряженность МП, создаваемое реакторами на лестничной площадке здания ОПУ и ЗРУ-10 кВ. На рис. 13 показано распределение напряженности МП, создаваемого токами реакторов на поверхности стены лестничной клетки: НтахР -реактором, НтахЭ£ - КЭМЭ, Нтах2 - реактором и КЭМЭ. Установка комбинированного ЭМЭ позволила снизить напряженность МП на поверхности стены лестничной клетки до значения Нтах<800 А/м.

А/м х-1.572 я=в

«103 А/м НшахР

УНмах32 <

/ /Л V

/

\ н \

\ 1

ЧУ

/ ч

1.550 ц— 21 18. х1— 1 . 701 82.1

Рис. 13. Распределение напряженности МП, создаваемого токами реактора и КЭМЭ на поверхности стены лестничной клетки

Н

На рис. 14 показано распределение напряженности МП, создаваемого реактором с комбинированным ЭМЭ на лестничной клетке: на поверхности стены Нтах<800 А/м, на расстоянии 0,5 м от поверхности стены Нтах<200 А/м и на расстоянии 1 м от стены Нтах<60

А/м. Таким образом, установка на токоо-граничивающий реактор РТ0С-10-3150-0,25-У3 комбинированного электромагнитного экрана дает возможность пребывания на лестничной клетке персонала не менее двух часов в сутки (см. табл. 1).

А/м

Пове 1 / >хность с ены

1Hnax32 _0 x-1.572 0,5 м от поверх ности сте ны

/ 1 м от поверхности стены

j

Z з и

Рис. 14. Распределение напряженности МП, создаваемого токами реакторов на лестничной клетке на расстоянии 0 м, 0,5 м и 1 м от поверхности стены

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

СанПиН 2.2.4.1191 - 03 «Электромагнитные поля в производственных условиях».

Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях. Стандарт организации СО 34.35.311-2004. М.: Российское ОАО энергетики и электрификации «ЕЭС России». Издательство МЭИ, 2004.

Мисриханов, М.Ш. Магнитные поля трехфазных реакторов без ферромагнитного сердечника (Реактор МП). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006613743, 27.10.2006. / М.Ш. Мисриханов, Ю.А. Иостсон, Н.Б. Рубцова, А.Ю. Токарский / Программы для ЭВМ, базы данных и топология интегральных микросхем. Официальный бюллетень федеральной

службы по интеллектуальной собственности, патентам и торговым знакам. № 1 (58). Москва, ФГУ ФИПС, 2007.

Патент на изобретение № 2304815. Электромагнитный экран для реактора без ферромагнитного сердечника / Мисриханов М.Ш, Рубцова Н.Б, Токарский А.Ю. Опубликовано 20.08.2007, Бюл. № 23. Мисриханов, М.Ш. Воздушный реактор с электромагнитным экраном (Реактор - ЭМЭ). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ □ 2008610027, 09.01.2008. / М.Ш. Мисриханов, Ю.А. Иостсон, Н.Б. Рубцова, А.Ю. Токарский // Программы для ЭВМ, базы данных и топология интегральных микросхем. Официальный бюллетень федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и торговым знакам. № 1. Москва, ФГУ ФИПС, 2008.

Н

MAINTENANCE OF INDUSTRIAL ELECTROMAGNETIC SAFETY CURRENT-LIMITED REACTORS

© 2009 N.B. Rubtsova2, M.S. Misrihanov1, A.Yu. Tokarskiy1 1 JSC Federal Network Company Branch "Main Power Networks of the Center" 2 Scientific Research Institute of Occupational Health RAMS Article is received 2009/09/24

In work levels of intensity of a magnetic field (MF) intensity created by current-limited reactors PTOC-10-3150-0,25-y3 in the closed switching centre 10 kB and in the locations of the personnel are considered, and application efficiency of the combined electromagnetic screens for restriction of it MF up to a maximum permissible level is shown

Key words: electromagnetic safety, current-limited reactors, intensity of a magnetic field

Nina Rubtsova, Doctor of Biology, Head of the Department. E-mail: [email protected] Misrikhan Misrikhanov, Doctor of Technical Sciences, Professor, General Director. E-mail [email protected] Andrey Tokarskiy, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Chief Specialist. E-mail: [email protected]