Содержание к диссертации
Введение
1. Взаимосвязь вопросов охраны труда (электробезопасности), надежности и электромагнитной совместимости на энергообъектах 25
2. Разработка и научное обоснование комплексной методики расчета характеристик одножильных кабелей, влияющих на их надежность, электробезопасность и электромагнитную совместимость при различных условиях их прокладки 25
2.1. Индуцируемые токи и напряжения в экранах одножильных кабелей 25
2.2. Тепловой режим одножильных кабелей с учетом дополнительных потерь в экранах 49
2.3. Магнитные поля одножильных кабелей 60
2.4. Наводки на контрольном кабеле, создаваемые одножильными кабелями 70
2.5. Выводы 78
3. Требования к условиям прокладки одножильных кабелей 83
3.1. Требования к условиям прокладки одножильных кабелей, направленные на повышение передаваемой по ним мощности 83
3.2. Требования к условиям прокладки одножильных кабелей, направленные на повышение их электромагнитной совместимости и электробезопасности 84
3.3. Рекомендуемые требования к условиям прокладки одножильных кабелей, направленные на повышение передаваемой по ним мощности, электромагнитной совместимости и электробезопасности 85
3.4. Общие рекомендации по прокладке одножильных кабелей 86
3.5. Выводы 88
4. Характеристика заземления СКУ на АЭС 90
4.1. Типы заземления СКУ 90
4.2. Устройство спецзаземления СКУ на АЭС 97
4.3. Высокочастотные и импульсные воздействия на систему спецзаземления СКУ на АЭС через заземлитель 100
4.4. Выводы 104
5. Разработка методики диагностики и результаты обследования спецзаземления СКУ энергоблока АЭС 105
5.1. Разработка методики обследования спецзаземления СКУ энергоблоков на АЭС 105
5.2. Результаты обследования спецзаземления СКУ энергоблоков на АЭС 108
5.3. Предлагаемая система спецзаземления для СКУ энергоблоков АЭС 113
5.4. Выводы 116
Заключение 118
Список использованных источников 122
Приложение 1. Рекомендации по применению и обследованию одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в сети генераторного напряжения на электростанциях 132
Приложение 2. Программа по расчету магнитных полей 152
Приложение 3. Методика проверки технического состояния спецзаземления СКУ на АЭС 154
Приложение 4. Осциллограммы наводок на опорных узлах спецзаземления в нормальном режиме 172
Приложение 5. Осциллограммы наводок на сигнальных кабелях от внешнего источника помех 183
- Индуцируемые токи и напряжения в экранах одножильных кабелей
- Магнитные поля одножильных кабелей
- Типы заземления СКУ
- Результаты обследования спецзаземления СКУ энергоблоков на АЭС
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с документом «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» в России планируется ввод в сжатые сроки больших мощностей, как на природном, так и на ядерном топливе. Приоритет будет отдан, в том числе и современным компактным газотурбинным установкам (ГТУ) и атомным энергоблокам типа ВВЭР-1000.
Ускоренный ввод станций сопровождается снижением надежности, электробезопасности и электромагнитной совместимости (ЭМС) при их работе из-за ошибок проекта, монтажа, наладки, дефицита квалифицированного персонала и др. Это, как следствие, приводит к понижению уровня охраны труда на энергообъекте из-за аварийных отключений оборудования, увеличения количества ремонтных и профилактических работ, создания негативных производственных факторов для обслуживающего персонала (повышенные магнитные поля (МП), повышенные температуры, наводки и др.). Т.е. рассмотрение вопросов повышения уровня охраны труда на энергообъектах необходимо выполнять в комплексе с вопросами надежности и электромагнитной совместимости оборудования. Особенно это касается энергообъектов, где вводится новое оборудование.
На тепловых электростанциях с ГТУ применено новое техническое решение для выдачи мощности от генераторов на шины РУ в виде одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Эти кабели являются зарубежной разработкой и их внедрению в России не предшествовали научные и исследовательские работы по определению их надежности, электробезопасности и ЭМС в условиях эксплуатации. В ПУЭ и ПТЭ до настоящего времени также не внесены соответствующие дополнения и изменения. Нет четкого определения, как должен быть заземлен экран одножильного силового кабеля, и в каких случаях допускается его эксплуатация с односторонним заземлением. А отсутствие достаточного опыта проектирования, монтажа и наладки одножильных кабелей привело к серьезным проблемам при их эксплуатации. На первых же электростанциях с ГТУ, где были применены одножильные кабели для выдачи мощности от генераторов, возникли проблемы. Через несколько месяцев после начала эксплуатации кабели вышли из строя. Потребовалась полная замена кабелей или отдельных участков. Пришлось изменять трассу и условия прокладки кабелей, переходить на одностороннее заземление их экранов, устанавливать изолирующие кабельные муфты. Неправильная прокладка и размещение одножильных кабелей приводит к созданию напряженностей МП промышленной частоты, превышающих допустимые уровни для обслуживающего персонала и микропроцессорных устройств. Помехи, индуцируемые в контрольных кабелях при определенных условиях расположения одножильных кабелей, могут влиять на работу микропроцессорной аппаратуры
С помощью одностороннего заземления экранов одножильных кабелей, увеличения межфазного расстояния, прокладки без кабельных коробов можно повысить допустимую нагрузку на одножильные кабели, но при этом созданные магнитные поля в местах работы обслуживающего персонала и в местах установки микро-
процессорных устройств, а также наводки на контрольных кабелях значительно увеличатся. И, наоборот, заземлив экраны с двух сторон, уменьшив межфазные расстояния, проложив кабели в стальных коробах, мы добьемся уменьшения внешних влияний от одножильных кабелей, но получим перегретую изоляцию или необходимость ограничения нагрузки. Следовательно, проблема применения одножильных кабелей в сети генераторного напряжения должна рассматриваться в комплексе, а односторонний подход приводил, и будет приводить к их повреждениям.
В связи с этим возникла необходимость разработки комплексной методики расчета характеристик одножильных кабелей, влияющих на их надежность, электробезопасность и ЭМС. К таким характеристикам относятся: токи и напряжения в экранах, температура кабелей, МП, создаваемые одножильными кабелями, наводки на контрольных кабелях. Эти характеристики связаны между собой и, в зависимости от выбранных условий прокладки одножильных кабелей, они могут обеспечить либо повышенную допустимую нагрузку, либо хорошую ЭМС и электробезопасность. В каждом отдельном случае применения одножильных кабелей необходим системный подход и выбор рационального решения.
На АЭС продолжается интенсивное внедрение микропроцессорных устройств в системы контроля и управления (СКУ), но недостаточное внимание и отсутствие опыта проектирования и наладки заземляющих устройств (ЗУ) этих систем на АЭС приводят к понижению их уровня ЭМС и надежности, и как следствие, к ухудшению производственных условий безопасного труда обслуживающего персонала.
ЗУ для СКУ энергоблока АЭС представляет сложную пространственную систему, выполненную в виде «дерева» и заземленную в одной точке, так называемое спецзаземление. Оно охватывает примерно 30 помещений энергоблока и больше сотни шкафов и стоек. В такой системе должны отсутствовать замкнутые контуры и вторые точки заземления. Такое заземление используется на всех атомных энергоблоках типа ВВЭР-1000 в России и зарубежом.
Объем работ, выполняемый при проверках спецзаземления СКУ, не позволял выявить неисправности в нем. В связи с этим возникла необходимость в методе диагностики спецзаземления СКУ, позволяющем выявлять все неисправности, обусловленные проектными, монтажными и наладочными ошибками, с выдачей рекомендаций по устранению этих неисправностей и повышению уровня надежности, электробезопасности и ЭМС СКУ энергоблока АЭС.
Разработанный метод апробировался на ряде энергоблоков АЭС России и зарекомендовал себя пригодным и в настоящее время единственно возможным способом диагностирования спецзаземления СКУ любой сложности. Проведенные по этому методу работы выявили множество неисправностей в спецзаземлении, имеющиеся на действующих и вновь вводимых энергоблоках АЭС.
Целью работы является повышение уровня охраны труда на станциях с ГТУ и энергоблоках АЭС путем обеспечения надежности, ЭМС и электробезопасности работы оборудования с помощью применения разработанной комплексной методики расчета характеристик одножильных кабелей генераторного напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена и методики диагностики спецзаземления СКУ на АЭС
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: 1 Разработать и научно обосновать комплексную методику расчета характеристик одножильных кабелей в зависимости от условий прокладки, включающую расчет токов и напряжений в экранах, расчет теплового режима кабелей, расчет МП и наводок на контрольных кабелях. Результаты расчетов по разработанной методике подтвердить прямыми измерениями на действующем оборудовании.
-
На основании разработанной методики определить требования к условиям прокладки одножильных кабелей направленные на повышение электробезопасности, передаваемой по ним мощности и ЭМС.
-
Разработать методику диагностики технического состояния устройств спецзаземления СКУ на АЭС.
-
Провести анализ неисправностей устройств спецзаземления по результатам обследования с использованием разработанной методики и сделать выводы о пригодности существующих устройств спецзаземления по требованиям электробезопасности, надежности и ЭМС современных СКУ на АЭС.
-
Предложить основные положения концепции заземления современных СКУ на АЭС.
Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:
-
Поставлена в комплексе задача повышения уровня охраны труда, передаваемой мощности и ЭМС при применении одножильных кабелей с изоляцией из СПЭ в сети генераторного напряжения на станциях с ГТУ.
-
Разработана методика расчета характеристик одножильных кабелей, позволяющая определять токи в экранах кабелей, МП, наводки на контрольных кабелях, тепловой режим одножильных кабелей, и в комплексе выработать рациональные условия прокладки для уменьшения негативного влияния производственных факторов на обслуживающий персонал.
-
Определено, что при расчетах МП, создаваемых одножильными кабелями с заземленными с двух сторон экранами, необходимо учитывать фазу тока в экранах кабелей. Угол фазового сдвига между токами в экранах и токами в жилах существенно меньше 180 is зависит от условий прокладки кабелей.
-
Впервые разработана и научно обоснована методика диагностики устройств спецзаземления СКУ на АЭС, позволяющая, в том числе, выявлять и высокочастотные резонансные контуры в схемах спецзаземления.
-
Научно обоснована необходимость перехода на другие принципы устройства спецзаземления на АЭС. Предложены основные положения системы заземления.
Практическая значимость результатов диссертации состоит в следующем:
1. Разработана комплексная инженерная методика оценки условий прокладки
одножильных кабелей, как для анализа проектных решений, так и по факту после их
прокладки или реконструкции. Методика оформлена в виде стандарта организации
)АО «Южный инженерный центр энергетики».
2. На основе расчетов предложены технические решения по прокладке одно-
ильных кабелей, сочетающие максимальную пропускную способность с мини-
іальньїм уровнем, создаваемых МП и наводок на контрольных кабелях.
-
Определены безопасные расстояния в части влияния МП для обслуживающего персонала и установленных микропроцессорных устройств.
-
Разработана методика диагностики существующих и вновь вводимых устройств спецзаземления СКУ на АЭС, позволяющая выявить все неисправности, обусловленные проектными, монтажными и наладочными ошибками. Методика оформлена в виде стандарта организации ОАО «Южный инженерный центр энергетики».
-
Определено минимальное расстояние точки присоединения устройства спецзаземления СКУ к заземлителю до ОРУ различных классов напряжений в зависимости от удельного сопротивления грунта
-
Предложена концепция устройств заземления современных СКУ для АЭС, отвечающая требованиям по надежности, электробезопасности и ЭМС.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Комплексная инженерная методика расчета характеристик одножильных кабелей генераторного напряжения с изоляцией из СПЭ на современных тепловых электростанциях с ГТУ по требованиям надежности, электробезопасности и ЭМС в виде стандарта организации «ЮИЦЭ» НПП «ЮгОРГРЭС» РИ 7 - ЭТО -11.
-
Рекомендации по прокладке одножильных кабелей с изоляцией из СПЭ.
-
Методика диагностики существующих и вновь вводимых устройств спецзаземления СКУ на АЭС в виде стандарта организации «ЮИЦЭ» НПП «ЮгОРГРЭС» РИ 7-ЭТО-12.
-
Выявленные недостатки и типовые неисправности устройств спецзаземления СКУ на АЭС, по результатам обследований.
5 Предлагаемая концепция устройства заземления СКУ на АЭС.
Внедрение результатов работы. Разработанные стандарты организации «Рекомендации по применению и обследованию одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в сети генераторного напряжения на электростанциях» и «Методика определения технического состояния спецзаземления СКУ на АЭС» используются при выполнении работ специалистами НПП «ЮгОРГРЭС».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на «Первой Российской конференции по заземляющим устройствам» г. Новосибирск, 2002 г., «Второй научно-технической Конференции молодых специалистов электроэнергетики» Москва, 2003 г., «8-й научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности ЭМС-2004» г. Санкт-Петербург, 2004 г., «Всероссийской конференции по итогам конкурса молодых специалистов организаций НПК РАО «ЕЭС России» г. Дивноморск, 2005, «Девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС - 2006» г. Санкт-Петербург, 2006 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Объем работы составляет 184 страницы и содержит 76 рисунков и 30 таблиц. Список литературы содержит 103 наименования, приложения на 53 страницах.
Индуцируемые токи и напряжения в экранах одножильных кабелей
При двухстороннем заземлении экранов одножильных кабелей в них индуцируются токи. Эти токи являются дополнительным источником нагрева кабелей, и вместе с токами в жилах они создают внешнее результирующее магнитное поле и наводки на контрольных кабелях. Значения токов в экранах и их углы фазовых сдвигов относительно токов в жилах зависят от нагрузки, от способа и условий прокладки одножильных кабелей. Также на значение токов в экранах будет влиять сопротивление заземляющего устройства между точками подключения концов экранов.
При одностороннем заземлении экранов одножильных кабелей на изолированных концах будет индуцироваться напряжение. Его значение зависит от длины кабеля, токов в жилах, условий прокладки кабелей.
Целью работы является разработка инженерной методики, поэтому при расчетах токов и напряжений в экранах кабелей были приняты следующие допущения:
- кабели проложены прямолинейно;
- отсутствуют переходные контактные сопротивления заземления экранов кабелей;
- магнитное поле одножильных кабелей будем рассматривать как плоскопаралелльное, поскольку длина кабелей намного больше расстояний между ними [51];
- при расчете влияния заземляющего устройства на индуцируемые токи в экранах кабелей не учитываются ЭДС в контурах, образованных этими экранами и металлоконструкциями заземляющего устройства.
Метод расчета токов в экранах трех одножильных кабелей изложен в [20]. Однако попытки его прямого использования наталкиваются на определенные трудности. В [20] рассматриваются токи не в контурах, а только в экранах, кроме того, в системе уравнений записываются токи для всех трех экранов. Это приводит к составлению вырожденной системы уравнений относительно токов в контурах. Для решения системы уравнений в [20] приняты два условия: сумма токов всех экранов и падение напряжения на экранах равны 0. Первое условие не выполняется, если попытаться численно рассчитать токи в экранах. Второе условие, не позволяет учитывать сопротивление заземляющего устройства между точками подключения концов экранов. К тому же, автор применяет понятие «взаимная индуктивность между оболочкой кабеля и жилой другого кабеля», что, по сути, не имеет физического смысла. Согласно [52], индуктивность выражает собой величину магнитного потока, сцепленного с данным контуром тока и приходящегося на единицу тока, а взаимная индуктивность равна ЭДС, индуцируемой в одном контуре, при изменении тока в другом контуре во времени со скоростью 1 А/с. Т.е. понятия «индуктивность», «взаимная индуктивность» неразрывно связаны с понятием «контур». В [52] говорится, что индуктивность и взаимная индуктивность имеют физический смысл только применительно к замкнутым контурам токов, но для облегчения расчетов сложных контуров их разбивают на участки [53]. И потом применяют понятия «индуктивность» и «взаимная индуктивность» к отдельным прямолинейным участкам. При этом и происходит искажение первоначального физического смысла. Об этом говорится и в [54].
Пусть три одножильных кабеля расположены в одной плоскости: ф. А на расстоянии S1 от ф. В, а ф. С на расстоянии S2 от ф. В (рис. 2.1). Экраны кабелей заземлены с двух сторон и образуют два контура АВ и ВС.
Необходимо отметить, что учет в схеме замещения третьего контура АС приводит к вырождению матрицы системы уравнений.
Расчет тока в экранах одножильных кабелей позволяет определить зависимость отношения ІзкраїЛжила от расстояния между фазами кабелей. Результаты расчета в программе «Mathcad» [56] приведены на рис. 2.3.
Из рис. 2.3 видно, что ток в экране кабеля резко возрастает при увеличении расстояния между фазами до 0,5 м и становится равным 50-60 % от тока в жиле. Дальнейшее увеличение расстояния между фазами до бесконечности приводит к возрастанию тока в экранах до 100 % от тока в жилах, но этот рост не такой резкий. Токи в экранах разных фаз при расположении кабелей в плоскости, на небольших расстояниях друг от друга не одинаковы. При увеличении расстояния между кабелями различие между токами в экранах разных фаз снижается.
При любых положениях кабелей сумма токов в их экранах равна нулю, и ток, индуцируемый в экранах кабелей, не зависит от их длины.
Практический интерес представляет расположение одножильных кабелей вплотную друг к другу потому, что расположение на расстоянии друг от друга требует дополнительных конструкций. При прокладке одножильных кабелей вплотную по треугольнику, получим наименьшие значения токов в экранах равные 17 % от токов в жилах.
Токи в экранах одножильных кабелей замыкаются на заземляющее устройство. Их сумма с учетом фазовых углов равна току, протекающему через заземляющее устройство, между точками заземления экранов.
Учет сопротивления заземляющего устройства между точками присоединения концов экрана будет влиять на расчетную величину тока, индуцируемого в экране. Сопротивление связи по заземляющему устройству - величина экспериментальная, и не всегда есть возможность измерить ее достаточно точно, а при проектировании это значение остается неизвестным. Поэтому, необходимо определить погрешность, вносимую в расчет токов в экранах кабелей, если не учитывать значение сопротивления заземляющего устройства.
Введем в расчетную схему замещения на рис. 2.2, сопротивление заземляющего устройства Rzu.
В отличие от решения для схемы замещения на рис. 2.2, учет сопротивления заземляющего устройства приводит к образованию третьего независимого контура. Используя уравнения (2.1) - (2.7) получим необходимые величины для составления системы уравнений по П-му закону Кирхгофа для трех контуров. В матричном виде она будет иметь вид 3x3.
Решением системы (2.15) являются контурные токи, по которым определяются токи в экранах и в заземляющем устройстве. Расчет, проведенный в «Mathcad», показывает, что учет Rzu влияет на расчетные значение токов в экранах, если его величина соизмерима или меньше сопротивления экрана кабеля. Для кабеля длиной 50 м и сечением экрана 70 мм полное сопротивление экрана будет от 0,015 до 0,018 Ом при расстояниях между кабелями от 0,05 м до 0,5 м. Измерения значения полного сопротивления связи по заземляющему устройству Rzu дают величину примерно равную 0,05 Ом. Тогда ток, протекающий в заземляющем устройстве при расположении кабелей вплотную друг с другом, будет составлять 3,5 %, а при расположении кабелей на расстоянии 0,5 м - 13 % от тока в жиле, что соответствует примерно 10 % и 20 % от тока наводимого в экранах кабелей для расстояний 0,05 м и 0,5 м соответственно.
Величина угла фазового сдвига между током в жиле и током в экране кабеля является необходимой для определения магнитных полей и наводок, создаваемых одножильными кабелями. Для ее определения рассчитывались фазы токов в экранах кабелей и сравнивались с фазами токов в жилах. Расчет в программе «Mathcad» проводился для кабелей, расположенных в одной плоскости, без учета сопротивления заземляющего устройства, согласно п. 2.1.1. Результаты расчета представлены в виде временных зависимостей токов в жилах и экранах. На рис. 2.6 - 2.8 приведены графики для фаз А, В, С при расстоянии между кабелями 0,5 м и токах в жиле по 1 А.
Необходимо отметить, что токи в жиле и в экране кабеля не находятся в противофазе. Угол фазового сдвига между токами в жиле и экране А зависит от расстояния между кабелями, и при малых расстояниях ДЧ - наименьшее, а при больших - Д Р стремится к %. ДУ различен для ф. А, В и С, но при больших расстояниях между кабелями он становится одинаковым.
Сумма мгновенных значений тока в жиле и экране одножильного кабеля для ф. А, В, С представлена на рис. 2.9 и 2.10 для межфазных расстояний 0,5 м и 0,05 м соответственно. Ток в жилах кабелей при расчетах был равен 1 А.
Магнитные поля одножильных кабелей
Согласно документу СО 34.35.311-2004 [58], определение напряженности магнитного поля в месте установки микропроцессорной аппаратуры должно выполняться расчетом еще на стадии проектирования. Уровень магнитных полей в зоне работы обслуживающего персонала также должен рассчитываться при проектировании согласно п.4.5 СанПин [32].
В нормальном режиме работы электрооборудования магнитное поле, создаваемое трехфазными кабелями, определяется током несимметрии. И, как правило, величина напряженности магнитного поля для них не превышает нескольких десятков А/м возле кабелей. Для одножильных кабелей компенсация магнитного поля соседними фазами происходит на больших расстояниях, чем у трехфазных кабелей и зависит от межфазного расстояния.
Величина напряженности магнитного поля одножильных кабелей зависит от амплитуды и фазы токов в жилах и экранах, которые определяются условиями прокладки кабелей. Такие расчеты были проведены в разделах 2.1.1.-2.1.4.
При расчетах напряженности магнитных полей от одножильных кабелей приняты следующие допущения:
- ток жилы и ток экрана протекают в бесконечно тонком проводнике, находящемся на оси кабеля;
- кабели проложены вдоль прямолинейных участков, без изгибов;
- не учитывается влияние соседних металлических конструкций.
Расчет напряженности магнитного поля от трех одножильных кабелей сводится к расчету напряженности магнитного поля от каждого кабеля с током и векторному сложению их в точке расчета.
Напряженность магнитного поля от отрезка с током определяется интегрированием закона Био - Савара:
Для расчета напряженности магнитного поля от одножильных кабелей в заданной точке необходимо:
- определить расчетным путем по известным токам в жилах кабелей и межфазным расстояниям амплитуды и фазы токов в экранах;
- разбить трассу прокладки кабелей на прямолинейные участки и задать координаты начала и конца каждого участка для каждой фазы;
- рассчитать напряженности магнитных полей в заданной точке от всех участков кабелей, разложить эти значения на составляющие параллельные осям х, у, z;
- найти сумму проекций на каждую ось X, Y, Z, а затем вычислить модуль результирующего вектора напряженности магнитного поля в заданной точке.
Для удобства проведения расчетов была составлена программа на языке программирования «Delphi» (см. Приложение 2) [59]. Она позволяет по введенной конфигурации проводников с токами определить напряженность в указанной точке или найти точку в заданной плоскости с наибольшим значением напряженности магнитного поля. В программе предусмотрен расчет напряженности поля как от проводников с однофазным синусоидальным током, так и от проводников трехфазной системы. Для проверки работы программы были решены тестовые задачи. Результаты приведены в Приложении 2.
Расположение одножильных кабелей на удалении друг от друга в плоскости является наиболее благоприятным с точки зрения создания наибольших магнитных полей. Схема расположения кабелей приведена рис. 2.23.
Для определения зависимости напряженности магнитного поля, создаваемого токами, одножильных кабелей, от условий их прокладки в плоскости был проведен расчет для реального кабеля. Ток в жилах (1004 А) рассчитан как максимально допустимый для одножильного кабеля с сечением жилы - 500 мм и сечением экрана - 70 мм Расчеты проводились для межфазных расстояний 0,1 и 0,5 м, для одностороннего и двухстороннего заземления экранов, в нескольких точках вдоль оси X и оси Z (рис. 2.23).
При расстоянии между фазами S=0,1 м ток в экранах для ф. А, В, С будет соответственно 374 А, 273 А и 414 А. Суммарный ток в жиле и экране для ф. А, В, С с учетом угла фазового сдвига равен соответственно 854 А, 964 А и 989 А.
При расстоянии между фазами S=0,5 м ток в экранах для ф. А, В, С равен соответственно 576 А, 522 А и 623 А. Суммарный ток в жиле и экране для ф. А, В, С с учетом угла фазового сдвига равен соответственно 761 А, 850 А и 851 А.
Расчеты проводились на середине 50-метрового кабельного участка. Результаты расчетов напряженности магнитного поля для точек на оси X и оси Z (по рис. 2.23) для одностороннего и двухстороннего заземления экранов приведены в таблицах 2.18 и 2.19.
На основе анализа данных таблиц 2.18 и 2.19 можно сделать следующие выводы:
1. Напряженность магнитного поля больше в вертикальной плоскости над одножильными кабелями, чем в горизонтальной плоскости.
2. При стандартной прокладке кабелей (S=0,1 м) двухстороннее заземление экранов не приводит к уменьшению напряженности магнитного поля. Происходит даже увеличение результирующей напряженности магнитного поля в горизонтальной плоскости за счет того, что суммарные токи жил и экранов отличаются друг от друга для ф. А, В, С из-за разных токов в экранах одножильных кабелей.
3. При прокладке кабелей с межфазным расстоянием S=0,5 м двухстороннее заземление экранов кабелей приводит к уменьшению напряженности магнитного поля в вертикальной плоскости в среднем на 17 - 33 %, а в горизонтальной на 9 -17 %.
Типы заземления СКУ
Система заземления внутри здания должна удовлетворять требованиям безопасности, целостности сигнала, надежности оборудования и обеспечения электромагнитной совместимости внутри здания. Внутреннюю систему заземления можно разделить на защитное заземление и рабочее (функциональное заземление). Согласно [68], защитное заземление - это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом с целью электробезопасности металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением, а рабочее (функциональное) заземление - преднамеренное соединение с землей определенных точек электрической цепи, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности).
Защитное заземление гарантирует низкое полное сопротивление пути, по которому может протекать ток при повреждениях, и оно предотвращает появление опасного напряжения на частях оборудования, не находящихся под напряжением. Система заземления должна быть эквипотенциальна для обеспечения равенства потенциалов на всех заземленных элементах электроустановок. Функциональное заземление для устройств СКУ обеспечивает одинаковую точку отсчета уровня сигнала, т.е. между системами или элементами одной системы должна быть исключена разность потенциалов при нормальном и аварийном режимах работы оборудования, или эта разность не должна превышать допустимого значения. Функциональное заземление может делиться на сигнальное (цифровое, аналоговое) и экранное.
Обеспечение электромагнитной совместимости в СКУ означает, что заземление, кроме других функций, должно минимизировать помехи, как создаваемые заземляемым электронным оборудованием, так и воспринимаемые им, и напряжения помех должны быть достаточно малы по сравнению с полезным сигналом.
Функциональное заземление может быть выполнено в виде одноточечной, многоточечной или комплексной системы.
Одноточечная система заземления образуется при соединении с землей в одной точке цепей питания, заземления аналоговых и цифровых сигналов, экранов кабелей. Каждый модуль схемы, шкаф, экран имеет единственное подключение к заземлению. В такой схеме исключается гальваническое влияние токов КЗ, молнии, протекающих по металлоконструкциям и защитному заземлению здания. Отсутствие замкнутых контуров позволяет избежать помех, возникающих от переменных магнитных полей. Один из возможных вариантов одноточечной системы функционального заземления приведен на рис. 4.1.
Одноточечная схема заземления применялась на ранних стадиях развития электроники. Эта схема хорошо работает до частот мегагерцового диапазона или при небольшой длине заземляющих проводников от шкафов до общей точки заземления [69]. С возрастанием частоты сигналов в интерфейсах происходит увеличение сопротивления связи по заземлению между устройствами СКУ. Это сопротивление уже необходимо рассматривать как волновое. И при определенных частотах или длинах кабелей появятся максимумы и минимумы наведенных помех и передаваемых сигналов. К тому же паразитная емкость на землю и высокие частоты помех способствуют возникновению емкостных токов, стремящихся обойти путь одноточечного заземления. Экраны сигнальных кабелей при такой системе заземления должны иметь только одностороннее заземление, что снижает эффективность экранирования.
Кабели системы функционального заземления должны прокладываться по отдельным трассам от трасс силовых кабелей. Сечение, материал кабелей должны обеспечивать требуемый разработчиком аппаратуры уровень сопротивления. Точка присоединения СЗ к заземлителю должна обеспечивать хороший отвод в землю токов помех, причем это присоединение должно выполняться вдали от мест заземления нейтралей силовых трансформаторов.
Применение одноточечной схемы функционального заземления накладывает дополнительные требования по электробезопасности. Разность потенциалов между элементом функционального заземления и защитным контуром или металлоконструкциями в помещении может превысить допустимое напряжение прикосновения по ГОСТ 12.1.038-82 [70]. Поэтому доступ к элементам функционального заземления должен быть ограничен. Например, если к функциональному заземлению присоединен корпус шкафа с аппаратурой, то необходимо исключать возможность одновременного прикосновения персонала к нему и к металлоконструкциям в помещении.
Одноточечная система функционального заземления по затратам на проектирование и монтаж является самой простой. Но, со временем, в таких системах заземления при модернизациях и ремонтах могут появиться и другие точки заземления и замкнутые контуры, что значительно ухудшит электромагнитную совместимость аппаратуры присоединенной к этому заземлению.
Более практичной является многоточечная система заземления, ее еще называют сеточная. Эта система образуется созданием трехмерной клетки, объединяющей строительные металлоконструкции, кабельные короба и экраны, трубопроводы, систему вентиляции, защитное заземление, нейтрали трансформаторов, корпуса электрооборудования и другие металлические проводящие части. К такой системе присоединяются и проводники заземления СКУ (рис. 4.2). Причем, чем больше взаимных связей в такой системе заземления, тем лучше ее эквипотенциальность.
С молниезащитой здания система многоточечного функционального заземления связывается на уровне заземлителя.
Протекающие по заземляющему устройству токи помех (токи молнии, КЗ, сварки и другие) будут создавать разность потенциалов между шкафами в СКУ. Но за счет хорошей многократной связи по заземляющему устройству величина этого напряжения будет небольшой. К тому же, в такой системе заземления предпочтительным является двухстороннее заземление экранов кабелей, что повышает их степень экранирования [71-73], значительно улучшая связи по заземляющему устройству.
Множественные связи внутри пространственной сетки будут образовывать замкнутые контуры, в которых переменные магнитные поля будут наводить ЭДС. Величины этих ЭДС прямо пропорциональны площади контура и напряженности магнитного поля. Поэтому, уменьшая шаг объемной сетки можно добиться уменьшения разности потенциалов между элементами заземления. Эта мера будет также увеличивать степень экранирования помещений от ВЧ помех. Так сетка с размерами ячеек 3 - 4 м обеспечивает хороший уровень экранирования в диапазоне до 1 МГц [50].
Каждый протяженный элемент сетки будет иметь резонанс на определенных частотах, что должно было бы влиять на сопротивление связи между аппаратурой. Но, из-за значительного числа проводников, связывающих аппаратуру, этого резонанса не будет заметно, т.к. всегда найдется для тока путь с меньшим сопротивлением. Для этого необходимо избегать регулярности пространственной сетки, что бы не было у одинаковых элементов заземления резонансов на одинаковых частотах. Как правило, это не представляет сложности, из-за большого количества и разнообразия металлических связей.
Многоточечная система более предпочтительна с точки зрения электробезопасности. Разность потенциалов между шкафом и близлежащими металлоконструкциями в помещении при аварийных режимах будет минимальной.
У такой системы больше достоинств, чем недостатков и, в отличие от одноточечной системы, она не деградирует со временем при модернизациях. Ее контроль в эксплуатации намного проще. Но многоточечная система заземления требует больших затрат при проектировании, строительстве, монтаже и наладке оборудования.
Для очень чувствительных устройств СКУ требуется эквипотенциальное заземляющее устройство, которое не может обеспечить сетчатая структура. Для достижения этого применяют металлические проводящие плоскости под основанием аппаратуры.
Объединяет достоинства одноточечного и многоточечного функционального заземления. Для некоторых, чувствительных к внешним токам, микропроцессорных устройств, многоточечная схема функционального заземления не может обеспечить требуемый уровень заземления, поэтому для них применяют одноточечную схему. Ее размеры могут быть ограничены одним помещением, при этом длина заземляющих кабелей не должна превышать нескольких метров, для того, что бы система была работоспособна на высоких частотах. В целом же по зданию создается многоточечная схема заземления аппаратуры (рис. 4.3).
Результаты обследования спецзаземления СКУ энергоблоков на АЭС
Неисправности спецзаземления СКУ закладываются еще в проектной документации, в которой даются нечетко или не учтены особенности и подробности заземления экранов кабелей, цепей и устройств, сопряженных со спецзаземлением. Опыт обследований показывает, что в ходе наладочных, ремонтных работ, модернизации СКУ значительная часть неисправностей и отклонений от проектов в отношении спецзаземления не выявляется и, следовательно, не устраняется. К тому же, следует принять во внимание, что у наладочного и обслуживающего персонала, не всегда имеется четкое понимание в отношении значения и ответственности цепей и проводников спецзаземления и заземления в сравнении с рабочими проводниками и схемами, что повышает вероятность ошибок.
К основным выявленным неисправностям спецзаземления, помимо недостатков в проектной документации, относятся: ошибки монтажа опорных узлов и магистральных линий, ошибки в заземлении шинок в стойках аппаратуры, неправильные разделки, заземления и связи экранов контрольных кабелей в стойках, в датчиках и соединительных коробках, в гермопроходках.
Практика обследований показывает, что на этапах разработки и изготовления, монтажа, наладки и эксплуатации устройств и связей СКУ каждой из подсистем, спецзаземление рассматривается и обслуживается само по себе в пределах конкретной подсистемы, а не в качестве части единой системы. В отношении организации работ по спецзаземлению зона ответственности и контроля обслуживающего персонала ограничена лишь конкретным участком СКУ, в то время как внимание к сопряжениям с другими подсистемам ослаблено.
Множество из неисправностей не выявляется из-за сложностей их поиска. В то же время, даже из выявленных неисправностей, часть может остаться неустраненной (например, если настройка аппаратуры уже выполнена, то изменения в цепях спецзаземления или экранировании уже не допускаются).
При проведении обследований на ряде энергоблоков встречаются чаще всего следующие нарушения в спецзаземлении:
- неправильные подключения магистральных кабелей спецзаземления между опорными узлами, что приводит к образованию замкнутых контуров в спецзаземлении;
- двухстороннее заземление экранов кабелей от шинок стоек в результате ошибок и некачественного монтажа (продавливание изоляции экрана при монтаже кабеля, случайные замыкания незакрепленного заземляющего проводника экрана, ненадежная изоляция экранов кабелей в корпусах клеммных коробок), что приводит к образование вторых точек замыкания в спецзаземлении;
- объединение экранов кабелей от различных стоек СКУ в клеммных коробках датчиков различного назначения, что приводит к образованию контуров в спецзаземлении;
- объединение экранов кабелей от подсистем перед гермопроходками также приводит к образованию контуров в спецзаземлении;
- при модернизации или замене устройств СКУ, в схеме спецзаземления остаются неотключенными от опорных узлов и забытыми кабели, которые являются дополнительными источниками помех (антеннами) и случайных замыканий на металлоконструкции;
- шины опорных узлов нередко размещены среди плотных потоков кабелей в кабельных каналах помещений; к тому же, все покрыто огнестойким составом, что делает их обслуживание практически невозможным.
Значительная часть ошибок объясняется некачественным монтажом и отсутствием системы контроля спецзаземления на этапе приемки и в период эксплуатации.
Например, на одном энергоблоке АЭС в период пусконаладочных работ, после окончания монтажа, протекание тока испытательного генератора на землю от общей точки системы спецзаземления составляло всего 10 % от требуемого значения. При этом во всех помещениях с опорными узлами спецзаземления были найдены неисправности: в семи помещениях только 50 % тока генератора протекало в сторону общей точки, а в четырех помещениях - менее 15 %. После проведенного подробного обследования по каждому помещению было выявлено среди других неисправностей и двухстороннее заземление более 100 кабелей, экраны которых с одной стороны были заземлены на шину спецзаземления, а с другой стороны или преднамеренно, или случайно замыкались на защитное заземление. После устранения выявленных замечаний удалось добиться 100 % протекания тока к общей точке спецзаземления. По результатам работы был составлен паспорт на заземляющее устройство с исполнительной схемой.
Неисправности, связанные с образованием замкнутых контуров в системе спецзаземления, вызывают появление в них напряжения помехи при воздействии на них переменных или импульсных магнитных полей. Например, при наличии второй точки замыкания в системе спецзаземления образуется контур. При размерах контура 5м х Юм, рядом протекающий однофазный ток КЗ равный 500 А, создаст ЭДС в нем 5 В.
В структуре спецзаземления длины заземляющих проводников (магистральные кабели связи опорных узлов) СКУ составляют десятки и сотни метров. В качестве магистральных используются кабели типа ВВГ 3x95 мм Сопротивление одной жилы такого кабеля на постоянном токе или при низких частотах на длине 100 м составляет примерно 19 мОм, а на частоте 1 МГц реактивное сопротивление кабеля будет уже больше 1 кОм, и этот кабель должен выполнять функции обратного проводника и отвода помех. На энергоблоках АЭС применяются кабели спецзаземления различных длин: от единиц до сотен метров, при этом мы получаем систему с множеством резонансных частот - восприимчивую к широкому частотному спектру помех.
При обследовании энергоблоков АЭС была проведена проверка помехозащищенности сигнальных кабелей СКУ в системе одноточечного спецзаземления. Для этого генератор помех подключался между двумя точками магистрали заземления энергоблока. Для генерации высокочастотных помех, протекающих в защитном заземлении, при коротких замыканиях, применялся генератор затухающих импульсов ГВЧИ-4П из измерительного комплекса ИКП-1 [100]. Напряжение помехи осциллографировалось относительно опорного узла спецзаземления в помещении. Осциллограммы приведены на рисунках 2.5,2.6 и в приложении 5.
Осциллограммы на рис. 5.2 и 5.3 показывают, что кабель представляет собой колебательный контур с собственной частотой равной примерно 2 МГц. Эта частота определяется как параметрами сигнального кабеля и кабеля спецзаземления, так и условиями, в которых они проложены: соседние кабели, металлический короб и другие. Если внешнее воздействие (рис. 5.2) происходит на частоте отличной от собственной частоты кабеля (0,5 МГц), то помеха быстро затухнет. Если же частота помехи совпадет с ней, то возникнет резонанс (рис. 5.3), и амплитуда наведенной помехи возрастает с 19 В до 50 В. Аналогичные процессы приведены в приложении 5 на рис. П.5.1 и П.5.2, П.5.3 и П.5.4. Анализ этих осциллограмм показывает, что сигнальные кабели и кабели спецзаземления имеют хорошую электромагнитную связь с помехой, протекающей в защитном контуре. В зависимости от условий прокладки, путей протекания помехи, эта связь для разных кабелей будет разной. Сигнальные кабели, имеющие в системе одноточечного заземления одностороннее заземление экрана, на высоких частотах будут плохо экранированы от помех.
В приложении 4 и на рис. 2.7 приведены осциллограммы помех и их спектры, существующие в нормальном режиме на опорных узлах спецзаземления. Осциллограммы сняты на различных энергоблоках с одноточечной системой спецзаземления. Анализ осциллограмм показывает, что спектр помех лежит в диапазоне до 10 МГц. Амплитуда ВЧ помех достигает 1 В и накладывается на полезные сигналы в системе. Эти помехи могли быть созданы как самой аппаратурой СКУ, так и наведены на кабелях спецзаземления от других внешних источников, при этом из-за больших длин кабелей спецзаземления помеха не замыкается на землю. Т.е., настоящей «чистой земли» при высоких частотах одноточечная схема заземления обеспечить не может.
