Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ кондуктивных импульсных электромагнитных помех в системах электроснабжения 0,22-0,4 кВ 16
1.1. Общая характеристика кондуктивных импульсных электромаг-нитныхпомех 16
1.2. Грозовые импульсные помехи . 18
1.3. Коммутационные импульсные помехи 34
1.3.1. Импульсные помехи, возникающие при несимметричных режимах работы сетей с заземленной нейтралью 35
1.3.2. Импульсные помехи, возникающие в системах электроснабжения 0,4 кВ в результате перехода через силовой трансформатор из систем электроснабжения 6 - 10 кВ 39
1.3.3. Импульсные помехи, возникающие при однофазном коротком замыкании на силовом трансформаторе 51
1.3.4. Импульсные помехи, возникающие в результате различных процессов в электрических сетях 0,22 - 0,4 кВ 57
1.4. Выводы по первой главе 58
2. Вероятностные модели кондуктивных импульсных электромагнитных помех 59
2.1. Статистическая оценка параметров импульсных помех в системах электроснабжения 0,22 - 0,4 кВ 59
2.2. Определение законов распределения амплитуд импульсных электромагнитных помех 63
2.3. Выводы по второй главе 70
3. Анализ электромагнитной совместимости электрооборудования информационных технологий 71
3.1. Уровни импульсной прочности внутренней изоляции электрооборудования 0,22 - 0,4 кВ 71
3.2. Уровни помехоустойчивости электрооборудования информационных технологий 77
3.3. Выводы по третьей главе 83
4. Особые требования к выполнению систем заземления электроустановок при обеспечении электромагнитной совместимости электрооборудования информационных технологий 85
4.1. Типы систем заземления электроустановок 0,22 - 0,4 кВ 85
4.2. Требования к заземляющим устройствам электроустановок при выполнении защиты от импульсных помех 87
4.2.1. Обеспечение эквипотенциального соединения в системах заземления , 88
4.2.2. Повышение точности расчета сопротивления заземляющих устройств электроустановок за счет учета многослойной электрической структуры земли 91
4.3. Выводы по четвертой главе 107
5. Методика обеспечения помехозащищенности электрооборудования информационных технологий при воздействии кондуктивных импульсных электромагнитньгх помех 109
5.1. Анализ современных защитных аппаратов 109
5.2. Оценка необходимости установки защиты от импульсных помех 114
5.3. Схемы установки ограничителей-перенапряжения нелинейных в зависимости от типа системы заземления 118
5.4. Правила выбора параметров ограничителей перенапряжения
5.5. Выбор аппаратов защиты ограничителей перенапряжения нелинейных 124
5.6. Рекомендации по применению каскадных схем защиты электрооборудования информационных технологий 128
5.7. Правила подключения ограничителей перенапряжения нелинейных 131
5.8. Алгоритм обеспечения помехозащищенности электрооборудования информационных технологий 133
5.9. Выводы по пятой главе 134
Заключение 137
Список использованной литературы 138
- Импульсные помехи, возникающие при несимметричных режимах работы сетей с заземленной нейтралью
- Определение законов распределения амплитуд импульсных электромагнитных помех
- Уровни помехоустойчивости электрооборудования информационных технологий
- Повышение точности расчета сопротивления заземляющих устройств электроустановок за счет учета многослойной электрической структуры земли
Введение к работе
Общая характеристика диссертационной работы
Актуальность темы работы
В настоящее время в различных сферах народного хозяйства широко применяется электрооборудование (ЭО), питание которого осуществляется от системы электроснабжения общего назначения напряжением 0,22— 0,4 кВ (СЭС), выполняющее основную функцию, связанную с вводом, хранением^ отображением, поиском, передачей и обработкой информации, т.е. электрооборудование информационных технологий (ЭИТ).
ЭИТ используется для построения современных информационных систем, задействованных в выполнении широкого круга ответственных задач в науке, бизнесе, промышленности, энергетике, медицине, железнодорожном и авиатранспорте и т.д. Поэтому, в отличие от обычного ЭО, к надежности и качеству функционирования ЭИТ зачастую предъявляются чрезвычайно жесткие требования, связанные с потребностью получения достоверной информации.
Однако анализ литературных источников [1-11] указывает на постоянное возрастание составляющей ущербов, связанной с повреждениями ЭИТ в результате воздействия импульсных электромагнитных помех (ИЭМП). Так, согласно данным российских и зарубежных ученых, на, долю ИЭМП приходится до 18 % от общего числа всех типов ЭМП, возникающих в СЭС 0,4 кВ [9], а воздействие ИЭМП на ЭИТ, по некоторым оценкам [11], в 35% случаях становится причиной нарушений в работе оборудования информационных технологий (рис. В. 1, В.2).
При этом экономическая составляющая ущербов от повреждения ЭИТ варьируется, в зависимости от масштабов деятельности предприятия, от 1000 до 50000 долларов США в час [10]. По данным Британского департамента торговли и промышленности, ущерб от одного отказа в работе информацион- ных систем крупных коммерческих предприятий в среднем составляет 166
Импульсные Пропадания
ЭМП і напряжения
18% I ^^ 12% ҐГ-. . ~т%Г^^"^^~> Провалы Е~"~ 4 у ——«"""І напряжения
Воздействие
Пожары 4,0%
Прочие ЭМП 25%
Рис. В.1. Распределение Рис. В. 2. Распределение причин электромагнитных помех в СЭС 0,4 кВ повреждения ЭИТ тысяч долларов США [12]. Официальные систематизированные данные по России отсутствуют. По данным автора средний ущерб от одного отказа в работе информационных систем составляет от 1000 до 30000 долларов США
Следует отметить,.что особенность работы ЭИТ такова, что ущербы, связанные с нарушением информационных процессов, многократно превышают ущербы от физического повреждения технических компонентов ЭИТ.Данная; особенность хорошо иллюстрируется случаем поражения молнией высотного административного здания в, городе Кельне (Германия). В результате воздействия грозовых ИЭМП вышло из строя оборудование на сумму 1,1 млн. долларов США, а ущерб от потери информации на нескольких ЭВМ составил 2,25 млн. долларов США [1].
Увеличение количества случаев повреждений ЭИТ, регистрируемое в последнее десятилетие, связано с явным несоответствием параметров ИЭМП в СЭС и устойчивости ЭИТ, которые являются случайными величинами. Следовательно, необходимо детальное исследование вопроса обеспечения ЭМС ЭИТ при воздействии ИЭМП на основе определения И: сопоставления вероятностных параметров помехоустойчивости ЭИТ и помехоэмиссии ИЭМП в СЭС, что и определяет научную актуальность диссертационной работы.
Значительные экономические ущербы указывают на необходимость разработки комплекса научно-обоснованных технических, методологических и организационных мероприятий для обеспечения помехозащищенности ЭИТ с
7 учетом требуемой надежности и экономической целесообразности, что обуславливает практическую актуальность диссертационной работы
Цель работы и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является обеспечение электромагнитной совместимости электрооборудования информационных технологий, питание которого осуществляется от СЭС 0,22 - 0,4 кВ общего назначения при воздействии ИЭМП.
Исходя из поставленной цели, в работе решаются следующие научные и практические задачи:
Исследование и определение параметров ИЭМП, возникающих в СЭС 0,22 -0,4 кВ.
Исследование и определение уровней помехоустойчивости ЭИТ при воздействии ИЭМП.
Разработка правил построения системы заземления ЭИТ на основе требований ЭМС.
Разработка методики обеспечения помехозащищенности ЭИТ при воздействии кондуктивных ИЭМП.
Основные методы научных исследований.
При проведении работы использованы методы математического анализа, физического и математического моделирования ИЭМП. Обработка результатов измерений ИЭМП проводилась с применением теории вероятностей и математической статистики. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей и методик. Экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации действующих СЭС предприятий.
Так, при исследовании ИЭМП широко использовались методы математического моделирования, а обработка материалов экспериментов проводилась методами математической статистики. При проведении анализа устойчивости ЭИТ широко применялись методы теории множеств, а оценка
8 физических процессов в заземляющих устройствах проводилась с применением метода наведенных потенциалов.
Научная новизна.
Получены вероятностные модели амплитуд ИЭМП, возникающих в СЭС 0,22 - 0,4 кВ.
Предложен метод анализа помехоустойчивости ЭИТ при воздействии ИЭМП, учитывающий основные отличия в оценке устойчивости ЭИТ при воздействии ИЭМП по сравнению с другими типами ЭО, не связанными с информационными процессами.
Обоснован учет многослойной электрической структуры земли при расчете сопротивления заземляющих устройств (ЗУ) ЭИТ, и предложена методика, реализующая это положение.
Разработана методика обеспечения помехозащищенности ЭИТ при воздействии ИЭМП.
Практическая ценность.
Определены нормально и предельно допустимые нормы показателя качества электроэнергии (ПКЭ) - импульсного напряжения для СЭС 0,22 - 0,4 кВ общего назначения.
Экспериментально определены коэффициенты импульсной передачи трансформаторов ТМ напряжением 6-10/0,4 кВ при воздействии ИЭМП на обмотку высокого напряжения.
Определены дискретные уровни помехоустойчивости ЭИТ при воздействии стандартизированных ИЭМП с учетом заданных критериев качества функционирования оборудования.
Рекомендованы способы выполнения систем заземления и уравнивания потенциалов, существенно повышающие эффективность защиты ЭИТ и снижающие вероятность возникновения опасных ИЭМП. Для повышения точности расчета сопротивления ЗУ ЭУ предложена методика, учитывающая многослойную электрическую структуру земли.
5. Определены схемные и аппаратные способы обеспечения помехозащищенности ЭИТ от ИЭМП с применением современных защитных аппаратов — ограничителей перенапряжения нелинейных.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования ЗАО «Самарский Электропроект» (г. Самара) и ООО «Спецэнергомонтаж» (г. Самара). Использованы Самарским отделением № 28 Сбербанка РФ при создании информационной системы автоматизации банковских работ. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» Самарского государственного технического университета.
Основные положения, выносимые на защиту.
Вероятностные модели амплитуд импульсных ЭМП в СЭС 0,22 - 0,4 кВ.
Нормально и предельно допустимые нормы ПКЭ - импульсного напряжения для СЭС 0,4 кВ.
Уровни помехоустойчивости ЭИТ при воздействии ИЭМП.
Рекомендации по построению систем заземления и уравнивания потенциалов, разработанные с учетом ЭМС ЭИТ.
Рекомендации по повышению точности расчета ЗУ ЭИТ за счет учета многослойной электрической структуры земли.
Методика обеспечения помехозащищенности ЭИТ при воздействии ИЭМП.
Достоверность полученных результатов.
Обоснованность и, достоверность научных положений, теоретических выводов, основных результатов и рекомендаций диссертации подтверждены: экспериментальными исследованиями ИЭМП в действующих СЭС 0,4 кВ с последующей обработкой данных методами теории вероятностей и математической статистики;. удовлетворительным совпадением результатов математического и физического моделирования с результатами натурных экспериментов и измерений;
10 - опытом эксплуатации систем защиты ЭИТ от ИЭМП, спроектированных с применением основных положений диссертационной работы.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 1999 г.), на седьмой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика-2000» (г. Москва, 2000 г.), на третьей Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, 4 приложений и содержит 152 стр. основного текста, включая 42 рисунка и 24 таблицы, 15 стр. списка использованной литературы из 152 наименований, 14 стр. приложений.
Обзор современного состояния вопроса обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования информационных технологий
Понятие электромагнитной совместимости (ЭМС) первоначально возникло в области-радиосвязи, однако в последние десятилетия в связи с развитием электроники проблемы нежелательного взаимного влияния устройств стали актуальны и в других областях. Так многосторонняя научно-техническая проблема ЭМС была сформулирована в работе [13], применительно к специфике работы систем электроснабжения (СЭС), как способность СЭС нормально функционировать в условиях интенсивных внешних и внутренних электромагнитных помех (ЭМП) и доставлять при этом потребителям электроэнергию, соответствующую требованиям нормативных документов (ГОСТ, РУ, ПУЭ и др.).
Одним из важнейших направлений ЭМС СЭС и электроприемников (ЭП), которое стало особенно актуально в последние годы, является задача обеспечения работоспособности низковольтных ЭП (к особой группе которых относится ЭИТ) при воздействии мощных импульсных ЭМП. ИЭМП возникают в СЭС в результате внешних и внутренних источников помех (ИП), параметрически проявляясь в виде кратковременных (импульсных) повыше-ниях напряжения, и определяются термином — «импульсы напряжения».
При этом обеспечение ЭМС ЭИТ при воздействии ЙЭМП невозможно без решения ряда последовательных научно-технических задач, а именно: определения параметров случайных импульсных ЭМП, возникающих в СЭС 0,22 - 0,4 кВ в результате внешних или внутренних источников помех; определения вероятных уровней устойчивости ЭИТ; изучения результатов и возможных способов взаимодействия указанных ИЭМП и рассматриваемого оборудования, т.е. ЭИТ; определения экономически:обоснованных способов и средств управления параметрами нежелательных электромагнитных воздействий, т.е. ограни-
12 чения импульсных ЭМП до величин, не оказывающих отрицательных влияний на работоспособность ЭИТ.
Следовательно, задача обеспечения ЭМС ЭИТ при воздействии ко ндуктивных импульсных ЭМП является многогранной и сформированной на *' стыке таких научных дисциплин, как техника высоких напряжений (ТВН) и координация изоляции электроустановок, а также вопросов качества электроэнергии и теории надежности информационных систем.
Решению научных, технических и методологических задач общей проблемы обеспечения ЭМС, и в том числе при воздействии импульсных ЭМП (перенапряжений), посвящено большое количество работ как в нашей стране, так и за рубежом. Среди них можно отметить работы Вагина Г. Я. [14-16], * Гольдштейна В. Г. [1, 13, 17-21],Жежеленко И. В. [22, 23], Железко Ю. С. [24,
25], Кадомской К.П. [26], Карташева И. И. [27], Костенко М. В. [28], Кравченко В. И. [2], Ларионова В.П. [29, 30], Лоханина А. К. [31], Салтыкова В. М. [148-151], Халилова Ф. X. [1, 28, 32-34], Шидловского [14], а также Барнса Дж. [3], Уайта Д. [4], Хабигера Э. [5] Шваба А. [6] и др.
Первые значительные фундаментальные исследования по теории внешних и внутренних перенапряжений, а также по защите от них электроустановок (ЭУ) были представлены в работах М. В. Костенко, Д. В. Разевига, А. И. Долгинова, Ч. М. Джуварлы и др.
Значительный вклад в разработку теории и практики средств и методов обеспечения ЭМС ЭУ при воздействии импульсных помех внесли производственные и научные коллективы Ленинградского политехнического института (ЛПИ) им. М. И. Калинина (ныне СПбГТУ), ВГПИ и НИИ Энергосетьпроект и его отделений, ВНИИЭ (Москва), Московского энергетического института (МЭИ), ОРГРЭС (Союзтехэнерго), Киевского, Нижегородского, Новосибирского, Приазовского, Самарского и др. государ- р ственных технических университетов, ВНИПИ Тяжпромэлектропроект, ГИП
Электропроект. ІЗ Большую роль по внедрению научно-обоснованных методов, схем, средств и аппаратов для защиты от импульсных ЭМП и обеспечения ЭМС сыграла созданная в 1970 году под руководством М. В. Костенко и Ф. X.
Халилова секция IV Научного совета АН СССР по комплексной проблеме «Научные основы электрофизики и электроэнергетики». Одной из основных задач этого научного совета была задача решения комплекса вопросов защиты от перенапряжений, рассматриваемых с позиции внешних и внутренних ЭМВ на СЭС [13]. Предложенные Ф. X. Халиловым комплексные методы математического моделирования дали для анализа ЭМС при воздействии перенапряжений ряд важнейших результатов и в дальнейшем были использованы в работах Б. В. Ефимова, Н. И. Гумеровой, И. М. Зархи, И. М.
Богатенкова, В. Н. Мешкова, В. Н. Борисова, А. А. Дульзона, Ф. А. Гинду длина,
В: Г. Гольдштейна [1,17-19, 34,32].
За рубежом проблемы ЭМС, и в частности по защите от импульсных ЭМП, находятся в центре внимания международных электротехнических организаций, таких, как МЭК, СИГРЭ и др., что послужило основанием. для создания ряда основополагающих документов и разработки единой системы сертификации ЭМС.
В России проблемам ЭМС в последнее время уделяется не менее пристальное внимание, чем: за рубежом. Госстандартом РФ принят ряд стандартов по ЭМС, регламентирующих различные аспекты названной проблематики [35-40]. Среди них важное место, в рамках рассматриваемого в данной работе вопроса, занимают стандарты, устанавливающие уровни помехоустойчивости технических средств (ТС) [37-39], правила проведения испытаний на помехоустойчивость [36], а также классы электромагнитной обстановки (ЭМО) [40].
Значительный вклад в решение проблем ЭМС СЭС и ЭП при импульсных электромагнитных воздействиях внесли разработчики стандарта ГОСТ 13109-97 [35] Мамошин Р. Р., Никифорова В. Н., Белло С- Б., Штиллерман В. С, Кармашев В. С, Ситников А. И., Твердое Н. В., Железко Ю. С, Карташев И. И.
14 и др. В стандарте ГОСТ 13109-97, устанавливающем нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения, введен новый показатель качества электроэнергии - импульс напряжения, который характеризует кондуктивные импульсные электромагнитные помехи в
Несмотря на большое количество работ, написанных на указанную тему, а также введение в действие ряда стандартов.по ЭМС, проблема обеспечения ЭМС ЭИТ при воздействии импульсных электромагнитных помех (ЭМП) остается малоизученной.
Так стандарт ГОСТ 13109-97 требует доработки в части определения норм импульсов напряжения в СЭС общего назначения напряжением 0,22-0,4 кВ. Детально разработанные рекомендации по защите ЭО от перенапряжений [41, 42] охватывают диапазон рабочих напряжений электроустановок 6— 1150 кВ, оставляя многочисленные вопросы, связанные с импульсными ЭМП в сетях 0,4 кВ без ответа.
Работы Вагина Г. Я. [14-16], Жежеленко И. В. [22, 23], Железко Ю. С [24, 25] касаются общих вопросов теории ЭМС или направлены на решение задач ЭМС СЭС промышленных предприятий, связанных с вопросом качества электроэнергии и исследованию таких ПКЭ, как отклонения, колебания, несимметрия, несинусоидальность, провалы напряжения.
Работы Базуткина В. В. [26, 43], Гиндуллина Ф. А. [17, 32], Гольдштейна В. Г. [1, 13, 17-19]., Дмоховской Л. Ф. [43], Дульзона А. А. [17, 32], Костенко MB. [28, 44], Халилова Ф. X [1, 17, 18, 28, 32-34] посвящены изучению теории переходных процессов и перенапряжений [43, 44], анализу внутренних и грозовых перенапряжений в сетях среднего и высокого напряжения [17-19, 32-34] либо решают вопросы защиты от перенапряжений оборудования отдельных отраслей народного хозяйства [1, 13], имеющего свою, отличную от работы ЭИТ, специфику работы.
Работы Гурвича И. С. [45], Мкртчяна Ж. А. [46], Кравченко В. И. [2, 47], Черепанова В. П. [7], а также работы других авторов [48-51] направлены на
15 изучение ЭМС электронной аппаратуры, однако решают либо общие вопросы обеспечения ЭМС при воздействии различных видов ЭМП, уделяя вопросам защиты от ИЭМП мало внимания [45, 46, 48-50], либо посвящены ЭМС радиоэлектронной аппаратуры [2, 7, 47, 51], имеющей свою, отличную от работы ЭИТ, специфику работы.
Отдельные работы [8-Ю, 52-53], посвященные изучению ИЭМП в СЭС 0,4 кВ, решают узкие практические задачи и не претендуют на полноту исследования различных аспектов ЭМС ЭИТ.
Приведенный обзор состояния названной проблемы не претендует на исчерпывающую полноту, но, тем не менее, указывает на необходимость дальнейшего внимательного изучения вопросов ЭМС ЭИТ при воздействии кондуктивных ИЭМП, связанных с насущными требованиями надежной и безотказной работой информационных систем.
Импульсные помехи, возникающие при несимметричных режимах работы сетей с заземленной нейтралью
Электрическое влияние на кабели, закопанные в землю, и расчет возникающих при этом импульсов напряжения может быть выполнен на основании решения системы (1.8), где правые части в уравнениях для напряжений полагаются равными нулю, вместо U3(x) в уравнениях для токов подставляются напряжения несимметричной влияющей ЛЭП, а вместо соответствующих проводимостей подставляются емкости между соответствующими контурами. Расчет этих емкостей может быть сделан по формулам, приведенным в [73].
Совокупность возможных граничных условий для системы (1.8) определяется режимами работы КЛ, наличием тех или иных защитных устройств и характером внешних воздействий. В частности для схемы (рис. 1.11) при отсутствии защитных разрядников на концах кабеля граничные условия запишутся в виде: где ZJI - сопротивление заземления, г0 - эквивалентный радиус контура заземления. В результате решения системы (1.8), выполненного матричными методами, при заданных внешних воздействиях, параметрах кабеля и граничных условиях определяются следующие величины: комплексные значения напряжений и их модули по длине кабеля по отношению к «нулевой» земле, а также модуль разности напряжений Jt/, - U21, воздействующий на изоляцию кабеля, комплексные значения токов и их модули по длине кабеля в соответствующих контурах. Соответствие системы уравнений (1.8) реальным процессам развития КИП в КЛ в значительной степени зависит от точности определения входящих в систему собственных и взаимных погонных параметров кабелей. При строгом подходе к их определению необходимо решить уравнения электромагнитного поля Максвелла для различных сред (земля, оболочка, изоляция, жилы) при удовлетворении граничных условий на поверхностях раздела. Погонные параметры контуров при этом должны быть определены так, чтобы постоянные распространения телеграфных уравнений совпали с корнями характеристических уравнений Максвелла [70]. Решение задачи при такой постановке чрезвычайно сложно. При упрощенном подходе для варианта двухпроводной линии (оболочка - земля и все жилы - земля) за основу было взято решение Зунде для электромагнитного поля сплошного металлического проводника в проводящей земле. Затем при: известных внутренних параметрах контуров и определенных допущениях для контура жилы - земля рассчитывались параметры двухпроводной линии. Погонные параметры трехпроводной линии (кабель с броней) определялись в результате решения уравнений электромагнитного поля для системы внешних металлопокровов кабеля и троса в земле. Отыскивались.корни соответствующего характеристического уравнения, вычислялись погонные параметры такой системы в фазных координатах и по известным значениям внутренних параметров кабеля и брони определялись погонные параметры эквивалентной трехпроводной линии. Методика такого расчета реализована в [1]. Исходными данными для расчетов являются частота питающего тока, удельное сопротивление грунта, геометрические размеры кабеля, а также его погонные внутренние параметры, которые определяются по справочным данным или экспериментально на коротких отрезках в лабораторных условиях. Результаты расчета [1, 70] указывают на опасность несимметричных режимов работы высоковольтных сетей для чувствительного оборудования 0,22-0,4 кВ, т. к. в СЭС 0,22-0,4 кВ возможно появление значительных импульсных помех амплитудой до 2,8 кВ, вызванных несимметричными режимами работы высоковольтных сетей; Значительные КИП могут возникать в СЭС 0,4 кВ в результате возникновения дуговых (п. 1.2, рис, 1.10) и коммутационных (п. 1.3, рис. 1.10) перенапряжений в СЭС 6-10 кВ с последующим переходом их в СЭС 0,4 кВ через силовой трансформатор. Для изучения КИП, возникающих в СЭС 0,4кВ в результате перехода через силовой трансформатор, необходимо изучить параметры перенапряжений, возникающих в сети 6-10 кВ, и определить коэффициенты передачи импульсных помех через силовой трансформатор, что позволит рассчитать возможные параметры кондуктивных импульсных помех, передающихся в сеть низкого напряжения. Самыми распространенными и опасными причинами возникновения перенапряжений в сетях 6-10 кВ являются однофазные замыкания на землю (дуговые перенапряжения) и коммутации различных элементов СЭС (коммутационные перенапряжения) [1, 17, 18, 33, 34]. Наиболее полные исследования дуговых и коммутационных перенапряжений в сетях 6-10 кВ проведены авторами [17, 33, 34, 74]. В этих работах приводятся данные автоматической регистрации дуговых перенапряжений на 11 подстанциях 6/0,4 кВ. Регистрация дуговых перенапряжений осуществлялась на протяжении 4538 суток, при этом максимальные зарегистрированные кратности перенапряжений в сети 6 кВ составили 3,1 отн. ед. Обработка результатов проведенных исследований методами математической статистики позволила получить годовое количество дуговых перенапряжений, возникающих в исследуемых сетях (табл. 1.1) Регистрацию коммутационных перенапряжений проводили на 5 трансформаторах, 4 трансформаторах с кабелем и 2 кабельных линиях. За время исследований в сетях 6 кВ зарегистрировано 5552 фазоосциллограмм коммутационных перенапряжений, максимальная кратность которых составила 6,2 отн. ед. [33]. Обработка результатов проведенных исследований методами математической статистики позволила получить годовое количество коммутационных перенапряжений, возникающих в сетях 6 кВ (табл.. 1.2)
Для дальнейшего изучения КИП, возникающих в СЭС 0,4 в результате перехода импульсных помех через силовой трансформатор, необходимо определить коэффициенты импульсной передачи силовых трансформаторов.
Механизм передачи импульсов напряжения из первичной обмотки во вторичную происходит [75-80] благодаря присутствию между обмотками емкостной и индуктивной связи или электростатической (емкостной) и электромагнитной (индуктивной) передачи напряжения (рис. 1.12).
Определение законов распределения амплитуд импульсных электромагнитных помех
Импульсное напряжение является одним из показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в соответствии со стандартом ГОСТ 13109-97 [35]. Устанавливаемые в стандарте ГОСТ 13109-97 нормы качества электроэнергии по нормируемым ПКЭ (в том числе импульсам напряжения) являются уровнями электромагнитной совместимости (ЭМС) для кондуктивных ЭМП в СЭС общего назначения. А уровень ЭМС, в свою очередь, является опорным значением, на основе которого устанавливается правильное соотношение между уровнем помехоэмиссии и уровнем помехоустойчивости оборудования, которые в условиях эксплуатации являются случайными величинами, характеризуемыми некоторыми законами распределениями с плотностями распределения С/уСТ) nf(UR) соответственно (рис. 2.1).При этом уровень помехоустойчивости выбирается таким, чтобы обеспечивать малое значение вероятности ухудшения качества функционирования оборудования при воздействии помех в процессе эксплуатации. Уровень ЭМС выбирается так, чтобы вероятность появления помех с большим уровнем (чем уровень электромагнитной совместимости) была мала, а ухудшение качества функционирования оборудования при воздействии помех с амплитудой, меньшей уровня совместимости, было незначительным или совсем отсутствовало. При соблюдении указанных выше соотношений между уровнями помехоэмиссии и помехоустойчивости гарантируется электромагнитная совместимость оборудования. Однако в стандарте ГОСТ 13109-97 [35] отсутствуют нормы по такому ПКЭ, как импульс напряжения в СЭС 0,22 — 0,4 кВ, что не позволяет установить правильное соотношение между уровнями помехоэмиссии и помехоустойчивости оборудования и препятствует решению проблемы обеспечения ЭМС электрооборудования. Поэтому представляет интерес статистическая оценка параметров ИЭМП в СЭС 0,22-0,4 кВ с целью определения их закона распределения для СЭС 0,22 - 0,4 кВ и нормы по такому ПКЭ, как импульсное напряжение.
Для определения нормы ПКЭ - импульсного напряжения необходимо получить закон распределения параметров ИЭМП в СЭС 0,4 кВ в точке общего присоединения потребителей электроэнергии. Указанный закон складывается из распределения параметров ИЭМП, возникающих в СЭС электроснабжающей организации и электрических сетях потребителей электроэнергии (рис. 2.2).
Анализ схем, представленных на рис. 1.10 и рис. 2.2, указывает, что ИЭМП в точке общего присоединения потребителей электроэнергии СЭС 0,4 кВ могут возникать в результате перехода ИЭМП через силовой трансформатор из СЭС 6 (10) кВ, короткого замыкания (к.з.) на силовом трансформаторе или отключения токов к.з. на стороне 0,4 кВ трансформаторной подстанции. При отключении токов к.з. на трансформаторной подстанции автоматическими включателями, как указано в параграфе 1.3.4, амплитуда помех не превысит 4005, поэтому может в расчет не приниматься. Короткое замыкание на силовом трансформаторе является маловероятным событием. Поэтому примем в качестве допущения, что наиболее вероятной причиной возникновения значительных ИЭМП в СЭС 0,4 кВ электроснабжающей организации в точке общего присоединения потребителей является переход ИМЭП из СЭС 6(10) кВ через силовой трансформатор (табл. 1.6).
Параметры ИЭМП, возникающие: в электрических сетях потребителей электроэнергии (рис. 2.2), получены по результатам измерения российских ученых. Результаты измерения параметров импульсных помех в действующих электрических сетях различных предприятий приведены в ряде работ [10, 45,55, 87-89], однако наиболее полные данные по результатам измерения ИЭМП в электрических сетях различных потребителей представлены в работах [10, 55], которые и будут взяты за основу для определения закона распределения С/имп В указанных работах приводятся результаты измерения параметров ИЭМП в электрических сетях (с типом системы заземления TN) коммунально-бытовых потребителей. За время измерений ИЭМП в электрических сетях (длительность измерения составила 447 часов) зарегистрировано 287 ИЭМП, в 6 различных точках измерений. Регистрация ИЭМП производилась с помощью автоматизированной измерительной системы (АИС), блок схема которой представлена на рис. 2.3. На входе АИС установлен фильтр, осуществляющий развязку с СЭС, полоса пропускания которого составляет 1 кГц, После прохождения входного фильтра импульсная помеха попадает в отсеивающие фильтры № I и №2 с полосами пропускания 12-200 кГц и 0,2-200 МГц соответственно. Предел измерения амплитуд в АИС составляет от 100 5 до 3000 В. При превышении амплитуды импульса напряжения величины 3000 В регистрируется только факт возникновения помехи без регистрации ее параметров. Так как амплитуда импульсного напряжения заранее неизвестна, прежде чем поступить на записывающее устройство, амплитуда сигнала, переходного процесса сжимается с помощью логарифмического усилителя. Декомпрессия осуществляется в дальнейшем с помощью вычислительных методов в персональном компьютере.
Далее сигнал поступает в записывающие устройства. Поскольку длительность импульсного напряжения тоже заранее неизвестна, в АИС имеются два записывающих устройства №1 и №2. Записывающее устройство № 1 способно регистрировать переходные процессы длительностью от 20 мкс до 2 мс, а записывающие устройство №2 способно регистрировать переходные процессы длительностью до 20 мкс.
В персональном компьютере происходит сравнение зарегистрированного сигнала, записанного во временном диапазоне ti = 2 мс и в частотном диапазоне fx = 12-200 кГц, а также во временном диапазоне t2 =20 мкс и в частотном диапазоне Уз — 0,2 — 20 МГц. В качестве результирующего значение амплитуды берется максимальное из двух значений сигнала.
Уровни помехоустойчивости электрооборудования информационных технологий
Электромагнитная совместимость (ЭМС) электрооборудования информационных технологий (ЭИТ) при воздействии импульсных электромагнитных помех (ЭМП) может быть достигнута, если уровень собственной устойчивости ЭИТ превышает уровень воздействующих ЭМП. Однако в реальных условиях эксплуатации уровень эмиссии помех является случайной величиной и может превышать уровень, помехоустойчивости оборудования, что приводит к нарушению функционирования ЭИТ.
Экономически нецелесообразно выполнять ЭИТ абсолютно стойким к самым жестким, возможным в процессе эксплуатации электромагнитным воздействиям. Поэтому при разработке и производстве ЭИТ необходимо технико-экономическое ограничение уровня устойчивости оборудования на основе сравнения капитальных затрат и возможных ущербов от нарушения названной устойчивости.
Собственная устойчивость электрооборудования (ЭО) низкого напряжения (к классу которого относится и ЭИТ), характеризующая работоспособность оборудования при воздействии импульсных ЭМП (перенапряжений), определяется импульсной прочностью внутренней изоляцией ЭО, которая обеспечивается производителями оборудования в соответствии с требованиями ряда нормативных документов и стандартов, например [94, 95].
Однако в процессе эксплуатации, из-за влияния различных факторов, характеристики изоляционных конструкций, составляющих внутреннюю изоляцию ЭО, подвергаются изменениям. В изоляционных материалах неизбежно протекают физико-химические процессы, изменяющие их структуру или состав. Вследствие этого качество изоляции с течением времени ухудшается, электрическая и механическая прочность снижаются, диэлектрические потери и проводимость растут. При этом особое влияние на внутреннюю изоляцию ЭО оказывают импульсные ЭМП.
Под влиянием импульсных ЭМП возможна частичная или полная потеря изоляцией своих диэлектрических свойств, представляющая собой необратимый процесс, ведущий к выходу ЭО из строя. Указанное состояние характеризуется наличием дефектов внутренней изоляции, препятствующих дальнейшей эксплуатации оборудования, и возникает одномоментно или постепенно. Поэтому для внутренней изоляции ЭО можно отметить специфическую зависимость электрической прочности изоляционных конструкций от времени воздействующих перенапряжений, которая имеет пять характерных областей, представленных нарис. 3.1 [58]. В области малых времен воздействи перенапряжений (характерных для импульсных ЭМП), исчисляемых микросекундами (область на рис. 3.1), пробой имеет чисто электрический характер, т.е. не связан с химическими, механическими и тепловыми процессами. При временах воздействия от 10 микросекунд до 10 миллисекунд (область на рис. 3.1) пробивное напряжение остается приблизительно неизменным, так как время развития чисто электрического пробоя значительно меньше, а механические и химические процессы не успевают развиться. В интервале времени от 0,01 секунды до 1 минуты (область С на рис. 3.1) происходит снижение электрической прочности, связанное, в частности, с образованием проводящих мостиков из примесей и другими медленными процессами. При временах воздействия перенапряжений от 1 минуты до нескольких часов (область D на рис. 3.1) пробой может быть обусловлен нарушением тепловой устойчивости изоляции (тепловой пробой) или процессами электрического старения. Наконец при временах воздействия более 10 ч (область на рис. 3.1) происходит постепенное, длящееся иногда годами, снижение электрической прочности внутренней изоляции вследствие изменения ее свойств под влиянием внешних электрических, тепловых и механических воздействий. Строго говоря, импульсная прочность внутренней изоляции ЭО является случайной величиной. Поэтому полное представление об импульсной прочности внутренней изоляции ЭО могут дать вольт-секундные характеристики, соответствующие различным вероятностям пробоя. Однако из-за экспериментальных трудностей такая исчерпывающая информация в полном объеме не получена ни для одного вида изоляции ЭО [58]. Это связано с тем, что реальные значения импульсной прочности внутренней изоляции ЭО можно получить только ценой полного и необратимого повреждения всего устройства или,отдельных его компонентов. Поэтому фактические значения импульсной устойчивости конкретного экземпляра ЭО, как правило, неизвестны, тем более что в экспериментах с одинаковыми изделиями наблюдаются значительные разбросы пробивных напряжений.
Как видно из данных табл. 3.1 из всего многообразия различного ЭО наименьшей устойчивостью при воздействии импульсных помех обладает оборудование, содержащее полупроводниковые приборы (ППП) и интегральные микросхемы (ИМС), т.е. электронная аппаратура (ЭА), к особому классу которой относится и ЭИТ. Относительно небольшая стойкость ППП и ИМС обусловлена малыми размерами полупроводниковых кристаллов по сравнению с активными объемами других элементов, а также свойствами р-п переходов.
Когда переход смещен к области лавинного пробоя, в нем может выделиться большая тепловая энергия. Постоянная времени распространения тепла для полупроводниковых материалов значительно выше по сравнению с длительностью многих видов переходных процессов. Поэтому в малой (локальной) области образуются большие градиенты температуры, в результате чего возникает вторичный тепловой пробой [7, 96, 97].
Следствием воздействий импульсных помех на ЭА являются также ложные срабатывания приборов, деградация параметров элементов ЭА и их выход за допустимые пределы; структурные повреждения/?-и переходов и активных элементов, тепловой пробой, плавление или выгорание металлизации и контактных дорожек, перекрытия по поверхности изделия, пробой твердых и жидких диэлектриков, воздушных и: вакуумных промежутков. Наиболее характерные виды повреждений элементной базы ЭА при воздействии импульсных помех приведены в таблице 3.2 [2, 7, 97].
Повышение точности расчета сопротивления заземляющих устройств электроустановок за счет учета многослойной электрической структуры земли
Производители выпускают широкую гамму ОПН с различными значениями параметров: остающегося напряжения, номинального и максимального разрядных токов и т.д. Однако, несмотря на это, бывает сложно подобрать устройство, соответствующее всем требованиям защиты. Так ОПН, подключаемый на вводе в ЭУ, должен выдерживать ток большой интенсивности (несколько кА) и при этом обеспечивать достаточно низкий уровень остающегося напряжения (0,5 -1 кВ) для защиты чувствительного оборудования. Очевидно, что подобрать одно устройство отвечающего указанным выше требованиям сложно.
Дія обеспечения низкого остающегося напряжения при- защите чувствительного оборудования от ИЭМП применяют каскадное подключение ОПН с различными параметрами. На вводе устанавливается ОПН1, обеспечивающий «грубую» защиту, после него — ОПН2 с более низким значением параметров, что обеспечивает «точную» защиту (рис. 5.8.)
Каскадное подключение ОПН рекомендуется в двух случаях: 1. Если дистанция от ОПН1 до защищаемого оборудования превышает 30 м. 2. Если интенсивность воздействующей помехи значительна и остающееся напряжение ОПН1 /ост1 превышает уровень помехоустойчивости ЭИТ Uyct Когда несколько ОПН используются в одной ЭУ, необходимо обеспечить координацию их параметров для обеспечения работоспособности при воздействии ИЭМП. Требования координации обусловлены тем, что пропускная способность ОПН2, как правило, в 5-10 раз ниже, чем ОПН1. При подключении двух ОПН в одну сеть (рис. 5.8.а) они представляют параллельные элементы одной цепи. При этом, если требования координации между ОІШ1 и ОПН2 не выполнены, то при воздействии ИЭМП в первую очередь сработает ОПН2 благодаря более низким характеристикам (с риском выхода из строя из-за перегрузки по току), а ОПН 1 будет неэффективен. Обеспечить координацию между ОПН позволяет удаление точек подключения ОПН1 (точка А) и ОПН2 (точка В) на достаточное расстояние (отрезок АВ на рис. 5.8.а) или добавление на этом участке специального индуктивного сопротивления. При этом дополнительное индуктивное сопротивление участка АВ (или специального дросселя) позволяет существенно ограничить амплитуду импульса напряжения, воздействующего на точку Л за счет создания дополнительного падения напряжения, и обеспечить совместимость параметров ОПН2 с уровнем остающегося (после срабатывания ОПН1) напряжения. При этом напряжение, измеренное на клеммах ОПН 2, равно напряжению, измеренному на клеммах ОПН 1, минус падение напряжения на индуктивном напряжении участка АВ. Минимальное расстояние между ОПН, которое позволяет обеспечить координацию их параметров, зависит от типов ОПН и определяется на основании лабораторных испытаний. В табл. 5.8 указаны рекомендуемые расстояния между ОПН (на основе оксида цинка) для обеспечения требований координации [62, 65, 68, 147]. При выполнении каскадной защиты ЭИТ от ИЭМП возможны два основных способа подключения ОПН. 1. Установка нескольких ОПН с разными параметрами, осуществляемая параллельно на одной цепи. Этот случай (Рис. 5.8 а) применяется, когда: - на вводе установлен ОПН, параметры которого рассчитаны по возможному току молнии в начале ЭУ, при этом значение остающегося напряжения ОПН превышает уровень устойчивости защищаемого оборудования; - защищаемое оборудование удалено от ОПН на большое расстояние (свыше 30 м). При удалении ОПН на значительное расстояние от защищаемого оборудования в момент срабатывания ОПН возможно появление дополнительных ИЭМП, связанных с эффектом отражения волн, при этом на клеммах ОПН возможно появление напряжений с амплитудой, равной в самом тяжелом случае 2 {Ux + U3A + U2 + U0CT) (рис. 5.9.a). При этом дистанция в 30 м между ОПН и защищаемым ЭО считается максимально допустимой для обеспечения качественной защиты [147]. 2. Установка нескольких ОПН на разных цепях. Подобная схема каскадной защиты (рис. 5.8.6) применяется в случае нескольких отходящих линий (параллельных электрических цепей) или общего заземления и имеет два варианта - когда существует ОПН на вводе в ЭУ. Координация между этим ОПН и каждым последующим ОПН, расположенным после вводного, реализуется обычно в соответствии с принципами, изложенными выше. - когда на вводе ЭУ ОПН не установлен. Такого случая необходимо избегать, т.к. всегда предпочтительнее стекание разрядного тока ОПН вблизи начала ЭУ, чтобы уменьшить электромагнитные помехи внутри ЭУ. Если ОПН в начале ЭУ или на отходящей линии в непосредственной близости от начала ЭУ не установлен, выбор ОПН осуществляют независимо от всех рекомендаций по координации.
