Защита микропроцессорной аппаратуры и её цепей от внешних электромагнитных воздействий естественного и искусственного происхождения

Фоменко Ольга Викторовна; Пашковский Александр Владимирович

ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2013 №3(8)), С. 65-68

= ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭС -

УДК 621.311.25

ЗАЩИТА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ АППАРАТУРЫ И ЕЁ ЦЕПЕЙ

ОТ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ЕСТЕСТВЕННОГО И ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного

университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.

Поступила в редакцию 24.07.2013 г.

В статье рассмотрены основные виды электромагнитных воздействий различного происхождения, их влияние на работу микропроцессорной аппаратуры и предложены варианты их снижения.

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, микропроцессорная аппаратура, электромагнитная обстановка, заземляющие устройства.

Одним из перспективных направлений развития технологий в области микропроцессорной техники за последние десятилетия является автоматизация технологических процессов в различных отраслях промышленности, включая и энергетику. Основными вопросами реконструкции или модернизации электрических станций (ЭС) и подстанций (ПС) в настоящее время является именно использование электротехнических установок и оборудования, в основе работы которых имеют место микропроцессорные (МП) устройства. Именно они подвержены влиянию электромагнитных полей. Известно, что электромагнитное поле включает в себя две составляющие - электрическую и магнитную, каждая из которых может быть как высокочастотной, так и низкочастотной. Если повышенное электрическое поле свойственно бытовой и офисной технике, то магнитное поле сопровождает проводники, поэтому источниками его становятся воздушные и кабельные линии, трансформаторные подстанции, и т.п. В сравнительном аспекте воздействие магнитного поля оказывается существенно опаснее электрического. Поскольку объекты электроэнергетики должны быть оснащены автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП), а коммерциализация энергосбережения предусматривает внедрение в отрасль автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ), то все это связано с установкой именно МП устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) вместо электромеханических. Подобные замены дают возможность оценить не только плюсы МП устройств, но и выявить их подверженность различным электромагнитным воздействиям. Вместе с этим актуален вопрос об оценке электромагнитной обстановки (ЭМО) объектов отрасли не только с точки зрения воздействия на персонал и окружающую среду, но и с точки зрения взаимного влияния устройств и аппаратов на нормальные режимы работы друг друга - их электромагнитной совместимости (ЭМС). Согласно [3], ЭМС - это способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной ЭМО и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам. Существующие в настоящее время Методические указания по определению

©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013

ЭМО [3] довольно подробно рассматривают методы оценки ЭМО в части прямых методов. Во многих случаях проблемы ЭМС объясняются следующими обстоятельствами:

а) недоработкой проектных решений, касающихся соблюдения условий ЭМС различных энергообъектов. Это имеет место, как при строительстве новых объектов, так и реконструкции действующих в период до середины 90-х годов;

б) непредусмотренными отклонениями при реализации проекта и при последующих модернизациях и реконструкциях энергообъекта (например, прокладка дополнительных электрических цепей с целью организации резервного питания от объектов с большим уровнем помех);

в) нарушениями технологии вследствие проведения как строительных, так и монтажных работ. Чаще всего это ведет к возникновению серьёзных дефектов при монтаже ЗУ;

г) физический и моральный износ защитных устройства (например, наличие коррозии в контактах цепей может значительно ухудшить ЭМО на энергообъекте);

д) повреждениями ЗУ, связанных с производством земляных работ, реконструкцией энергообъекта и др.

В настоящее время в решении вопросов ЭМС существует два основных подхода:

1) Плановый контроль за состоянием МП устройств с целью обеспечения ее высокой устойчивостью, в первую очередь, к электромагнитным помехам различного происхождения.

2) Профессиональная оценка ЭМС технических средств, в частности МП устройств, а также ЭМО с целью проведения комплекса мероприятий по улучшению ЭМС и ЭМО на энергообъектах.

При этом необходимо учитывать, что для различных объектов энергосистемы фактические параметры ЭМО существенно различаются. Поскольку в действующих стандартах и технических условиях приводятся теоретические значения ЭМО, характерные для исправного силового оборудования или МП устройств, то для принятия оптимальных решений связанных с проблемами ЭМС принципиально грамотное сочетание не только обоих подходов, но и учет особенностей конкретной ЭС либо ПС.

С целью защиты МП аппаратуры и ее цепей от внешних электромагнитных воздействий различного происхождения была рассмотрена система оценки магнитных полей промышленной частоты на действующем объекте, в частности на Волгодонской ТЭЦ. Основные виды помех на ТЭЦ представлены на рисунке 1. Представленные источники помех (поз.1-8) имеют различную природу, а именно:1 - является помехой естественного происхождения, 2-4-помехи искусственного происхождения, 5-8-имеют двоякую природу происхождения в зависимости от источника помехи.

Природой возникновения естественных помех являются грозовые разряды и геомагнитные явления. Возникновение искусственных помех обусловлено работой электрооборудования (генераторов, двигателей), воздушных и кабельных линий, силовых установок (трансформаторов, реакторов), а также электронных и МП устройств, используемых для управления и защиты.

Отмеченное выше преобладание магнитного поля как источника помех искусственного происхождения позволяет проводить именно комплексную оценку его влияния на МП устройства (на рисунке это соответствует поз.2). Непосредственные измерения напряженности магнитных полей частотой 50 Гц были проведены в нормальных режимах при помощи измерителя магнитного поля типа ИПМ-50/200/400, входящего в комплект КДЗ-1 в местах установки устройств АСТУ на РУ высокого напряжения вдоль трассы прокладки кабелей.

ЗАЩИТА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ АППАРАТУРЫ И ЕЁ ЦЕПЕЙ ОТ ВНЕШНИХ 67

Рис. 1. Источники электромагнитных воздействий на ЭС и ПС: 1 - удар молнии; 2 - переключения и короткие замыкания (КЗ) в сети высокого напряжения; 3 - переключения и КЗ в сети среднего напряжения (СН); 4 - переключения и КЗ в сети низкого напряжения (НН); 5 - внешние источники радиочастотных излучений; 6 - внутренние источники радиочастотных излучений; 7 - разряды статического электричества; 8 - источники кондуктивных помех по цепям питания

Анализировался режим однофазного короткого замыкания на шинах высокого напряжения. Приближенные оценки уровня напряженности магнитных полей определялись расчетным путем по формуле:

Н = Т /2жг

где г - расстояние до шин, по которым проходит ток однофазного короткого замыкания 1^.

На основании результатов замеров и расчетов был составлен протокол (табл.), который дает документально подкрепленные данные по ЭМО объекта.

На сновании представленного протокола (таблица 1) можно сделать заключение о соответствии или несоответствии условий работы кабелей и аппаратов допустимым значениям, прописанным в нормативно-технической документации: для исследуемого участка, при однофазном КЗ на ОРУ-110 кВ напряжения промышленной частоты, воздействующие на контрольные кабели от оборудования ОРУ до РЩ 110 кВ, и токи по экранам кабелей превышают допустимые уровни. При однофазном КЗ на ОРУ-110кВ может иметь место как повреждение этих кабелей, так и вынос высокого потенциала с ОРУ в машзал по кабелям с гальваническими связями между ними.

Таблица 1. Протокол «Воздействие токов и напряжений промышленной частоты на

контрольные кабели»

№ кабеля Трасса Место воздействия Напряжение на кабеле кВ Ток в экране кабеля, А Время воздействия, с Допустимое значение и50Гц, кВ Допустимое значение 150 Гц, А Выводы Реко-менда-ции

ОРУ 110 кВ (ток КЗ 11,9 кА)

- ОРУ-110 кВ-РЩ 110 кВ Оборудование ОРУ-110 3,2 1150 0,1 1 230 Напряжения и токи выше нормы См. заключение

Таким образом, комплексная оценка уровней электромагнитных полей с целью корректной оценки ЭМО позволяет разработать и успешно осуществить ряд защитных мероприятий. В частности, по результатам проведенного обследования ЭМО может появиться необходимость выполнить следующие мероприятия:

а) оптимизацию системы защитных заземляющих устройств;

б) обеспечение прокладки вторичных цепей в соответствии с требованиями ЭМС;

в) экранирование чувствительной электронной аппаратуры;

г) модернизацию систем питания.

Вывод: Поскольку сегодня цифровая аппаратура управления, защиты, сигнализации и связи становится критически важным элементом систем управления и обеспечения безопасности, работы по ее защите от помех становятся неотъемлемой частью комплекса работ по обеспечению надежной и безопасной работы объекта в целом. Это значит, что на существующих, реконструируемых и находящихся в эксплуатации объектах электроэнергетики, нефтегазового комплекса, атомной энергетики, промышленности, транспорта, связи требуется проведение специальных работ, направленных на диагностику ЭМО и обеспечение защиты от помех систем управления, сигнализации, РЗА и связи на базе цифровой аппаратуры.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шваб, А. Электромагнитная совместимость: [Текст] / А. Шваб; пер. с нем. В.Д. Мазина и С.А. Спектора; под ред. И.П. Кужекина. - М. : Энергоатомиздат, 1995. - 480 с.

2. Дьяков, А.Ф. и др. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике [Текст] / А.Ф. Дьяков, Б.К. Максимов и др.; под ред. А.Ф. Дьякова. - М. : Энергоатомиздат, 2003. - 768 с.

3. СО 34.35.311-2004 (РАО ЕЭС России). Методические указания по определению электромагнитной обстановки на электрических станциях и подстанциях [Текст]. - [Б.и.], 2004.

Microprocessor Equipment and its Chains Protection against Natural and Artificial External Electromagnetic Influence

O.V. Fomenko*, A.V. Pashkovskiy**

Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenin St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360, *e-mail: [email protected] ;** e-mail: [email protected]

Abstract - The article describes the main types of electromagnetic influences of different origin, their impact on the microprocessor equipment operation and suggests reducing measures.

Keywords: electromagnetic compatibility, microprocessor equipment, electromagnetic situation, grounding devices(appliances).