Раздел Техническая информация → Проблема электромагнитных воздействий
|
Часть 1 Владимир Гуревич, к. т. н. Отдельные вопросы воздействия электромагнитных излучений на микропроцессорные реле защиты (МУРЗ) и проблемы ЭМС уже неоднократно поднимались различными авторами на страницах нашего журнала. Автор попытался создать более полную картину проблемы электромагнитных воздействий на МУРЗ, а также приводит в своей статье новые данные, позволяющие специалистам - релейщикам лучше понять механизм таких воздействий и лучше осознать существующие проблемы и опасности. Статья состоит из трех частей. В первой части рассматриваются общие вопросы чувствительности МУРЗ к электромагнитным воздействиям, влияние грозовых разрядов и коммутационных процессов в высоковольтных аппаратах. Чувствительность МУРЗ к электромагнитным воздействиям Проблема электромагнитной совместимости электронной аппаратуры (ЭМС) возникла вместе с самой этой аппаратурой, поскольку одни ее узлы функционально построены таким образом, что являются приемниками электромагнитного излучения, тогда как другие — источниками излучения. Проблемы возникали как из-за взаимного влияния одних узлов на другие внутри аппаратуры, так и при воздействии на электронную аппаратуру внешних излучений различного происхождения. Десятилетиями проблемы ЭМС были прерогативой специалистов в области электроники, радиотехники и связи. Неожиданно, в последние 10–15 лет, эта проблема стала весьма актуальной и в электроэнергетике. Конечно, довольно значительные электромагнитные поля на объектах электроэнергетики существовали всегда. Однако применявшиеся десятилетиями устройства автоматики, управления и релейной защиты электромеханического типа были мало подвержены этим полям, и никаких особых проблем с ЭМС не возникало. Последние два десятилетия характеризуются интенсивным переходом от электромеханических к микропроцессорным устройствам релейной защиты (МУРЗ) и автоматики в электроэнергетике. Причем этот переход осуществляется не только по мере строительства новых подстанций и электростанций, но и путем замены старых электромеханических реле защиты (ЭМЗ) на подстанциях, построенных еще в те времена, когда никто даже не предполагал использование в них микропроцессорной техники. Суперсовременные МУРЗ оказались весьма чувствительны к электромагнитным помехам, поступающим «из воздуха», по цепям оперативного тока, цепям напряжения и от трансформаторов тока. Отмечались случаи ложного срабатывания МУРЗ даже от мобильного телефона [1]. Другие характерные примеры — случаи ложного срабатывания микропроцессорных устройств на действующих объектах «Мосэнерго», Очаковской и Зубовской подстанциях. Алгоритм работы защит нарушался из-за молнии, работающего поблизости экскаватора, электросварки и некоторых других помех. Во время ввода в действие Липецкой подстанции, руководство которой потратило около полутора миллионов долларов на приобретение МУРЗ, проблемы с микропроцессорными устройствами полгода не позволяли запустить этот энергообъект. В итоге подстанцию запускали, используя комплект традиционных защит [2]. На практике приходилось сталкиваться со случаями, когда, например, короткие замыкания по стороне 110 кВ вызывали ложную работу защит по стороне 330 кВ, а помехи при коммутациях по одному классу напряжений проникали (через общие цепи оперативного тока) на входы аппаратуры РЗА, работающей по другому классу напряжения [3]. Неправильная работа релейной защиты по причине недостаточной ЭМС, по данным «Мосэнерго», составляет до 10% от всех случаев ложной работы и касается в основном только реле на микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе [4]. Столь высокий процент случаев неправильной работы по причине недостаточной ЭМС вызван тем, что чувствительность к электромагнитным помехам МУРЗ на несколько порядков выше, чем у традиционных электромеханических защит. Например, по данным [4], если для нарушения работы электромеханического реле требуется энергия 10–3 Дж, то для нарушения работы интегральных микросхем — всего 10–7 Дж. Разница составляет 4 порядка. Степень повреждения зависит от устойчивости как каждого из компонентов схемы, так и от энергии мощной помехи в целом, которая может быть поглощена схемой без появления дефекта или отказа. Например, для электромагнитного реле с катушкой на напряжение 230 В переменного тока коммутационная помеха от индуктивной нагрузки с амплитудой 500 В хотя и является более чем двукратным перенапряжением, но вряд ли приведет к отказу реле в силу стойкости электромеханики к такого рода помехам и вследствие малой длительности такой помехи (в течение микросекунд). Иначе обстоит дело с микросхемой, питающейся от источника 5 В постоянного тока. Импульсная помеха с амплитудой 500 В в 100 раз превышает напряжение питания этого электронного компонента и приводит к неизбежному отказу и последующему разрушению устройства. Стойкость микросхем к перенапряжениям на несколько порядков ниже, чем стойкость электромагнитного реле [5]. Импульсные перенапряжения, возникающие при разрядах молний и при коммутации в силовых электроустановках, способны повреждать и разрушать как электронные устройства, так и целые системы. Многолетняя статистика подтверждает, что число таких повреждений удваивается каждые три-четыре года [5]. Эта статистика хорошо согласовывается с законом Мура [6], еще в 1965 году показавшем, что количество полупроводниковых компонентов в микрочипах удваивается примерно каждые два года. И такая тенденция сохраняется уже много лет. Если каких- то десять лет тому назад микросхемы так называемой транзисторно-транзисторной логики (TTL) содержали 10–20 элементов на квадратный миллиметр и имели типичное напряжение питания 5 В, то сегодня популярные микросхемы могут содержать почти сто CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) транзисторов на каждом квадратном миллиметре поверхности и имеют напряжение питания только 1,2 В. Новейшие технологии твердого тела, например, SOS (Silicon-On-Sapphire), поднимают плотность элементов до 500 на одном квадратном миллиметре поверхности [7]. Ясно, что для таких микросхем потребуется еще более низкое напряжение питания. При этом совершенно очевидно, что с повышением степени интеграции в микроэлектронике уменьшается устойчивость ее компонентов к высоковольтным импульсным перенапряжениям по причине уменьшения толщины изоляционных слоев и уменьшения рабочих напряжений полупроводниковых элементов. Поскольку помехи, имеющие меньшую энергию, возникают чаще помех, имеющих бóльшую энергию, наиболее частой реакцией МУРЗ на воздействие электромагнитных помех будет не разрушение устройства, а нарушение его работы или кратковременный сбой в работе с последующим восстановлением нарушенной функции (рис. 1).  Это означает, что сработавшее неправильно на подстанции МУРЗ покажет полностью исправную работу при его исследовании в лаборатории, и установить причину его ложного срабатывания на подстанции будет невозможно. Статистика, собранная представителями крупнейших японских компаний-производителей, подтверждает эту особенность МУРЗ (рис. 2) [8].  На представленной диаграмме видно, что кратковременные неповторяющиеся нарушения функционирования (сбои в работе) МУРЗ являются превалирующими в большинстве случаев. Этот вывод подтверждается и данными, полученными другой группой исследователей [9]. Согласно их данным, нарушения функционирования такого рода составляют почти 70% от общего числа повреждений МУРЗ, причем до 80% этих сбоев происходит в интегральных микросхемах. По свидетельству [4] и в практике ОАО «Мосэнерго» накопилось уже достаточно фактов негативного влияния электромагнитных помех на работу МУРЗ. Наиболее наглядно это показывает опыт включения МП защит фирмы Siemens на ТЭЦ-12 ОАО «Мосэнерго» по проекту, выполненному институтом «Атомэнергопроект». При проектировании никак не были учтены требо- вания ЭМС. Вследствие помех только за период с августа по декабрь 1999 года было зарегистрировано более 400 ложных информационных сигналов по дискретным и аналоговым входам МУРЗ [4]. При этом следует иметь в виду, что цена каждого отказа МУРЗ раз в 10 выше, чем цена отказа одного электромеханического реле, вследствие концентрации большого количества функций в каждом МУРЗ. Грозовые разряды Грозовые разряды являются самым мощным источником импульсных воздействий на аппаратуру электростанций и подстанций. Каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год. Напряжение молнии может составлять до ста миллионов вольт. В нормах строительства громоотводов принимают обычно ток молнии до 200 тысяч ампер при длительности порядка 1 мс, хотя практически ток молнии редко превышает 20–30 кА. Температура канала при главном разряде может превышать 25 000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько сантиметров. При ударе молнии в молниеотвод электрический ток (в виде импульса колоколообразной формы, рис. 3) поступает в землю и растекается в грунте во все стороны до нескольких десятков и даже сотен метров, причем из-за сопротивления грунта этот ток создает на нем падение напряжения. Поскольку наибольшее сопротивление оказывают слои почвы, лежащие вблизи места вхождения тока в землю, то именно здесь наблюдается самое высокое напряжение. По мере удаления от этой точки сопротивление прохождению тока уменьшается, при этом снижается и напряжение (рис. 3). Для снижения потенциала, наводимого при протекании тока молнии в грунте, сопротивление растеканию тока в зоне расположения жилых и промышленных зданий и сооружений уменьшают с помощью металлической сетки достаточно большой площади, размещенной в грунте под фундаментом зданий. ПРОДОЛЖЕНИЕ: часть 2 |