ВЛИЯНИЕ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ НА МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛ. 07. глава 1. Электрофизические основы электромагнитной обстановки тяговой подстанции
 Скачать 0.72 Mb.
|
|
ГЛАВА 1 ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ Электромагнитная обстановка на тяговой подстанции Последствия от влияния помех, в первую очередь, проявляются как сбои и отказы и в работе АСТУ ТП, а в конечном итоге проявляются таким же образом, как и повреждения силового оборудования, последствия ложного срабатывания РЗА и другие аварии, повреждения оборудования ТП. Актуальность исследований ЭМО объектов железнодорожной энергетики можно проследить на аварийности железнодорожных транзитов. За 2006, 2007 и 5 месяцев 2008 года произошло 235 аварийных отключений ВЛ 220 кВ, питающих железнодорожные транзиты. В 127 случаях нормальная работа сети сохранена успешным действием устройств АПВ. Следует отметить, высокую долю аварийных отключений неуспешных АПВ из-за неисправности оборудования на тяговых подстанциях и ошибочных действий персонала - 58,3% - 63 из 108 неуспешных АПВ. Привлекает внимание весьма высокая доля аварийности из-за ложного срабатывания устройств защиты и коммутации под действием (или возможного действия) электромагнитных помех - 102 случая или 43,4% от общего числа аварийных отключений. Доля отключений железнодорожных потребителей по причине воздействия электромагнитных помех составляет 25,9% или 28 случаев из 108 неуспешных АПВ. Из них следует выделить отключения из-за грозовой деятельности - 11 случаев или 4,7% от общего числа аварийных отключений. Анализ повреждений и неправильной работы устройств РЗА, входящих в состав автоматических и автоматизированных систем технологического управления электротехническими объектами, за несколько лет эксплуатации объектов энергосистем России, который показал, что 10-15% из них обусловлены неблагоприятной электромагнитной обстановкой на энергообъектах. Очевиден более высокий процент аварийности железнодорожных транзитов АО «НК «КТЖ». Данное обстоятельство обусловлено широким внедрением микропроцессорной автоматики на ВЛ-110/220 кВ более чувствительной к электромагнитным помехам и анализом только событий, приведших к серьезным последствиям – отключению потребителей электроэнергии и анализом отказов приведших к повреждениям. Электромагнитная обстановка на тяговой подстанции достаточно сложна даже в стационарных условиях. Характерными особенностями электромагнитной обстановки на тяговой подстанции является наличие постоянных во времени высоких напряженностей электрического поля промышленной частоты (до 25 кВ/м и выше) и напряженностей магнитного поля промышленной частоты (до 103 А/м и выше). Кроме того, могут быть высокочастотные поля, обусловленные устройствами управления, сигнализации, передачи данных и т. д. В целом она представляет собой наложение полей естественного и искусственного происхождения, причем напряженности полей искусственного происхождения существенно превышают напряженности естественных полей. Ситуация осложняется тем обстоятельством, что электромагнитные поля искусственного происхождения подвержены быстрым изменениям вследствие изменения режимов работы тяговой подстанции, возникновения аварийных ситуаций и т.д. В результате возникают возмущения стационарной электромагнитной обстановки. Электромагнитная обстановка на тяговой подстанции определяется характерными источниками электромагнитных воздействий, которые могут оказывать влияние на автоматические и автоматизированные системы технологического управления электротехническими объектами среди которых: • переходные процессы в цепях высокого напряжения при коммутациях силовыми выключателями и разъединителями; • переходные процессы в цепях высокого напряжения при коротких замыканиях, срабатывании разрядников или ограничителей перенапряжений; • электрические и магнитные поля промышленной частоты, создаваемые силовым оборудованием подстанций; • переходные процессы в заземляющих устройствах подстанции, обусловленные токами КЗ промышленной частоты и токами молний; • быстрые переходные процессы при коммутациях в индуктивных цепях низкого напряжения; • переходные процессы в цепях различных классов напряжения при ударах молнии непосредственно в объект или вблизи него; -помехи, создаваемые электроподвижным составом и их канализация тяговой и рельсовой цепями; • разряды статического электричества; • радиочастотные поля различного происхождения; • электромагнитные возмущения в цепях оперативного тока. Дополнительными источниками электромагнитных возмущений на электрических станциях и подстанциях, которые могут вызвать сбои в работе электронных и микропроцессорных устройств, является также такое вспомогательное электрооборудование как сварочные аппараты, осветительные приборы, бытовые электроприборы, электроинструмент и др. Кроме того, в устройствах автоматических и автоматизированных систем технологического управления электроэнергетическими объектами могут возникнуть и другие электрические явления, которые могут стать причиной их неправильного функционирования. К таким явлениям относятся: переходные сопротивления в контактных соединениях, шумы активных и пассивных элементов, дрейф параметров элементов, разброс времени коммутации в логических устройствах, исчезновения сигналов при передаче, явления отражения в линиях, вибрации и микрофонный эффект в контактах, пьезоэлектрические смещения зарядов при сжатии и изгибах изоляции, а также контактные напряжения, термоэлектрические и термоэлектрические эффекты в точках соединения проводников из различных материалов. Наконец, два следующих вида воздействий должны рассматриваться в особых ситуациях: • электромагнитные импульсы ядерных взрывов; • магнитное поле Земли при аномальных явлениях на поверхности Солнца. На рисунке 1.1 изображены некоторые источники воздействий из отмеченных выше на тяговой подстанции высокого напряжения.  Рисунок 1.1 - Источники электромагнитных воздействий на электрических станциях и подстанциях: 1 – удар молнии; 2 – переключения и короткие замыкания (КЗ) в сети высокого напряжения (ВН); 3– переключения и КЗ в сети тягового напряжения (СН); 4 –переключения и КЗ в сети низкого напряжения (НН); 5 – внешние источники радиочастотных излучений; 6 – внутренние источники радиочастотных излучений; 7 – разряды статического электричества; 8 – источники кондуктивных помех по цепям питания Помехи, создаваемые источниками электромагнитных возмущений, могут возникать как в виде периодически появляющихся, так и случайно распределенных во времени величин. В обоих случаях речь может идти как об узкополосных, так и широкополосных процессах. При систематизации, в первом приближении, несмотря на бесконечное разнообразие вариантов, выделяют четыре типа помех. Характерные их примеры приведены на рисунке 1.2, а именно: синусоидальные (например, постоянно действующие периодические узкополосные помехи в форме переменного напряжения 50 Гц или большей частоты), прямоугольные, периодические затухающие однократные импульсы и одиночные импульсы, образованные двумя экспонентами.  Рисунок 1.2 - Систематизация разновидностей электромагнитных помех Помехи, возникающие в АСТУ электротехническими объектами, могут рассматриваться как синфазные или противофазные напряжения (рисунок 1.3). Противофазные напряжения электромагнитных помех (поперечные, симметричные) возникают между проводами двухпроводной линии (uс1, рисунок 1.3). Они непосредственно накладываются на полезные сигналы в сигнальных цепях или на напряжение питания в цепях электроснабжения, воздействуют на линейную изоляцию между проводами и могут быть восприняты как полезные сигналы в цепях автоматических и автоматизированных систем технологического управления на электрических станциях и подстанциях и, тем самым, вызвать ошибочное их функционирование. Противофазные напряжения помех возникают в цепях АСТУ через гальванические или полевые связи или преобразуются из синфазных напряжений помех в системах, несимметричных относительно земли. Синфазные напряжения электромагнитных помех(несимметричные, продольные напряжения) возникают между каждым проводом и землей (uс1, uс2, рисунок 1.3) и воздействуют на изоляцию проводов относительно земли. Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства, например, между точками 1 и 2 на рисунке 1.3, вызванной токами в земле (токи короткого замыкания или токи молнии). Они могут быть также возникать в результате воздействия магнитных полей.  Рисунок 1.3 - Помехи, связанные с передачей сигналов по линии: СЕ – паразитные емкости относительно заземленного корпуса; Q1 – источник противофазныхпомех; Q2, - источник синфазных помех; ZQ, ZС – полные сопротивления источника и приемника помех; iс1, ic2 – синфазные токи; id, - противофазный ток; uс1, uс2 – синфазные напряжения помех; ud – противофазное напряжение помех. Параметры помех, в зависимости от электромагнитной обстановки на энергообъекте, могут изменяться в очень широком диапазоне (таблица 1.1). Таблица 1.1 - Возможные диапазоны значений параметров помех
Помехи можно представить и описать как во временной, так и в частотной областях. Рассмотрим систему из двух контуров, имеющих гальваническую, емкостную или индуктивную связи (рис. 1.4). В первичном (влияющем) контуре возникает помеха, которая предается во вторичный (подверженный влиянию) контур. Важнейшими параметрами периодических помех (рисунок 1.4) являются частота f и амплитуда Хтахпомехи в первичном контуре; эти параметры определяют амплитуду напряжения помехи Usmax во вторичных контурах. Важнейшими параметрами непериодических помех (рисунок 1.4) являются: скорость изменения Δх/Δt(скорость нарастания или спада) помехи х; она определяет максимальное напряжение помехи Usmax во вторичной цепи; изменение времени At, или интервал времени, в течение которого, например, помеха х имеет максимальную скорость изменения амплитуды; этот интервал идентичен длительности действия напряжения помехи usво вторичной цепи; максимальное значение изменения амплитуды Ах, пропорциональное интегралу напряжения помехи вторичной цепи по времени (площади импульса помехи).  Рисунок 1.4- Пояснение параметров периодических (а) и непериодических переходных (б) помех: Е - приемник сигналов; G - источник сигналов; х - помеха (напряжение или ток); us - напряжение помехи, обусловленное связью; 1 - влияющий контур; 2 - гальваническая, емкостная или индуктивная связь; 3 - контур, подверженный влиянию Для взаимосвязанного представления этих величин используют при периодических помехах амплитудный спектр, а при импульсных - спектр амплитудной плотности (рисунок 1.2). Применительно к рассматриваемой (измеряемой) помехе оба представления позволяют: • оценить воздействие помехи на узкополосную систему; • рассчитать воздействие, обусловленное заданной связью; • выбрать параметры средств подавления помех, например, фильтров; • определить граничные области, например, максимально возможного или допустимого излучения помех или характеризовать границы помехоустойчивости; • наконец, получить представление о параметрах воздействий при испытаниях согласно нормам ЭМС. Для количественной оценки величин, характеризующих ЭМС, пользуются логарифмическими масштабами электрических величин в относительных единицах, что позволяет наглядно представить соотношение величин, отличающихся на много порядков, а также умножать эти значения простым сложением их логарифмов. Различают два вида логарифмических относительных величин: уровень и меру сигнала. Уровень - логарифм относительной величины с постоянной базой - знаменателем. При помощи понятия «уровень» можно описывать значения помех (напряжения, тока, напряженности полей помех и т.д.). В качестве базового значения напряжения, часто принимают U0 = 1 мкВ. Логарифм относительного напряжения называют уровнем напряжения. При применении десятичного логарифма справедливы следующие выражения для уровней, в частности для мощности  дБ, при Р0= 1 пВт.Уровень сигнала является величиной безразмерной. Физическая природа описываемых величин подчеркивается принятыми для них обозначениями, такими, как и, i, Е, Н, Р, а размерность базовой величины указывается в индексе или в скобках, например дБ (мкВ), дБ (мкА) и т.д. Мера сигнала — логарифм отношения величин для обозначения измеряемых свойств объекта (степени передачи, коэффициентов усиления, ослабления). При этом берут отношение величин на входе и выходе системы или отношение величин в определенной точке при наличии и отсутствии демпфирующего элемента (фильтра, экрана). Например, коэффициент затухания, дБ, вносимого фильтром, выражают с помощью десятичного логарифма отношения  ае - общий коэффициент затухания, дБ, при наличии экрана  Здесь U2и U20 - напряжения помех на входе с фильтром и без фильтра, а Ехи Ео - воздействующие на прибор напряженности электрического поля без экрана и с экраном соответственно. При помощи натурального логарифма можно образовать отношение величин в неперах (Нп), например,  (1 непер соответствует отношению UХ/UQ=e, а для энергетических величин - отношению PХ/P0= e2), а для мощности  Между непером и децибелом существуют соотношения:  , дБ,или 1 Нп = 8,686 дБ и 1 дБ = 0,115 Нп. Понятие «помехоподавление» служит для характеристики защитного воздействия средств защиты от помех. Чаще всего оно указывается в зависимости от частоты. Помехоподавлением характеризуют, например, логарифм отношения напряжений на входе U1 и выходе U2 фильтра (коэффициент затухания) или напряженности поля перед экраном и за ним Нэ (коэффициент экранирования аэ):  |