лекция. Пята я типовые схемы сетей электроснабжения и размещение в них защитных устройств
 Скачать 7.85 Mb.
|
|
Глава десятая ПРАКТИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ПОМЕХ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ И ПОДСТАНЦИЯХ 10.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Виды компоновок. Здесь будут рас смотрены наиболее общие возможные планы размещения оборудования и его вза имосвязь с источниками возмущений, а также отмечены факторы, способствую щие снижению помех, например наличие сети заземления, экранирующих конструк ций и т.п. Будет показано, что уровень помех, воз действующий на устройство, зависит от месторасположения остального оборудова ния, с которым связано рассматриваемое устройство. Такой подход позволит ввести понятия различных классов электромагнит ного окружения. Подстанции высокого напряжении. На рис. 10.1 приведен план подстанции высокого напряжения. Объекты подстан ции можно разделить на три-четыре основ ные категории: оборудование высокого напряжения, помещения релейных щитов, щиты управления и иногда комнаты связи, причем все объекты связаны между собой цепями вторичной коммутации. В некоторых ситуациях релейные щиты могут отсутствовать. В этих случаях их функции выполняют щиты управления. Комната связи также может либо вхо дить в состав щита управления, либо рас полагаться отдельно. Все описанные объекты в нормальных условиях присоединены к единой сети заземления или к нескольким взаимосвя занным сетям заземления (если уровни их потенциалов различны). Электростанции. План расположения оборудования обычной электростанции при веден на рис. 10.2. На электростанции, в зависимости от места расположения, можно выделить три вида объектов:
Обычно главное здание и распредели тельное устройство имеют общий заземлитель или два отдельных заземлителя, свя занных между собой. Заземление вспомога тельного оборудования может представлять собой либо заземлители молниеотводов, либо расширение основного заземлителя, либо вообще может отсутствовать. В отношении расположения оборудова ния особенных различий между обычными (электрическими или тепловыми) и атом ными электростанциями нет, за исключе нием большей сложности последних, повы шенных требований к их безопасности и использования некоторых сигнальных цепей особо низкого уровня напряжений. Более того, в связи с расположением котлов в отдельном здании многие электрические и электронные сети на АС имеют большую длину. Радиостанции. Радиостанции, обслу живающие объекты электроэнергетики, часто устанавливаются в пределах подстан ций или электростанций. Рис. 10.1. План типовой подстанции высокого напряжении и соответствующие виды электромагнитного окружения: 1 - кабели управления внутри помещений; 2 — кабели управления вне помещений; 3 — связи с оборудованием высокого напряжения, например с сило выми выключателями, измерительными трансформаторами и т.п.; 4 — связи коммутационные, например с устройствами передачи данных но ВЛ или с удаленными оконечными устройствами; 5 — кабели связи внутри экранированных помещений (если таковые имеются) Рис. 10.2. План типовой электростанции и соответствующие виды электромагнитного окружении (обозначения те же, что на рис. 10.1) Такой способ установки имеет достоинство в виде наличия хорошей заземляющей сети, а радио станция с точки зрения ЭМС может быть сравнена со зданием релейного щита, хотя и имеет большую вероятность поражения молнией. При установке вдали от подстанций ВН радиостанции обычно располагаются на возвышенностях, при этом часто имеет место повышенное сопротивление грунта, изолированная (отдельная) заземляющая сеть среднего качества и все та же повы шенная вероятность поражения прямым ударом молнии. Для всех указанных случаев следует обращать особенное внимание на выполне ние связей такого оборудования (электро снабжение, телекоммуникации) с внеш ними объектами. Щиты управления. Подобно радио станциям щиты управления не обязательно располагаются вблизи оборудования ВН и, как следствие, не всегда обладают хоро шим заземляющим устройством. При обес печении молниезащиты это может быть недостатком, но при рассмотрении других источников возмущений может быть и достоинством (КЗ на высокой стороне, ком мутации и т.д.). Таким образом, существенные для каж дого конкретного щита управления прин ципы его исполнения с учетом ЭМС зави сят от его электрического окружения:
Типы сигналов и их уровни. Помехи оказывают влияние на оборудование непос редственно или, что бывает чаще, через кабели. В последнем случае уровень помех и порог невосприимчивости зависят в основ ном от двух факторов:
Первый фактор характеризуется коэф фициентом экранирования, определенным в гл. 8. Второй фактор грубо может быть охарактеризован амплитудой (в вольтах или амперах) и шириной спектра или ско ростью нарастания сигналов, и на первый взгляд, при рассмотрении вопросов ЭМС не очень существенно, какие сигналы рас сматриваются — цифровые или аналого вые. Кроме того, можно было бы также клас сифицировать сигналы в зависимости от вида оборудования, между которым пере даются эти сигналы, или в соответствии с типом ЭМО, в которой находится оборудо вание. Хотя между тремя упомянутыми видами классификации (по типу сигналов, оборудования, окружения) существует некоторая взаимосвязь, здесь будет приве дена классификация с учетом следующих обстоятельств:
Классификация типовых сигналов в порядке увеличения их максимальных зна чений приведена в табл. 7.6. Следует отметить, что хотя в данной классификации цифровые и аналоговые сигналы отнесены к одному типу (различа ясь индексами а и b соответственно), подобное объединение имеет некоторые ограничения вследствие того, что цифровые и аналоговые системы на практике ведут себя совершенно по-разному. 10.2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ И ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЕЙ Правила выполнения заземления и прокладки кабелей. Во всех последую щих разделах, посвященных выполнению заземления и прокладки кабелей, будут использоваться основные принципы, изло женные в гл. 2, 4, 7. Приведем основные положения:
Некоторые изложенные требования, могут иногда оказаться противоречащими Друг другу, особенно когда речь идет о сети заземления, по которой возможно проте кание больших токов, например токов молнии. С одной стороны, электрические цепи должны располагаться на определенном расстоянии от подобных заземляющих про водников. С другой стороны, кабели сле дует располагать максимально близко к заземляющим проводникам. Причиной обоих этих требований явля ется общий принцип уменьшения общего для двух цепей магнитного потока (рис. 10.3). Противоречивыми также являются тре бования располагать сигнальные цепи по возможности ближе к заземленным провод никам и удалять сигнальные цепи от цепей, по которым передаются или могут переда ваться токи или напряжения большой амп литуды (уменьшение связи через общее сопротивление). Компромисс между требованиями может быть достигнут посредством прокладки множества заземляющих проводников в целях уменьшения тока, протекающего по каждому отдельному проводнику, и обеспе чения пути с низким сопротивлением для протекания наибольших токов. На рис. 10.4, а, б данные основные пра вила проиллюстрированы более подробно; на них приведены схемы для сравнения шести различных способов связи провод ника тока молнии (например, приемное устройство антенны), идущего к заземляю щему устройству электрической цепи. На рис. 10.4, а цепь представляет собой вертикальную квадратную петлю, имею щую относительно большую площадь:
При сравнении этих трех случаев видно, что уровень помех в системе, изоб раженной на рис. 10.4, а (1) наибольший, а на рис. 10.4, a (3) — наименьший. Под тверждение этого факта можно найти на рис. 4.6, где показаны форма и амплитуда токов измеренных импульсов и наведенных напряжений. Рис. 10.3. Индуктивная связь между заземленным проводником, по которому протекает большой ток , и чувствительной цепью ,J или , : Однако выгода прокладки всей цепи вблизи заземленных проводников стано вится более очевидной. На рис. 10.4, а (4) протекающий в зазем ляющее устройство цепи ток молнии не создает никаких помех в петле, поскольку ток, разделенный на две части, может соз давать в квадратной (или любой прямо угольной) петле магнитные потоки одина ковой амплитуды, но разного направления. На этом рисунке условно показано, что ток, протекающий по правой стороне заземлен ной цепи в 2 раза больше тока, протекаю щего по левой стороне, а длина его пути в полтора раза меньше. Следует отметить, что в данной ситуации, а также в боль шинстве других практических ситуации, ток делится на части, обратно пропор циональные длинам соответствующих про водников (при этом делается допущение о приблизительно одинаковом поперечном сечении проводников). При неравенстве токов, а также вследствие наличия на рис. 10.4, а (4) горизонтального участка а ком пенсация магнитного потока будет непол ной, и в петле будет индуктироваться напряжение . Схемы на рис. 10.4, а (5) и 10.4, а (6) менее предпочтительны для данной конк ретной конфигурации, так как часть тока, попадающего непосредственно в заземлитель, образует петлю, магнитный поток которой не может быть скомпенсирован. Очевидно, что показанные на рис. 10.4, а расположения цепей редко встречаются в действительности. Рис. 10.4. Индуктивная связь между устройством молниезащиты: а – чувствительной к помехам цепью; б – заземленной цепью через общее сопротивление с устройством молниезащиты Наиболее общая ситуация расположе ния приведена на рис. 10.4, б, где показано синфазное напряжение, появляющееся на одном конце цепи при заземлении другого ее конца. Здесь важная часть цепи была наме ренно установлена в непосредственном контакте с вертикальным заземляющим проводником, по которому может протекать весь ток или часть тока молнии. В действительности на большинстве приведенных на рис. 10.4, б схем приемная цепь имеет общее сопротивление с провод ником для тока молнии, и, следовательно, располагается очень близко к нему. Однако значения наведенных напряжений могут быть близкими к значениям напряжений, показанным на рис. 10.4, а. а) б) Рис. 10.5. Осциллограммы токов и напряжений в цепях, изображенных на рис. 10.4, а, б Примеры осциллограмм токов и напря жении в схемах, показанных на рис. 10.4, а, б приведены на рис. 10.5 (масштаб времени — 0,5 мкс/дел.). Из изложенного материала можно сде лать следующий вывод. Если существует возможность избежать протекания боль ших токов в проводниках системы заземле ния, то ей следует воспользоваться. Иногда это невозможно, например при ударе мол нии в антенну. В этих случаях приемлемым решением является создание для тока наи лучшего (обладающего наименьшим сопро тивлением) пути в землю С учетом этого всегда применяется принцип прокладки чувствительных цепей вблизи заземленных элементов. Если существуют сомнения по поводу отсут ствия сильных токов в заземленных эле ментах, рекомендуется прокладка цепей в индивидуальных экранах или трубах. Применение параллельных заземлен ных проводов. Большое значение имеет передаточное сопротивление между элект рической цепью и заземленным проводом, включенным параллельно ей специально для снижения уровня помех. Действие такого провода направлено на снижение уровня наведенного на кабель синфазного напряжения. Это снижение определяется передаточным сопротивле нием провода по отношению к кабелю. Высокочастотная составляющая сопротив ления сильно зависит от формы провода, и мало от площади поперечного сечения или свойств материала. На обоих концах про вод следует подсоединять к тем заземлен ным элементам корпусов оборудования, которые имеют похожее передаточное сопротивление (примерно одинаковую с проводником форму). На рис. 10.6 показаны примеры взаим ного расположения параллельных зазем ленных проводов 1 и основного заземляю щего провода 2. Пример применения металлических труб в качестве параллельных заземленных проводников приведен на рис. 10.7. Такие решения могут быть реализованы на объек тах энергетики, состояние заземляющего устройства которых вызывают сомнения. Заметный эффект экранирования, дос тигаемый за счет прокладки проводов вблизи экранированного кабеля, зависит от относительного распределения токов помехи в обеих цепях. Для простого зазем ленного провода это распределение прак тически обратно пропорционально сопро тивлениям обеих цепей. Это означает, что для эффективного действия эквивалентное поперечное сечение провода всегда должно быть больше общего сечения экранов всех кабелей. При этом необходимо учитывать поверхностный эффект. По этой же причине лучше использо вать большое число относительно тонких проводников вместо одного с равной пло щадью поперечного сечения. Также очень важно отметить, что когда заземляющий провод оборудования (или экран кабеля) не располагается вблизи параллельного защитного провода, токи помехи разделятся между этим проводом и другими заземляющими проводами в соот ветствии с их индуктивностями. Отсюда следует, что соответствующие им площади поперечного сечения играют второстепен ную роль, по крайней мере, на высоких частотах. Другой важной особенностью парал лельных заземляющих проводов является способность выполнять роль внешнего экрана триаксиального кабеля, внутренний экран которого в силу различных причин не может быть заземлен с обеих сторон. а) б) в) г) Рис. 10.6. Различные виды расположения параллельного заземленного провода 1 и основного заземляющего провода 2 в порядке увеличения эффективности действия: а - рядом с проводом защитного заземления; б — многожильный заземленный проводник, проложенный в траншее или рядом с экраном другой цепи; в — в кабельном лотке; г — в металлической трубе Рис. 10.7. Применение металлических труб в качестве параллельных заземленных проводников 10.3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАЗЕМЛЕНИЙ НА ПОДСТАНЦИЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Порядок выполнения заземления. Термин сеть заземления будем использо вать для описания всех взаимосвязанных проводов, предназначенных для создания эквипотенциальной сети, а термин заземле ние или контур заземления примени тельно ко всем проводникам, находящимся в земле. Заземляющее устройство предназна чено для достижения следующих целей:
Для достижения этих целей контур заземления должен быть многократно замкнутым и проходить по всей террито рии подстанции (ПС), включающей в себя оборудование высокого напряжения и все ее строения. Сопротивление растекания многократно замкнутой сети с периметром р,проложен ной в грунте с удельным сопротивлением , может быть приближенно рассчитано по формуле . Глубинные заземлители (вертикальные и наклонные прутья, трубы) могут использо ваться для снижения сопротивления зазем ления на небольших ПС или там, где сопро тивление земли с увеличением глубины снижается. Однако они редко используются в целях снижения уровня электромагнитных помех. Заземлитель по возможности должен быть заглублен, по крайней мере, на 50 см, а лучше ниже глубины промерзания грунта. Поперечное сечение проводников определяется максимальным допустимым падением напряжения при протекании токов КЗ. Обычно допускаются падения напряжения в диапазоне 1-3 В/м. В целях обеспечения механической прочности сечение проводника не может быть меньше 25 мм2 для многожильных медных провод ников и 90 мм2 для защищенной от коррозии стали. На практике обычно использу ются медные прутья сечением 150 мм2. Снижение наведенных напряжений тре бует создания контура с площадью ячейки сетки не более 250 м2 при нормальном сопротивлении грунта ( < 200 Ом∙м) и менее 150 м2 при сопротивлении грунта, превышающем 1000 Ом∙м. Для снижения волнового сопротивления плотность сетки заземлителя должна быть повышена (например, до 5×5 м) вблизи оборудования высокого напряжения, осо бенно около силовых трансформаторов, емкостных трансформаторов напряжения, молниеотводов, опор линий электропере дачи и других заземленных опорных конст рукций, трансформаторов связи для сис тем передачи данных по ВЛ. Оборудование высокого напряжения должно быть установлено вблизи узла сетки заземления и связано с ней, по край ней мере, двумя, а лучше четырьмя провод никами, при этом их сечение определяется токами частотой 50 (60) Гц. Металлические основания оборудова ния высокого напряжения, шкафов управ ления, фундаменты зданий и другие метал лические конструкции должны являться составной частью заземления. Все заземляющие проводники должны иметь возможно меньшую длину. При заземления предпочтение следует отдавать соединению при помощи нескольких про водников, отдаленных друг от друга на 10 см и более. В частности, силовые транс форматоры следует соединять с различными узлами сетки заземления при помощи нескольких проводов. Следует избегать последовательного соединения заземляющих проводов различ ного оборудования. Заземляющий проводник сечением не менее 50 мм2 следует прокладывать в каж дом кабельном канале или траншее и при соединять к заземляющему устройству на обоих концах, а если есть возможность, то и в нескольких других точках. Все провод чики заземления должны соединяться в местах пересечения. Если две подстанции или более распо лагаются вблизи друг друга (например, понижающая подстанция, подстанции с РУ различного напряжения) и если между ними производится обмен измерительными сигналами, сигналами управления или связи, то их заземляющие устройства должны быть связаны, по крайней мере, двумя проводами, сечение которых опреде ляется максимальным ожидаемым током частотой 50 (60) Гц между заземляющими устройствами подстанций. Расстояние между этими проводами должно быть как можно большим. Кабель ные каналы и траншеи следует проклады вать вблизи шин заземления (которые могут располагаться внутри траншеи), изготавливать их желательно из металла и при их монтаже заземлять с обоих концов. Выполнение заземления зданий, содер жащих электронное оборудование, должно преследовать цель создания общей плос кости нулевого потенциала. Для достижения этой цели шины заземления должны про кладываться вдоль стен комнат, желательно около пола. Сечение этих шин не особенно важно, но не должно быть меньше 50 мм2 (для медного прута или полосы). Шины образуют замкнутую петлю, которая должна соединяться с заземлителем, по крайней мере, двумя проводами того же сечения, рас положенными на наибольшем расстоянии друг от друга. Шины следует присоединять к выводам заземления металлоконструкции и корпуса оборудования в пределах комнаты, к заземля ющим проводникам, проложенным в кабель ных траншеях, к экранам и свободным про водам кабелей, уходящих из комнаты. Если несколько различных корпусов оборудования установлены в ряд, то от одной стены до другой должна быть проло жена металлическая шина, объединяющая собой все указанное оборудование. Каждая такая шина вносит свой вклад в создание многократно замкнутой сети, являющейся, в свою очередь, частью общей системы нулевого потенциала. Связь корпусов с шиной должна выпол няться как можно более короткой (менее 10 см). Для обеспечения ЭМС сечение про водника не важно. Достаточным является сечение от 4 до 16 мм2, его выбор зависит от значения токов, которые будут проте кать по этим проводникам, при этом сле дует помнить, что установка четырех про водников сечением 4 мм2 несомненно более предпочтительна, чем одного про водника сечением 16 мм2. |