Раздел Техническая информация → Проблема электромагнитных воздействий
ПРОДОЛЖЕНИЕ
Однако сопротивление таких заземляющих систем все еще весьма далеко от нуля (рис. 3), и поэтому даже остаточные импульсные потенциалы, наведенные в заземляющей системе и проникающие по кабелям на входы электронной аппаратуры, представляют для нее серьезную опасность. Помехи такого рода называются кондуктивными. Кроме помех такого вида, импульс сильного тока, проходящий по молниеотводу, создает и помехи в виде электромагнитных полей, воздействующих на все близко расположенные проводники. Такое воздействие называется индуктивным. Существуют еще и емкостные наводки, при которых короткие (то есть высокочастотные) импульсы перенапряжения из высоковольтных линий электропередач попадают в низковольтные цепи через емкостные связи между обмотками трансформаторов.
В процессе распространения помехи имеет место многократное превращение одного его вида в другой, поэтому такое деление весьма условно, особенно когда речь идет о высокочастотных процессах. (Импульс разрядного тока молнии с достаточно крутыми фронтами — 8 и 20 мкс (рис. 3) — можно рассматривать именно как такой высокочастотный процесс.) Поэтому строгий анализ растекания тока в земле через заземляющие устройства требует учета обеих этих составляющих. Более того, попав в электронную аппаратуру посредством электромагнитного поля или по проводам, помеха претерпевает многочисленные превращения уже внутри этой аппаратуры из-за наличия паразитных емкостных и индуктивных связей между отдельными элементами или между различными узлами аппаратуры.
При этом высокочастотная составляющая помехи может проникать вглубь аппаратуры, в обход установленных фильтров и защитных элементов.
Еще один путь для проникновения помехи от разряда молнии — протекание токов по заземленному металлическому корпусу МУРЗ и заземленным экранам многочисленных кабелей, подключенных к нему. Все это говорит о том, что обеспечить должный уровень защиты от электромагнитных помех электронной аппаратуры очень и очень непросто.
Особенно сложно это сделать на старых подстанциях, системы заземления которых проектировались для работы с электромеханической защитой, значительно более устойчивой к электромагнитным воздействиям, чем микропроцессорная. А если учесть, что опасные подъемы потенциала в цепях заземления возникают не только при ударах молнии, но и при аварийных коротких замыканиях в электрических сетях, то проблема станет еще более сложной. В некоторых случаях для предотвращения такого подъема потенциала в цепях электронной аппаратуры контуры заземления силового оборудования и электронной аппаратуры делают раздельными. Однако на реально существующих подстанциях выполнить такое разделение нереально.
По нашему мнению, только комплексное решение проблемы позволит избежать влияния мощных электромагнитных помех на МУРЗ.
Это решение должно включать в себя:
• использование МУРЗ только на подстанциях, спроектированных и построенных с учетом самых современных требований к электромагнитной совместимости и рассчитанных на эксплуатацию высокочувствительной электронной аппаратуры;
• совершенствование конструкции самих МУРЗ;
• размещение МУРЗ в металлических шкафах, специально предназначенных для защиты электронного оборудования и снабженных фильтрами на всех кабелях, входящих в шкаф.
Коммутационные процессы и электромагнитные поля от работающего оборудования
Коммутационные процессы и электромагнитные поля от работающего электрооборудования — это второй по степени влияния источник импульсных помех, воздействующий на МУРЗ в обычных условиях эксплуатации. Источниками коммутационных помех в электроэнергетике являются, как правило, высоковольтные выключатели и разъединители, низковольтные реле и контакторы, управляемые батареи конденсаторов. Мощные преобразователи частоты электроприводов, коронный разряд, электроискровые технологии считаются источниками электромагнитных излучений, опасных для электронной аппаратуры. При этом пути проникновения помех в МУРЗ могут быть разными: от прямых индуктированных наводок на низковольтные провода и кабели вторичных цепей подстанций (рис. 4) [10] до импульсных и высокочастотных перенапряжений, возникающих во вторичных обмотках трансформаторов тока и напряжения (рис. 5–7).
Чем меньше время горения дуги при размыкании высоковольтной цепи коммутационным аппаратом, тем бóльшую амплитуду имеют наведенные перенапряжения во вторичных цепях. Поэтому самые большие перенапряжения дают вакуумные выключатели, за ними следуют элегазовые и масляные, а замыкают этот ряд воздушные выключатели.
Этим обусловлена и разница в количестве повреждений МУРЗ, возникающих при работе выключателей и разъединителей с элегазовой и воздушной изоляцией (рис. 8) [8].
Следует отметить, что высоковольтные помехи могут наводиться в контрольных кабелях также при коммутации низковольтных цепей, особенно тех, что содержат индуктивности. При этом характер коммутационного переходного процесса зависит от большого количества факторов, и поэтому наведенные напряжения могут сильно отличаться даже на одной и той же подстанции. Теоретические расчеты таких перенапряжений связаны с большими трудностями, поэтому наиболее простой способ — непосредственные замеры.
Значительные перенапряжения, трансформируемые во вторичные цепи, возникают также при коммутации батарей конденсаторов (рис. 9).
Эффективной мерой борьбы с наведенными перенапряжениями на входах электронной аппаратуры и на ее зажимах питания является широкое использование элементов с нелинейной характеристикой: газовых разрядников, варисторов, специальных полупроводниковых элементов на основе стабилитронов и других устройств, включаемых параллельно защищаемому объекту (например, параллельно входу МУРЗ) и между каждой клеммой этого объекта и «землей».
Наилучшими характеристиками обладают на данный момент резисторы с нелинейной характеристикой, выполненные из прессованного порошка оксида цинка ZnO (реже — из карбида кремния, титаната бария и других материалов), — варисторы, которые и получили наибольшее распространение.
Выпускаются они сегодня в огромных количествах: без корпусов, в корпусах различных типов, часто снабжаются всякими вспомогательными элементами (предохранителями, сигнальными флажками и т. п.). Варисторы должны быть правильно выбраны. К сожалению, часто приходится наблюдать ситуацию, при которой варисторы даже в аппаратуре ведущих мировых производителей выбраны неверно и, фактически, никакими защитными функциями не обладают. Поскольку вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора далеко не идеальна (рис. 10), правильно выбрать его не так-то просто.
С одной стороны, варистор не должен пропускать через себя ток более 1 мА (стандартное значение для современных варисторов западного производства) при максимальном рабочем напряжении (иначе он просто перегреется и сгорит), с другой — его напряжение срабатывания (clamping voltage) должно быть заметно меньше напряжения, выдерживаемого электронными компонентами защищаемого оборудования (в противном случае не варистор будет защищать электронные компоненты, а эти компоненты будут «защищать» варистор). Из-за несовершенства ВАХ варисторов для выполнения этих условий максимальное выдерживаемое напряжение электронных компонентов, предназначенных для работы в сети 220 В, должно быть не менее 1000 В. Однако, во-первых, электронные компоненты на такое напряжение значительно дороже, чем низковольтные, а во-вторых, их другие характеристики хуже. Например, транзисторы на напряжение 1000–1200 В имеют значительно меньший коэффициент усиления и значительно большее падение напряжения в открытом состоянии, чем такие же транзисторы на напряжение 400–500 В. Поэтому довольно часто приходится встречать, например, в источниках питания МУРЗ, регистраторов аварийных режимов и в другой электронной аппаратуре ведущих мировых производителей транзисторы с максимальным выдерживаемым напряжением 500 В, работающие непосредственно в цепи 220–250 В. Обеспечить защиту электронных компонентов варисторами при таком соотношении рабочего и максимально выдерживаемого напряжения просто невозможно.
Литература
1. Ш а л и н А . И . О б э ф ф е к т и в н о с т и н о в ы х устройств РЗА // Энергетика и промышленность России. 2006. № 1 (65).
2. Прохорова А. Интеллект — наше главное конкурентное преимущество (интервью с генеральным директором ОАО ЧЭАЗ М. А. Шурдовым) //Оборудование, рынок, предложения, цены. 2003.№ 4.
3. Кузнецов М., Кунгуров Д., Матвеев М., Тарасов В.Входные цепи устройств РЗА. Проблемы защиты от мощных импульсных перенапряжений //Новости электротехники. 2006. № 6 (42).
4. Борисов Р. Невнимание к проблеме ЭМС может обернуться катастрофой // Новости электротехники. 2001. № 6 (12).
5. Иванов П. Trabtech — технология для защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений // Компоненты и технологии. 2003. № 6.
6. Moore G. E. Cramming more components onto integrated circuits // Electronics. Vol. 38. No. 8.1965.
7. Nailen R. L. How to Combat Power Line Pollution// Electrical Apparatus. December 1984.
8. Matsumoto Т., Kurosawa Y., Usui M., Yamashita K.,Tanaka T. Experience of Numerical Protective Relays Operating in an Environment with High-Frequency Switching Surge in Japan // IEEE Transactions On Power Delivery. Vol. 21. No. 1. 2006.
9. Matsuda T., Kobayashi J., Itoh H., Tanigushi T.,Seo K., Hatata M., Andow F. Experience with Maintenance and Improvement in Reliability of Microprocessor-Based Digital Protection Equipment for Power Transmission Systems // SIGRE Session, Paris. 30 August – 5 September 1992.
10. Sowa A. W., Wiater J. Overvoltages in Protective and Control Circuits due to Switching Transient in High Voltage Substation // Electrical Department. Bialystok Technical University, Poland. 2007.
11. Wiggins C. M., Thomas D. E., Nickel F. S., Wright S. E., Salas T. M. Transient Electromagnetic Interference in Substations // IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 9. No. 4. 1994.
12. Carsimanovic S., Bajramovic Z., Ljevak M., Veledar M., Halilhodzik N. Current Switching with High Voltage Air Disconnector // International Conference on Power Systems Transients (IPST’05). Montreal, Canada. 19–23 June, 2005.
13. Mohana Rao M., Joy Thomas M., Singh B. P. Transients Induced on Control Cables and Secondary Circuit of Instrument Transformers in a GIS During Switching Operations // IEEE Trans. on Power Delivery. Vol. 22. No. 3. July, 2007.
В НАЧАЛО часть 1