+7-912-299-23-22

Главная >> Статьи >> Обеспечение ЭМС на электросетевом объекте

 

Обеспечение электромагнитной совместимости на электросетевом объекте с помощью компоновочных решений и нетиповой конструкции заземляющего устройства

 

В настоящее время стал актуальным вопрос электромагнитной совместимости в электроэнергетике, вследствие применения на электрических подстанциях большого количества микропроцессорных устройств, помехоустойчивость которых к кондуктивным и излучаемым электромагнитным помехам на несколько порядков ниже, чем у электромеханических устройств. Вследствие этого, Заказчик практически во все технические задания на проектирование подстанций включает требование по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС). В типовом техническом задании ОАО “ФСК ЕЭС” требуется на стадии проектирования рассматривать проблемы ЭМС в отдельном разделе с изложением основных и обоснованием дополнительных мероприятий для достижения необходимой электромагнитной обстановки (ЭМО).

 

Для выполнения этих требований в ОАО “Инженерный центр энергетики Урала” ОАО “ИЦЭУ” институтом “Уралэнергосетьпроект” в инициативном порядке в 2007-2008 годах была выполнена внестадийная работа “Обеспечение нормативных требований по ЭМС и импульсным помехам при осуществлении проектирования электросетевых объектов”. В работе проанализирована существующая нормативная документация, дана оценка источников электромагнитных помех, приведена классификация помех, рассмотрены мероприятии по улучшению ЭМО, определяющей уровень помех на подстанциях, приведены обобщенные требования к обследованию ЭМО, включая вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ), а также произведена оценка имеющихся на рынке программных продуктов для расчета ЭМО. На следующем этапе работы приобретены аппаратные средства для обследования ЭМО на подстанциях и программное обеспечение для расчета ЭМО. Специалисты ОАО “ИЦЭУ” прошли обучение для работы с программами и приборами. В качестве программного обеспечения для расчета ЭМО на всех стадиях проектирования проекта (П), рабочего проекта (РП), создания рабочей документации (РД) используются зарегистрированные в Роспатенте программы ОРУ-М и Interferences, разработанные фирмой НПФ “ЭЛНАП”.

 

Учет оценки ЭМО, полученной расчетным путем при выполнении проектных решений, повлёк изменения в технологии проектирования на стадиях П, РП, РД.

 

В настоящей работе представлены различные решения по ослаблению некоторых помех, вызванных разрядами молний, коммутации и токами коротких замыканий, при этом основное внимание уделено кондуктивным импульсным микросекундным и наносекундным помехам, а также техническим решениям по ослаблению наведенных импульсных помех.

 

Электромагнитная совместимость обеспечивается выбором микропроцессорных устройств, у которых степень жесткости испытаний помехе превышает уровень соответствующей электромагнитной помехе на объекте, определяемой расчетным путем при оценке ЭМО.

 

Электромагнитная совместимость оборудования обеспечивается, в первую очередь, основными мероприятиями, к которым относятся компоновочные решения в распределительном устройстве и конструкция заземляющего устройства (ЗУ). Если основных мероприятий недостаточно для снижения уровня помехи ниже уровня жесткости испытаний на ЭМС, следует применять дополнительные мероприятия, наиболее действенным из которых является экранирование контрольных кабелей с заземлением экрана с двух сторон.

 

В составе основных мероприятий по обеспечению ЭМС конструирование ЗУ имеет наибольшее значение.

 

До недавнего времени основные показатели ЗУ рассчитывались на стадии выполнения проекта с помощью программы RZUP-2, которая позволяет проводить замер сопротивления заземления, напряжение прикосновения, площадь под искусственный заземлитель, количество и длину вертикальных электродов и др.

 

Недостатками данной программы являются невозможность просмотра распределения потенциала по сетке ЗУ и токов в электродах ЗУ, а также невозможность учета индуктивного сопротивления протяженных естественных заземлителей.

 

Основные требования к конструкции ЗУ приведены в ПУЭ, в соответствии с которым заземляющее устройство должно конструироваться либо по величине сопротивления заземляющего устройства (не более 0,5 Ом), либо по напряжению прикосновения (65 В на рабочих местах). Выполнение этих требований нацелено на обеспечение, в первую очередь, электробезопасности и защиты оборудования от перенапряжений.

 

Расчет ЭМО ряда подстанций выявил недостаточность существующих требований к ЗУ для обеспечения ЭМС микропроцессорных устройств, например, от воздействия импульсных помех кондуктивных и наведенных.

 

К настоящему времени технология проектирования электросетевых объектов в институте “Уралэнергосетьпроект” изменена. Благодаря дополнительной информации, которую удается получить в результате расчетов ЗУ по программе ОРУ-М. При расчете сопротивления заземляющего устройства используются исходные данные по свойствам грунта, полученные при проведении ВЭЗ.

 

Расчет ЭМО на объекте для каждой стадии проектирования включен в технологический график.

 

При принятии компоновочных решений на подстанции специалисты ОАО “ИЦЭУ” руководствуются следующими принципами:

 

  • молниеотводы необходимо располагать как можно дальше от ОПУ, мест установки ТТ и ТН, кабельных трасс и другого оборудования, имеющего прямую кондуктивную связь с микропроцессорным оборудованием в ОПУ;
  • кабельные трассы необходимо располагать, по возможности, избегая участков, параллельных высоковольтной ошиновке, или максимально удалять от неё.

 

При выполнении проекта в составе пояснительной записки выполняется раздел по экспертизе ЭМС, в котором на упрощенной модели рассчитывается ЭМО по кондуктивным и наведенным помехам, определяются основные показатели ЗУ: сопротивление растеканию току КЗ, распределение потенциала на электродах ЗУ при КЗ, выбирается средний шаг сетки ЗУ, рассчитывается длина и количество вертикальных электродов.

 

На стадии РД производится расчет ЭМО по фактической конструкции ЗУ, результаты приводятся на чертежах в отдельном узле “Электромагнитная обстановка и электромагнитная совместимость технических средств”.

 

Конструирование ЗУ на стадии РД имеет итерационный характер.

 

Решающее значение при разработке конструкции ЗУ имеют электрические характеристики грунта, а именно удельное электрическое сопротивление слоев грунта и модель грунта.

 

Ранее до проведения специальных работ по обеспечению ЭМС на подстанциях, удельное электрическое сопротивление грунта определялось по результатам инженерных изысканий (по данным бурения серии скважин глубиной 10-12 м).

 

Обследование первого же объекта с проведением ВЭЗ и определением параметров двухслойной модели грунта показали, что данные традиционных изысканий (на основе бурения скважин глубиной до 12 м) дают недостаточно достоверную информацию, потому что на глубине более 10-12 м характеристики грунта могут значительно отличаться. В настоящее время для каждого объекта при проведении изысканий выполняется ВЭЗ.

 

Конструкция ЗУ разрабатывается индивидуально для каждого объекта, а её эффективность в настоящее время проверяется проведением комплекса расчетов.

 

Помимо требований электробезопасности конструкция ЗУ должна обеспечивать:

 

  • термостойкость экранов контрольных кабелей, в случае заземления их по обоим концам при КЗ, посредством выравнивания потенциала на электродах ЗУ;
  • выравнивание разности потенциалов при КЗ между портом микропроцессорного устройства и корпусом оборудования на ОРУ при КЗ;
  • ослабление помех, обусловленных растеканием токов молнии по ЗУ.

 

Обеспечить термическую стойкость экранов и  выравнивание разности потенциалов между портом микропроцессорного устройства и корпусом оборудования на ОРУ оказалось наиболее эффективно за счет выполнения более частой сетки ЗУ между оборудованием ОПУ и ОРУ, однако не во всех случаях это возможно и необходимо.

 

Расчет молниезащиты

 

Ослабление помех вызванных разрядом молнии, в отдельных случаях встречает значительные затруднения, так как падение напряжения импульсной помехи в процессе растекания тока молнии по электродам ЗУ приводит к большой разности импульсных потенциалов между точками ЗУ. Причиной тому являются импульсные характеристики разряда молнии  (по СО 153-34.21.122-2003 первый импульс молнии – фронт 10/350 мкс, 100 кА), что приводит к большому падению напряжения на индуктивном сопротивлении заземляющего электрода.

 

Степень неравномерности распределения потенциала на ЗУ при разряде молнии показана ниже на примере ПС 220 кВ Анна со следующими показателями:

 

  •  площадь 120х150 м2;
  • шаг сетки ЗУ составляет 10 м;
  • сопротивление верхнего слоя грунта 20 Ом×м;
  • сопротивление нижнего слоя грунта 50 Ом×м;
  • глубина раздела слоёв 4 м.

 

При разряде молнии в молниеотвод, как показано на рис. 1, возникает большой потенциал на ЗУ в месте разряда молнии, быстро убывающий по мере удаления от молниеотвода.

 

Рис. 1. Распределение потенциала на ЗУ при разряде молнии

 

Амплитуда потенциала зависит от величины удельного электрического сопротивления грунта и конструкции ЗУ. Чем сопротивление грунта меньше, тем меньше импульсный потенциал на молниеотводе (смотри рис 2). На рис. 3 показана зависимость разности потенциалов между молниеотводом и фиксированной точкой на ОРУ от расстояния.

 

Рис. 2. Зависимость потенциала молниеотвода от сопротивления грунта

 

Рис. 3. Зависимость разности потенциалов между молниеотводом и фиксированной точкой на ОРУ от сопротивления грунта при разряде молнии

 

Разность потенциалов между оборудованием ОРУ и ОПУ в проиллюстрированном на рис. 1 примере достигает 30 кВ, тогда как порты микропроцессорного устройства испытываются на импульсной потенциал помехи 4 кВ (четвертая степень жесткости). Для снижения разности потенциалов необходимо улучшать растекание тока молнии по электродам ЗУ за счет выполнения более частой сетки ЗУ. Однако, в некоторых случаях молниеотводы расположены в центральной части ОРУ рядом с оборудованием, что приведет к попаданию потенциала на корпуса оборудования ОРУ по коротким электродам ЗУ по наикратчайшему пути.

 

Эта разность потенциалов может стать опасной для микропроцессорных устройств. Существует два механизма опасного импульсного воздействия на микропроцессорные устройства:

 

  •  опасный потенциал с корпуса измерительного трансформатора на ОРУ через заземленную вторичную обмотку фазы “В” попадает в измерительные цепи, идущие контрольным кабелем в ОПУ, где прикладывается к порту микропроцессорного устройства, на корпусе которого потенциал значительно меньше;
  • с корпуса оборудования ОРУ (например, выключателя или разъединителя) может произойти перекрытие на клеммнике или просто произойти пробой изоляции кабеля. И далее потенциал попадает к порту микропроцессорного устройства.

 

Для предотвращения занесения опасного импульсного потенциала на оборудование, предлагается выполнить разрывы в сетке ЗУ, как показано на рис. 4, между молниеотводом и заземляющими спусками оборудования с целью увеличить путь тока молнии. Разрывы в сетке ЗУ выполняются таким образом, чтобы минимальное расстояние по электродам ЗУ от молниеотвода до спусков оборудования ОРУ было не менее 60 м. Для вышеприведенного примера разность потенциалов (между оборудованием ОРУ и ОПУ) составит 10 кВ.

 

Рис. 4. Выполнение разрывов в ЗУ между оборудованием и молниеотводом.

Примечание: места разрыва сетки ЗУ показаны пунктиром

 

 

При расположении молниеотводов в центральной части ОРУ или на объектах малой площади выполнение разрывов технически невозможно. Кроме того, при этом нарушается равномерность сетки ЗУ, что входит в противоречие с задачей выравнивания потенциала на электродах ЗУ при КЗ.

 

В ходе поиска путей преодоления данного противоречия специалистами ОАО “ИЦЭУ” найдено инновационное решение - конструкция двухъярусного ЗУ. Заявка на изобретение двухъярусного ЗУ зарегистрирована в “Федеральном институте промышленной собственности”.

 

Двухъярусное ЗУ позволяет решать задачe выравнивания потенциалов при КЗ и задачу снижения кондуктивно заносимого импульсного потенциала молнии на корпус оборудования практически независимо друг от друга, а это повышает свободу проектировщика в выборе компоновочных решений, особенно при повышенных требованиях к компактности объекта или плохих грунтах.

 

Сущность изобретения заключается в том, что все заземляющие спуски молниеотводов заземляются на нижний ярус, тогда как оборудование подстанции заземляется на верхний ярус.

 

Оба яруса соединяются между собой в нескольких точках, наиболее удаленных от молниеотводов и заземляющих спусков оборудования. При соединении ярусов ЗУ сопротивление растеканию току КЗ существенно не снижается, так как площадь территории распределительного устройства не  изменяется.

 

Пришедший с нижнего яруса на верхний ярус  импульсный потенциал распределяется равномернее, так как путь тока молнии увеличился. Таким образом, разность импульсная потенциалов между корпусом оборудования на ОРУ и корпусом оборудования в ОПУ будет минимальная.

 

Расчеты показали, что даже при условии выполнения среднего шага сетки ЗУ нижнего яруса в несколько раз большим, чем у первого яруса, потенциал, занесенный на верхний уровень ЗУ (к оборудованию), значительно меньше и равномернее, чем при организации разрывов за счет удлинения пути тока до оборудования. Вследствие этого, разность потенциалов между заземляющими спусками оборудования и ОПУ будет значительно меньшей в сравнении с традиционным заземляющим устройством.

 

При больших значениях удельного сопротивления грунта необходимо проверять условие обратного перекрытия через грунт со второго яруса на первый.

 

На рис. 5 и рис. 6 изображен фрагмент двухъярусного ЗУ, где показаны основные технические решения, связанные с этой конструкцией. Заземление ТН произведено на верхний ярус ЗУ (0,7 м), а молниеотвода – на нижний ярус. Точки соединения ярусов удалены от ТН и молниеотвода.

 

Двухъярусное ЗУ эффективно применять для подстанций:

 

  • с ограниченной площадью;
  • с молниеотводами расположенными в центральной части;
  • с высоким значением удельного электрического сопротивления грунта.

Рис. 5. Общий вид двухъярусного ЗУ

 


 

Рис. 6. Разрез двухъярусного ЗУ

 

Впервые данное решение применено в проекте ПС 220 кВ Анна. Специалистами отдела комплексного проектирования института “Уралэнергосетьпроект” сконструировано двухъярусное ЗУ со средним шагом сетки второго яруса 20 м, размещенного на глубине 1,5 м (ярусы соединены в 4 точках), конструкция которого позволила снизить импульсную разность потенциалов, приложенную к порту микропроцессорного оборудования, с 30 кВ (при отсутствии разрывов) до допустимых 4 кВ.

 

Эффективность двух методов снижения кондуктивной импульсной помехи на рассматриваемой подстанции показана на рис 7. 

Рис. 7 Эффективность снижения импульсной помехи у различных конструкций ЗУ

При проведении реконструкции объекта (в отличие от нового строительства) обеспечить допустимую ЭМО на всей подстанции, как правило, очень сложно. Все подстанции условно можно разделить на две группы: это подстанции с молниеотводами, установленными  по периметру, и подстанции, в которых большое количество молниеотводов, часть из которых расположена в центральной части ОРУ в непосредственной близости к оборудованию.

 

В первом случае, удается добиться требуемой ЭМО, изменяя конфигурацию ЗУ, за счет прокладки и демонтажа электродов ЗУ. Тем самым, мы сможем обеспечить допустимую длину пути тока молнии до оборудования, чтобы снизить потенциал в требуемых точках до нормируемых значений.

 

Во втором случае увести ток молнии (потенциал) от оборудования из-за близкого расположения с молниеотводами невозможно. Как видно на рис. 7, наиболее эффективное решение – сооружение двухъярусного ЗУ, что при реконструкции объекта затруднительно.

 

Подводя итоги, можно сделать вывод, что применение  двухъярусного ЗУ имеет следующие преимущества:

 

  • эффективная защита микропроцессорных устройств от импульсных перенапряжений при разряде молнии;
  • свобода в выборе компоновочных решений на территории подстанции, в частности, при расположении молниеотводов на расстоянии до оборудования и кабельных каналов менее нормируемых, что позволяет сократить площадь под территорию подстанции.

 

Двухъярусное ЗУ увеличивает расход металла и создаёт технологические сложности для прокладки электродов на глубине 1,5 м, поэтому его применение требует обоснования для каждого конкретного объекта.

 

Величина наведенной импульсной помехи, в отличие от кондуктивной помехи, не зависит от конструкции ЗУ.

 

Причиной возникновения наведенной импульсной помехи является высокочастотный переходный процесс, который возникает при  коммутации  выключателем и разъединителем на ОРУ, а также при разряде молнии.

 

Ослабить влияние данной помехи возможно за счет применения основных мероприятий таких, как изменение трассы прокладки кабельных каналов таким образом, чтобы:

 

  • они были расположены не параллельно высоковольтной ошиновке и порталам с молниеотводами или максимально удалены от них;
  • расстояние до молниеотвода было не менее 5 метров.

 

В случае недостаточности основных мероприятий по ослаблению наведенной высокочастотной помехи необходимо применять дополнительные мероприятия, а именно:

 

  • экранированные кабели с заземлением экрана с одной или двух сторон;
  • прокладку контрольных кабелей в металлических трубах;
  • использование кабельных лотков с повышенным коэффициентом экранирования.

 

Следует отметить, что при применении экранированных контрольных кабелей с заземлением экрана по обоим концам обязателен расчет термической стойкости экрана при однофазных коротких замыканиях в различных точках на территории подстанции.

 

Выводы:

 

1.      Создана технология конструирования ЗУ, основанная на численной оценке ЭМО с помощью программного обеспечения при расчете показателей электробезопасности, таких как шаговое напряжение, напряжение прикосновения, для обеспечения электромагнитной совместимости микропроцессорных устройств.

2.      Создана технология расчета термической стойкости экранов контрольных кабелей, заземленных по обоим концам, основанная на расчете ЗУ при однофазном коротком замыкании.

3.      При конструировании ЗУ на каждой стадии используется двухслойная модель грунта, определяемая на основе данных вертикального электрического зондирования.

4.      Расчет ЭМО позволил применять новые компоновочные решения для обеспечения ЭМС.

5.      Разработана и используется новая конструкция ЗУ – двухъярусное ЗУ. Эта конструкция позволяет в особенно тяжелых по тому или другому параметру условиях добиваться благоприятной для электромагнитной совместимости ЭМО на электросетевом объекте. Заявка на изобретение  конструкции зарегистрирована «Федеральным институтом промышленной собственности».