Проблема электромагнитной совместимости устройств РЗиА на энергообъектах

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

                    ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОСКОВСКИЙ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОФИЗИКИ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

По дисциплине «Электромагнитная  совместимость в электроэнергетике»

«Проблема электромагнитной совместимости устройств РЗиА на энергообъектах.»

 

 

                                                                                    Выполнил:

 

 

 

 

 

 

Москва 2013 г.

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Преобладающая доля всех используемых микропроцессорных устройств на электрических станциях и подстанциях принадлежит устройствам релейной защиты и автоматики. От их надежной работы зависит не только спасение дорогостоящего высоковольтного оборудования, но, в некоторых случаях, и жизней людей. Несомненно, применение устройств на микропроцессорной базе вывело релейную защиту и автоматику на совершенно новый уровень, но нужно обращать внимание и на обратную сторону данных преобразований. Часто уровень электромагнитных помех несовместим с условиями нормальной работы данных устройств. Поэтому очевидно, что нужно анализировать электромагнитную обстановку, в которой функционирует аппаратура РЗиА.

Полный спектр электромагнитных воздействий  на микропроцессорную аппаратуру на энергообъектах со стороны различных факторов чрезвычайно велик. В данной работе рассматриваются лишь основные из них. К числу наиболее характерных помех относятся:

• импульсные помехи при коммутациях, КЗ, ударах молнии в объект;
• магнитные поля промышленной частоты;
• импульсные магнитные поля;
• электромагнитные поля радиочастотного диапазона;
• разряды статического электричества;
• помехи, связанные с возмущениями в цепях питания РЗиА постоянного и переменного тока.

Чувствительность МУРЗ к электромагнитным воздействиям

 Проблема электромагнитной  совместимости электронной аппаратуры (ЭМС) возникла вместе с самой  этой аппаратурой, поскольку одни  ее узлы функционально построены  таким образом, что являются  приемниками электромагнитного  излучения, тогда как другие  — источниками излучения. Проблемы возникали как из-за взаимного влияния одних узлов на другие внутри аппаратуры, так и при воздействии на электронную аппаратуру внешних излучений различного происхождения.

Десятилетиями проблемы ЭМС были прерогативой специалистов в области электроники, радиотехники и связи. Неожиданно, в последние 10–15 лет, эта проблема стала весьма актуальной и в электроэнергетике.

 Конечно, довольно значительные  электромагнитные поля на объектах  электроэнергетики существовали  всегда. Однако применявшиеся десятилетиями устройства автоматики, управления и релейной защиты электромеханического типа были мало подвержены этим полям, и никаких особых проблем с ЭМС не возникало. Последние два десятилетия характеризуются интенсивным переходом от электромеханических к микропроцессорным устройствам релейной защиты (МУРЗ) и автоматики в электроэнергетике. Причем этот переход осуществляется не только по мере строительства новых подстанций и электростанций, но и путем замены старых электромеханических реле защиты (ЭМЗ) на подстанциях, построенных еще в те времена, когда никто даже не предполагал использование в них микропроцессорной техники. Суперсовременные МУРЗ оказались весьма чувствительны к электромагнитным помехам, поступающим «из воздуха», по цепям оперативного тока, цепям напряжения и от трансформаторов тока. Отмечались случаи ложного срабатывания МУРЗ даже от мобильного телефона [1].

Другие характерные примеры  — случаи ложного срабатывания микропроцессорных  устройств на действующих объектах «Мосэнерго», Очаковской и Зубовской подстанциях. Алгоритм работы защит нарушался из-за молнии, работающего поблизости экскаватора, электросварки и некоторых других помех. Во время ввода в действие Липецкой подстанции, руководство которой потратило около полутора миллионов долларов на приобретение МУРЗ, проблемы с микропроцессорными устройствами полгода не позволяли запустить этот энергообъект. В итоге подстанцию запускали, используя комплект традиционных защит [2]. На практике приходилось сталкиваться со случаями, когда, например, короткие замыкания по стороне 110 кВ вызывали ложную работу защит по стороне 330 кВ, а помехи при коммутациях по одному классу напряжений проникали (через общие цепи оперативного тока) на входы аппаратуры РЗА, работающей по другому классу напряжения [3].

Неправильная работа релейной защиты по причине недостаточной ЭМС, по данным «Мосэнерго», составляет до 10% от всех случаев ложной работы и касается в основном только реле на микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе . Столь высокий процент случаев неправильной работы по причине недостаточной ЭМС вызван тем, что чувствительность к электромагнитным помехам МУРЗ на несколько порядков выше, чем у традиционных электромеханических защит. Например, по данным , если для нарушения работы электромеханического реле требуется энергия 10–3 Дж, то для нарушения работы интегральных микросхем — всего 10–7 Дж. Разница составляет 4 порядка.

 Степень повреждения зависит  от устойчивости как каждого  из компонентов схемы, так и  от энергии мощной помехи в целом, которая может быть поглощена схемой без появления дефекта или отказа. Например, для электромагнитного реле с катушкой на напряжение 230 В переменного тока коммутационная помеха от индуктивной нагрузки с амплитудой 500 В хотя и является более чем двукратным перенапряжением, но вряд ли приведет к отказу реле в силу стойкости электромеханики к такого рода помехам и вследствие малой длительности такой помехи (в течение микросекунд). Иначе обстоит дело с микросхемой, питающейся от источника 5 В постоянного тока. Импульсная помеха с амплитудой 500 В в 100 раз превышает напряжение питания этого электронного компонента и приводит к неизбежному отказу и последующему разрушению устройства. Стойкость микросхем к перенапряжениям на несколько порядков ниже, чем стойкость электромагнитного реле [5].

 Импульсные перенапряжения, возникающие  при разрядах молний и при  коммутации в силовых электроустановках,  способны повреждать и разрушать  как электронные устройства, так  и целые системы. Многолетняя  статистика подтверждает, что число таких повреждений удваивается каждые три-четыре года [5]. Эта статистика хорошо согласовывается с законом Мура, еще в 1965 году показавшем, что количество полупроводниковых компонентов в микрочипах удваивается примерно каждые два года. И такая тенденция сохраняется уже много лет. Если каких- то десять лет тому назад микросхемы так называемой транзисторно-транзисторной логики (TTL) содержали 10–20 элементов на квадратный миллиметр и имели типичное напряжение питания 5 В, то сегодня популярные микросхемы могут содержать почти сто CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) транзисторов на каждом квадратном миллиметре поверхности и имеют напряжение питания только 1,2 В. Новейшие технологии твердого тела, например, SOS (Silicon-On-Sapphire), поднимают плотность элементов до 500 на одном квадратном миллиметре поверхности [4]. Ясно, что для таких микросхем потребуется еще более низкое напряжение питания. При этом совершенно очевидно, что с повышением степени интеграции в микроэлектронике уменьшается устойчивость ее компонентов к высоковольтным импульсным перенапряжениям по причине уменьшения толщины изоляционных слоев и уменьшения рабочих напряжений полупроводниковых элементов.

 Поскольку помехи, имеющие меньшую  энергию, возникают чаще помех,  имеющих бóльшую энергию, наиболее частой реакцией МУРЗ на воздействие электромагнитных помех будет не разрушение устройства, а нарушение его работы или кратковременный сбой в работе с последующим восстановлением нарушенной функции (рис. 1).

 

Это означает, что сработавшее  неправильно на подстанции МУРЗ покажет  полностью исправную работу при  его исследовании в лаборатории, и установить причину его ложного  срабатывания на подстанции будет невозможно. Статистика, собранная представителями крупнейших японских компаний-производителей, подтверждает эту особенность МУРЗ (рис. 2) .

 

На представленной диаграмме видно, что кратковременные неповторяющиеся нарушения функционирования (сбои в работе) МУРЗ являются превалирующими в большинстве случаев.

 Этот вывод подтверждается  и данными, полученными другой группой исследователей . Согласно их данным, нарушения функционирования такого рода составляют почти 70% от общего числа повреждений МУРЗ, причем до 80% этих сбоев происходит в интегральных микросхемах.

 По свидетельству и в практике ОАО «Мосэнерго» накопилось уже достаточно фактов негативного влияния электромагнитных помех на работу МУРЗ. Наиболее наглядно это показывает опыт включения МП защит фирмы Siemens на ТЭЦ-12 ОАО «Мосэнерго» по проекту, выполненному институтом «Атомэнергопроект». При проектировании никак не были учтены требо- вания ЭМС. Вследствие помех только за период с августа по декабрь 1999 года было зарегистрировано более 400 ложных информационных сигналов по дискретным и аналоговым входам МУРЗ . При этом следует иметь в виду, что цена каждого отказа МУРЗ раз в 10 выше, чем цена отказа одного электромеханического реле, вследствие концентрации большого количества функций в каждом МУРЗ.

Грозовые разряды.

Возникновение импульсных помех в цепях РЗиА связано  со следующими воздействиями в первичных  цепях: КЗ на землю на шинах РУ; коммутации разъединителями, короткозамыкателями и выключателями; срабатывания разрядников и ОПН, молниевые удары на территорию энергообъекта. При коммутациях (через паразитные емкости оборудования на землю), коротких замыканиях на землю, молниевых ударах в ЗУ проходит импульсный ток высокой частоты. На оборудовании возникает резкий подъем потенциала. Возросший потенциал с определенным коэффициентом ослабления передается по кабелям на вход устройств РЗиА. Если установлено, что уровень импульсных помех при коммутациях, КЗ и ударах молнии превышает допустимые значения, для снижения помех в этих цепях проводят следующие мероприятия:

• Прокладывают дополнительные проводники от оборудования к магистральным заземлителям.
• Применяют экранированные кабели с заземлением экранов с обеих сторон
• Заземляют цепи напряжения на релейном щите (если это позволяют технические условия) или смещают места заземления на некоторое расстояние от оборудования высокого напряжения и порталов.
• Для ограничения уровня помех на входе устройств устанавливают специальные средства ограничения перенапряжений (УЗИП).

Грозовые разряды являются самым мощным источником импульсных воздействий на аппаратуру электростанций и подстанций.

Каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год. Напряжение молнии может составлять до ста миллионов вольт. В нормах строительства громоотводов принимают обычно ток молнии до 200 тысяч ампер при длительности порядка 1 мс, хотя практически ток молнии редко превышает 20–30 кА.

Температура канала при  главном разряде может превышать 25 000 °C. Длина канала молнии может  быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько  сантиметров. При ударе молнии в  молниеотвод электрический ток (в виде импульса колоколообразной формы, рис. 3) поступает в землю и растекается в грунте во все стороны до нескольких десятков и даже сотен метров, причем из-за сопротивления грунта этот ток создает на нем падение напряжения. Поскольку наибольшее сопротивление оказывают слои почвы, лежащие вблизи места вхождения тока в землю, то именно здесь наблюдается самое высокое напряжение. По мере удаления от этой точки сопротивление прохождению тока уменьшается, при этом снижается и напряжение (рис. 3).

Для снижения потенциала, наводимого при протекании тока молнии в грунте, сопротивление растеканию тока в зоне расположения жилых и  промышленных зданий и сооружений уменьшают  с помощью металлической сетки  достаточно большой площади, размещенной в грунте под фундаментом зданий.

Однако сопротивление  таких заземляющих систем все  еще весьма далеко от нуля (рис. 3), и  поэтому даже остаточные импульсные потенциалы, наведенные в заземляющей  системе и проникающие по кабелям  на входы электронной аппаратуры, представляют для нее серьезную опасность. Помехи такого рода называются кондуктивными. Кроме помех такого вида, импульс сильного тока, проходящий по молниеотводу, создает и помехи в виде электромагнитных полей, воздействующих на все близко расположенные проводники. Такое воздействие называется индуктивным. Существуют еще и емкостные наводки, при которых короткие (то есть высокочастотные) импульсы перенапряжения из высоковольтных линий электропередач попадают в низковольтные цепи через емкостные связи между обмотками трансформаторов.

В процессе распространения  помехи имеет место многократное превращение одного его вида в  другой, поэтому такое деление  весьма условно, особенно когда речь идет о высокочастотных процессах. (Импульс разрядного тока молнии с достаточно крутыми фронтами — 8 и 20 мкс (рис. 3) — можно рассматривать именно как такой высокочастотный процесс.) Поэтому строгий анализ растекания тока в земле через заземляющие устройства требует учета обеих этих составляющих. Более того, попав в электронную аппаратуру посредством электромагнитного поля или по проводам, помеха претерпевает многочисленные превращения уже внутри этой аппаратуры из-за наличия паразитных емкостных и индуктивных связей между отдельными элементами или между различными узлами аппаратуры.

При этом высокочастотная  составляющая помехи может проникать  вглубь аппаратуры, в обход установленных  фильтров и защитных элементов.

Еще один путь для проникновения помехи от разряда молнии — протекание токов по заземленному металлическому корпусу МУРЗ и заземленным экранам многочисленных кабелей, подключенных к нему. Все это говорит о том, что обеспечить должный уровень защиты от электромагнитных помех электронной аппаратуры очень и очень непросто.