Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общая характеристика электромагнитной обстановки на электроустановках, анализ причин помех и меры защиты от них 8
1.1 Наводимые напряжения на кабельных линиях и электронном оборудовании АСУ ТП подстанций и рекомендуемые меры защиты 8
1.2 Анализ причин помех и рекомендуемых мер защиты 13
1.3 Эксплуатационное состояние заземляющих устройств и его влияние на распределение потенциала 18
1.3.1 Оценка эксплуатационного состояния заземляющих устройств 21
1.3.2 Организация заземления цифровой аппаратуры 22
1.3.3 Параметры, контролируемые при оценке электромагнитной обстановки 23
1.4 Задачи исследования ' 25
Глава 2 Разработка методики расчета параметров заземляющих устройств (потенциалов на металле' стальных искусственных заземлителей и напряжения прикосновения) 27
2.1 Методика расчета потенциалов на металле стальных искусственных заземлителей и напряжения «до прикосновения» 27
2.2 Методические особенности расчетов напряжения «до прикосновения» .31
2.3 Итерационный метод расчета параметров электробезопасности заземляющих устройств 38
2.4 Выводы по расчету напряжения «до прикосновения» 44
Глава 3 Анализ влияния помех на значения потенциалов на металле и напряжения прикосновения 45
3.1 Анализ существующих схем измерения параметров заземляющих устройств 45
3.2 Оценка влияния схемы измерения на значения потенциалов на металле и на напряжение «до прикосновения» 47
3.2.1 Анализ существующих способов и приборов измерения параметров заземляющих устройств 49
3.3 Анализ результатов расчетов потенциалов на металле искусственных заземлителей и напряжений «до прикосновения» с учетом помех 52
3.4 Оценка влияния эквипотенциальности заземляющих устройств на электромагнитную обстановку 60
3.5 Расчет степени выравнивания потенциала с помощю электропроводного бетона (бетэла) 61
Глава 4 Расчет заземляющих устройств, определение их технического состояния и оценка электромагнитной совместимости 69
4.1 Результаты расчетов заземляющего устройства подстанции 1150кВ «Кокчетавская» 69
4.2 Определение состояния заземляющего устройства подстанции 220кВ «Северный Маганак» Кузбасского ПМЭС Сибири 75
4.3 Оценка технического состояния заземляющего устройства подстанции ПОкВ «Амурская» ЗЭС ОАО АК «Омскэнерго» 83
4.3.1 Определение трассы горизонтальных элементов ЗУ и глубины их заложения 84
4.3.2 Определение сопротивления растеканию ЗУ 85
4.3.3 Обследование в контрольных шурфах 87
4.3.4 Оценка коррозионной ситуации 89
4.3.5 Определение напряжения прикосновения 96
4.3.6 Проверка наличия связи оборудования с ЗУ 100
4.4 Определение электромагнитной совместимости счетчиков электрической энергии «СЭТ» и «Меркурий» 106
Основные выводы и рекомендации 112
Список литературы
- Эксплуатационное состояние заземляющих устройств и его влияние на распределение потенциала
- Методические особенности расчетов напряжения «до прикосновения»
- Оценка влияния схемы измерения на значения потенциалов на металле и на напряжение «до прикосновения»
- Определение состояния заземляющего устройства подстанции 220кВ «Северный Маганак» Кузбасского ПМЭС Сибири
Введение к работе
Основная масса электроустановок электроэнергетических систем страны построены в прошлом веке, когда широко использовалось электромеханическое оборудование. Как отмечалось на практике, это оборудование менее чувствительно к помехам.
В настоящее время широко внедряются программно-технические комплексы (ПТК), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и микропроцессорные устройства. Эти устройства могут надежно функционировать только в благоприятной электромагнитной обстановке (ЭМО) [1], то есть должна быть обеспечена электромагнитная совместимость (ЭМС).
Как отмечено в статье Лутидзе Ш.И. [2] «электрическое устройство считается электромагнитно совместимым, если его показатели качества электрической энергии не снижаются из-за влияния других устройств». Проблема электромагнитной совместимости возникает в связи с тем, что каждое звено находится в электрической или электромагнитной связи с другими звеньями электроэнергетической системы. Эта связь может иметь место в виде непосредственного электрического соединения или через электромагнитное поле.
Авторы Шваб А. и Хабинер Э. [48; 49] отмечают различную природу электромагнитных влияний и следующие пути их передачи: гальваническая или металлическая связь, емкостная связь и магнитная или индуктивная связь.
Знание электромагнитной обстановки необходимо, чтобы сформулировать технические требования к цифровым устройствам. В то же время, как отмечается в статье Колечицкого Е.С. [1], «к определению электромагнитной обстановки можно приступать лишь после обследования технического состояния и приведения в соответствие с техническими
\
6 требованиями устройств заземления ПТК как важнейшего фактора
электромагнитной обстановки».
До настоящего времени на всех этапах создания и реконструкции АСУ ТП от проектирования до реализации и ее эксплуатации указанная проблема остается вне поля зрения специалистов [1].
В настоящее время термин «электромагнитная совместимость» (ЭМС) все чаще употребляется в связи с проблемой обеспечения надежности систем контроля, управления и связи, реализованных на базе цифровой техники и работающих в условиях реальных объектов. Для реальных объектов характерно неидеальное качество систем питания и заземления, высокая вероятность воздействия значительных электромагнитных помех (например, при молниевом разряде). Под ЭМС в данном контексте понимается способность используемого оборудования нормально работать в электромагнитной обстановке на объекте, где оно размещается. Термином «электромагнитная обстановка» (ЭМО) обозначается совокупность уровней помех, характерных для конкретного объекта. Сюда же можно добавить условия, от которых зависит помехоустойчивость аппаратуры (например, качество выполнения систем питания и заземления, геометрия прокладки кабелей, степень симметрии цепей, наличие экранов и т.п.)
Многочисленные публикации в нашей стране и за рубежом свидетельствуют об актуальности проблемы ЭМС [2, 3, 7, 9, 11-18, 21, 23, 29, 35, 39, 48, 49]. Так по данным Copper Development Association в Европе на 12 объектах за 10 месяцев было зафиксировано 858 помех, 42 из которых привели к выходу из строя оборудования. По данным DOE Occurrence Reporting and Processing System Database за период 1990-2000гг. на атомных объектах США произошло 346 инцидентов, вызванных молнией. Следует отметить некоторые противоречия, часто отмечаемые при анализе подобного рода информации. Они являются следствием, как естественного разброса влияющих факторов, так и различий в методиках подсчета и анализа. Тем не менее, имеющаяся статистика
7 используется за рубежом, в частности, при оценке страховых рисков. Так,
проблемы воздействия помех рассматриваются как одна из наиболее
распространенных причин наряду с ошибкой оператора, дефектами
аппаратного и программного обеспечения, повреждения систем на базе
цифровой техники (например, «Технические виды страхования — Страховое
ревю», №12 (80), 2000).
Адекватному осознанию и, следовательно, эффективному решению проблемы ЭМС в нашей стране мешает отсутствие должной статистики по ЭМО на различных объектах. Особую тревогу вызывает ЭМО на объектах электроэнергетики, транспорте, в энергоемких производствах и на других объектах, где выполняющая важные функции цифровая аппаратура оказывается размещенной рядом с мощными источниками электромагнитных помех.
Имеющийся опыт обследования ЭМО показывает, что очень часто она оказывается неблагоприятной. Действительно, большинство объектов проектировалось еще до появления отечественных нормативных документов в области ЭМС. Такие факторы как коррозия заземляющих устройств (ЗУ), повреждения заземлителей в процессе эксплуатации, внесение недокументированных модификаций в схемы питания, прокладка заземления также не способствуют улучшению ЭМС.
Эксплуатационное состояние заземляющих устройств и его влияние на распределение потенциала
Эксплуатационное состояние заземляющих устройств и его влияние на распределение потенциалов
Как уже отмечалось, использование в странах СНГ стальных искусственных заземлителей выдвигает перед эксплуатационным персоналом вопросы коррозии стали [5, 6, 62].
На Западе искусственные заземлители изготавливают из меди. Медь в заземляющих устройствах работает в катодном режиме. Тем самым искусственные заземлители защищены от коррозии, но они вызывают коррозию естественных заземлителей - стальной арматуры железобетонных конструкций, алюминиевой оболочки кабелей, стальных трубопроводов и др.
Принципиальное отличие коррозии материалов для искусственных заземлителей в РФ и на Западе показано в таблице 1.1.
Материалы, которые используются в заземляющих устройствах электроустановок СНГ, вызывают коррозионные токи существенно меньшие (сравните первую и последнюю графы таблицы 1.1). Следовательно, можно ожидать и меньшей коррозии стальных конструкций, что и использовано в СНГ.
В тоже время, нужно подчеркнуть, что коррозия стальных искусственных заземлителей сильно зависит от конкретных коррозионных условий.
Максимальная коррозия стальных заземлителей наблюдается при воздействии электрокоррозии (таблица 1.2). Однако, и в грунтовых условиях может наблюдаться интенсивная коррозия (например, графа 2, таблица 1.2).
Известны случаи, когда разрушение стальных искусственных заземлителей приводило к полной потере гальванической (металлической) связи между отдельными частями заземляющего устройства (например, на заземляющем устройстве подстанций ПО кВ «Кизил-Армат», tCJI=10 лет). Это подтверждает мысль, приведенную в таблице 1.2 о том, что уравнивающая сетка в зоне одноточечного заземления помещений с электронным оборудованием также может привести к коррозионным разрушениям и появлению больших разностей потенциалов между отдельными частями контура заземления. В связи с этим необходимо определение технического состояния заземлителей.
В связи с реконструкцией промышленных объектов и связанных с ней внедрением электронной (цифровой) аппаратуры, к заземляющим устройствам предъявляются новые требования. Это обусловлено тем, что современная цифровая аппаратура чувствительна к условиям электромагнитной обстановки (ЭМО) (приложение 3).
В последнее время появилось много публикаций на эту тему [1-33]. Активно работает в этом направлении Московская фирма ООО «ЭЗОП» — «Электроэнергетика. Защита от помех» (к.ф.-м.н. М.В. Матвеев, к.т.н. В.Х. Ишкин, к.э.н. М.В. Солнцев и др.).
Основное внимание акцентируется на проблеме влияния разностей потенциалов, характеристиках заземлений на высоких частотах, импульсных помехах.
В работах отмечается, что перепад потенциалов между различными точками заземляющих устройств, например, для подстанций 500 кВ при пересчете на реальные токи к.з. может достигнуть 5 кВ. Этот потенциал может быть приложен к изоляции информационных цепей и входам цифровой аппаратуры. По данным авторов неэквипотенциальность для больших ЗУ может приближаться к 100%.
Еще одной важной проблемой является учет неэквипотенциальности при применении методов расчета. Использование традиционных методов расчета ЗУ больших размеров связано с определенными трудностями, особенно на высоких частотах. ООО «ЭЗОП» разработало программный комплекс «Контур», учитывающий неравномерность распределения потенциала по ЗУ и процесс растекания тока с его элементов,
С ростом частоты картина радикально меняется. Даже на частоте 128 Гц (частота работы зарубежных приборов) сопротивление ЗУ увеличивается на 15-20% по сравнению с 50 Гц. Использование более высоких частот (порядка 200 Гц и выше) может приводить к ошибкам, превышающим 50%, что неприемлемо.
В международной практике имеется литература, посвященная заземлению цифровой аппаратуры, например [60, 61].
В РФ также наметился сдвиг в сторону осознания проблемы ЭМС [1, 49], (приложение 3).
Большинство находящихся в эксплуатации объектов спроектированы по устаревшим нормам и не соответствуют современным условиям.
Поэтому при реконструкции объектов необходимо их обследование с оценкой электромагнитной обстановки (ЭМО). Это требует корректного расчета ЗУ. Например, расчет зон защиты от воздействия тока молнии требует знания реальной картины распределения токов и потенциалов по элементам ЗУ. Следовательно, необходима разработка методов расчета неэквипотенциальных ЗУ и коррекция расчетов на частотах от «0» до нескольких МГц. В целом авторы делают общий вывод: чем выше частота, тем для выравнивания потенциалов должна быть чаще сетка [1, 24].
Методические особенности расчетов напряжения «до прикосновения»
Поясним это на примере определения собственного сопротивления Rjj растеканию тока с і-го элемента ЗУ, которое определяется с помощью двойного интегрирования сопротивления R по двум параллельным отрезкам Ьэ, расположенным на глубине h3 и разнесенным на расстояние радиуса поперечного сечения (гэ) элемента. При этом однократное интегрирование на конец и середину элемента дает соответственно минимальное и максимальное значение интегрируемого сопротивления (отличающиеся между собой в несколько раз), а результат двойного интегрирования занимает между ними промежуточное положение. В соответствии с этим, при определении потенциала Ur вблизи конца этого элемента ЗУ с помощью однократного интегрирования по нему получим резко заниженную величину Rjr по отношению к сопротивлению RH, а при расположении расчетной точки Ur вблизи середины — завышение значения R,r по отношению к R„. В результате этого, напряжения «до прикосновения», рассчитанные вблизи узлов ЗУ, имеют резко заниженные значения (вплоть до отрицательных величин, что противоречит физике явления), а вблизи середины элементов - завышенные значения идп (хотя и более близкие к реальным). При рассмотрении потенциала Ur над центром ячейки ЗУ, когда расстояния от рассматриваемой точки до ближайших элементов ЗУ оказываются сопоставимыми с расстояниями между элементами и значительно превышают радиус гэ, рассматриваемая погрешность проявляется уже в меньшей мере.
Для устранения рассматриваемой методической погрешности можно использовать два способа. В обоих случаях при определении стекающих с элементов ЗУ поперечных токов (І;) используются значения Rii и Ry, рассчитанные с помощью двойного интегрирования. Однако, в дальнейшем, при определении напряжения «до прикосновения» оба расчета отличаются способом получения сопротивлений Rii (Ry) и Rjp (Rjr). В первом случае, сопротивления Rii (Ry) рассчитываются заново путем однократного интегрирования на центр і-го элемента, относительно которого определяется значение идп. При этом, сопротивления Rjr и Rjr также рассчитываются однократным интегрированием по элементу ЗУ в рассматриваемую точку на поверхности грунта. Очевидно, что получаемые в этом случае рассчитанные повторно значения потенциала на металле (UM) оказываются отличными от полученных в основном (первоначальном) решении.
Во втором случае, сопротивления Rii (Ry) берутся те же, что и в основном расчете. Зато сопротивления R;r (Rjr) между элементами ЗУ и рассматриваемым участком поверхности грунта с помощью двойного интегрирования по всем элементам ЗУ и фиктивному элементу, расположенному на поверхности грунта и служащему как бы аналогом і-му элементу, относительно которого рассчитывается напряжение «до прикосновения».
Оба выше рассматриваемых способа позволяют четко показать физико-математическую особенность напряжения «до прикосновения», которая не учитывалась ранее. Согласно первому способу, частный вклад в напряжение «до прикосновения» над центром і-го элемента создаваемый плотностью стекающего с него тока (Ji=I,7L3), равен [60]: ЪЯ 2Н- ь " л (2.2)
В решении (2.2) два первых члена описывают потенциалы на металле в середине элемента, создаваемые плотностью тока Ji от прямого (расстояние по вертикали гэ) и зеркально отраженного от поверхности земли (расстояние по вертикали — двойная глубина 2 Нэ) источников, а третий член отвечает потенциалу на поверхности грунта, создаваемому этим же током. Поскольку половинная длина 1э/2 элементов ЗУ, как правило, существенно превышает глубину заземлителя, а тем более радиус сечения элементов ЗУ, выражение (2.2.) можно приближено записать в виде: 2л: ОП А Ы Ц, ( 2ЇЇ и2гэ у
Легко убедиться, что вклад в рассматриваемое напряжение «до прикосновения» идп от других элементов ЗУ является величиной второго порядка малости. Так, вклад от токов, стекающих с соседнего (j-ro) параллельного элемента решетки ЗУ, расположенного от рассматриваемого (і-го) элемента на расстоянии L3, равен: {LN(0,5+VU5)+LN(0)5+VU5)-2LN(O,5+7U5)} = 0
Таким образом, согласно решений (2.3) и (2.4) общее значение напряжения «до прикосновения» определяется токами, стекающими с элемента, относительно которого определяется значение идп идп(і), а так же разностью собственного сопротивления с рассматриваемой точкой на поверхности грунта. К аналогичным выводам приводит и второй вариант расчета напряжения «до прикосновения», когда сопротивление Rir определяется с помощью двойного интегрирования значения R по основному (і-ому) элементу и его фиктивному «двойнику», расположенному на поверхности грунта.
Оценка влияния схемы измерения на значения потенциалов на металле и на напряжение «до прикосновения»
Как следует из таблицы 2.1 при расстоянии до токового электрода (ТЭ), равном длине стороны решетки (до 100м), влияние разноса ТЭ на значения потенциалов на металле и на напряжение «до прикосновения» велико (увеличение в 3 раза) [60].
При увеличении расстояния до токового электрода до 200м влияние остается, но оно снижается до 23%.
В таблице 3.1 приведены результаты расчетов влияния расстояний до токового электрода на потенциалы на металле (UM), в грунте (Ur) и на напряжение «до прикосновения» (иди). Для снижения погрешности измерения при малых разносах до токового электрода предложены формулы нахождения «0» для размещения в этой точке потенциального электрода: (3.3) (3.4) I AB при AB/Li 2,AD0=—: ,.. AB „ АТЛ AB L при 1J — p2,ADn =—+—. I 2 12 где: AB — расстояние от центра решетки до токового электрода; AD0 - расстояние от центра решетки до точки «О»потенциала. Приведены данные «занижения» значений потенциалов на металле (UM), в грунте (Ur) и на напряжение «до прикосновения» (ида) в зависимости от изменения расстояния до токового электрода (ТЭ).
Из данных таблицы 3.1 хорошо видно, что при минимальном разносе токового электрода (AB/L=1) «занижение» значений UM; Ur и идп максимальное (от 30% до 60-80%). Причем следует подчеркнуть, что указанное влияние в центре заземляющего устройства меньше, на периферии - значительно больше. Следовательно, при оценке параметров заземляющего устройства необходимо использовать схему измерений с минимальными погрешностями (чем больше соотношение AB/L, тем погрешности от схемы измерения меньше).
В основе всех известных способов измерения напряжения прикосновения лежит метод «амперметра-вольтметра», конкретная реализация которого зависит от значения измерительного тока.
Можно предложить следующую классификацию способов измерения напряжения прикосновения в зависимости от значения измерительного тока: способ однофазного к.з., при котором с заземляющего устройства (ЗУ) стекает реальный ток однофазного к.з. 1 в сотни, тысячи и десятки тысяч ампер; в этом случае измеряется реальное значение напряжения прикосновения и не требуется никаких пересчетов; способ измерения на промышленной частоте с измерительным током ІИЗ.М в десятки ампер, Перерасчет измеренного напряжения прикосновения ипр.„зм на действительное напряжение прикосновения Unp определяется по выражению: способ измерения на непромышленной частоте с измерительным током в сотые и десятые доли ампера с помощью специальных приборов, имеющих избирательную систему для отстройки от непериодических помех промышленной частоты и ее гармоник. Такие приборы по принципу действия и устройства аналогичны измерителям заземлений, но превосходящие последние по чувствительности в десятки раз.
Первый из приведенных способов (реальное однофазное к.з.) отличается весьма большой трудоемкостью, требует многократных к.з. и не может быть рекомендован для эксплуатационных условий. Его использование ограничивается стадией научно-исследовательских разработок.
Для условий эксплуатации альтернативными являются второй и третий способы, сравнительная оценка которых требует ответа на два основных вопроса: каковы ожидаемые значения измеряемого «сопротивления прикосновения»? каковы значения помех в схемах измерения напряжения прикосновения?
В принципе, подход к измерению напряжения прикосновения точно такой же, как и к измерению сопротивления заземления. Различие заключается только в том, что если при измерении сопротивления ЗУ потенциальный электрод располагается в зоне нулевого потенциала и на вольтметр (или измерительный прибор) подается все падение напряжения U3 на сопротивление ЗУ. При измерении напряжения прикосновения потенциальный электрод (пластина) размещается на территории ОРУ около оборудования и на вольтметр (или вольтметровую часть измерителя напряжения прикосновения) подается малая часть полного падения напряжения на сопротивлении заземления.
Определение состояния заземляющего устройства подстанции 220кВ «Северный Маганак» Кузбасского ПМЭС Сибири
Для определения трассы прокладки продольных и поперечных горизонтальных заземлителеи и проводников заземлителя, использовался источник переменного синусоидального тока (ИПТ), который подключался к различным удаленным друг от друга точкам заземляющего устрой 4 (ЗУ). С помощью изъ ителя напряженности магнитного поля опре, лись и наносились на ан места прокладки и соединений поперечных и юльньгх заземлителеи. їста залегания горизонтальных заземлителеи о елялись путем анали: распределения напряженности магнитного ся над поверхностью мли, создаваемого растекающимся по ЗУ токо т ИПТ.
Особенностью создаваемого магнитного поля является наличие ярко выраженных максимумов значений тангенциальной к земле составляющей его напряженности над местами залегания горизонтальных заземлителей. То есть, место, где значение напряжения максимально, соответствует месту залегания проводника с током (в данном случае заземлителя). Расположение антенны-преобразователя, представляющей собой катушку индуктивности, также позволило определить направление залегания заземлителя, при максимальном значении напряженности (Н), направление плоскости катушки соответствует направлению прокладки заземлителя (рисунок 4.1). пределение глубины прокладки заземлителей
Для определения глубины залегания заземлителей использовался датчик ИМПН. помощью датчика у поверхности земли фиксировалос начение магниті напряженности Н. Датчик ИМПН поднимался над землеі і высоту h, при і эрой индикатор ИПМН показывает значение равное Н/ Глубина залегані хроводника заземлителя при этом t = h (рисунок 4.2). П гшность определ ія таким способом глубины залегания заземлителя, как і ЇИЛО, не превыш 10см (рисунок 4.2). o Рисунок чи - определение глуоины залегания заземлителя Наличие гальванической связи оборудования с ЗУ не является достаточным условием выполнения заземления данного оборудования. Показателем качества выполнения заземления оборудования является количественное соотношение между величинами токов отекания на землю по различным элементам оборудования. При этом пути растекания тока КЗ могут быть следующие: через заземляющий проводник непосредственно к заземлителю; через заземленные экраны или нулевые рабочие проводники кабелей в заземлитель; через заземленные металлоконструкции (трубопроводы, обрамление кабельных каналов и т.п.) в заземлитель.
Наиболее оптимальным является такое выполнение заземления оборудования, при котором практически весь ток КЗ стекает непосредственно в заземлитель через заземляющий проводник. Протекание значительной части тока КЗ по заземленным экранам кабелей создает опасность термического воздействия на кабели и опасность выноса потенциала за пределы ОРУ.
Протекание значительной части тока КЗ по отходящим металлоконструкциям также создает опасность выноса потенциала за пределы ОРУ. Для определения путей растекания токов КЗ с оборудования, источник ИПТ подключался между оборудованием и наиболее удаленной от места КЗ точкой ЗУ. С помощью ИПМН и токоизмерительных клещей определяется магнитное поле от суммарного тока на проводнике, связывающем оборудование с ЗУ, которое принимается за 100%. При этом оценивалась доля растекания тока с оборудования путем приближения датчика ИПМН к заземляющим проводникам, кабелям, трубопроводам, металлическим конструкциям.
3 Технические средства. Для измерений использовали: Измерительный комплекс для диагностики качества контуров заземления КДЗ-1 (заводской номер №41): генератор переменного синусоидального тока ГСТ 200/400 М, Г=0-6А, =200/400Гц; измеритель напряженности электромагнитного поля и напряжения ИМПН 50/200/400 с антенной преобразователем Н05; токоизмерительные клещи DM 266 с разъемом для подключения к ИМПН.
4 Краткая характеристика объекта исследований. Подстанция «Северный Маганак» открытого типа, на территории которой расположены ОРУ-220 кВ, ОРУ-35кВ, ОРУ-ПОкВ, здание ОПУ, здание камеры задвижек.
5 Результаты измерений по составлению исполнительной схемы заземляющего устройства подстанции.
Определялась трасса прокладки искусственных заземлителей и связей между ОРУ, зданиями подстанции. Источник переменного синусоидального тока (ИПТ) подключался между отдельными заземляющими спусками оборудования ОРУ. Ток источника составлял 3-5А (в некоторых случаях до 6А). С помощью измерителя напряженности магнитного поля и напряжения ИМПН 50/200/400 (ИН) определялась трасса прокладки и глубина залегания искусственного заземлителя между точками подключения генератора. После чего точки подключения изменялись и цикл измерений повторялся.
