автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка методики и способов улучшения электромагнитной совместимости электрооборудования газоперекачивающих предприятий при воздействии импульсных электромагнитных помех

На правах рукописи

Тюпанов Иван Юрьевич ^

4

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 МАР 2013

Москва 2013

005050564

Работа выполнена на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель: Канн. Тех. наук, доцент Национального исследовательского университета «МЭИ» Хевсуриани Иван Михайлович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Жилин Борис Владимирович заведующий кафедрой «Электроснабжение» Новомосковского института Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева Кандидат технических наук, Пищур Алексей Павлович Генеральный директор ООО «Азбука Электричества»

Ведущая организация Российский

государственный университет «Нефти и газа имени И.М. Губкина»

Защита диссертации состоится 15 марта 2013 г. в аудитории М-611 в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 пр] ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: ул. Красноказарменная, д.13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печаты-организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, у:. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИ"! «МЭИ»

Автореферат разослан «14» февраля 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета

■ кандидат технических наук, доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Компрессорные станции газотранспортных предприятий (КС) являются предприятиями, имеющими в своем составе питающую высоковольтную подстанцию и силовое электрооборудование, а также систему молниезащиты, что обуславливает возможность появления на них мощных электромагнитных полей и помех. Если исключить случаи неправильного выбора и грубых ошибок при монтаже систем выравнивания потенциалов и заземляющих устройств, нередко обнаруживается, что они не соответствуют даже требованиям ПУЭ, Выполнение этих требований обеспечивает электробезопасность, но зачастую этого недостаточно для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС).

Необходимым условием нормального функционирования КС, оснащенных современными системами АСУ, релейной защиты, телемеханики, связи, и пр., особенно в условиях сложной электромагнитной обстановки (высокая грозовая активность, наличие антенно-мачтовых сооружений, воздушных линий связи, высокий уровень индустриальных помех), является соответствие заземляющих устройств и систем выравнивания потенциалов современным требованиям, которые с прогрессом техники постоянно возрастают.

Практически все стационарные и транспортные электроэнергетические и информационно-управляющие комплексы в той или иной степени могут быть подвержены воздействию сверхмощных электромагнитных импульсов, создаваемых молнией.

В настоящее время на российском рынке широко представлены организации, выполняющие работы по экспертизе (диагностике) электромагнитной совместимости на различных промышленных объектах. Целью проводимых ими работ является обеспечение работоспособности электротехнических и электронных средств при воздействии на них электромагнитных помех в нормальном режиме работы и в случае возникновения нештатных ситуаций (молниевые разряды, КЗ и др.).

Для этого проводится оценка ЭМО диагностируемого объекта, экспертиза ЭМС электрооборудования и, в случае получения неудовлетворительных результатов, разработка экономически целесообразных рекомендаций, направленных на обеспечение ЭМС электрооборудования, что позволяет:

- предупредить аварийные остановы технологического оборудования при молниевых разрядах, КЗ и других нештатных режимах работы оборудования;

- повысить надежность функционирования электронных компонентов общестанционной и агрегатной автоматики;

- снизить расходы на ремонтно-восстановительные работы оборудования, поврежденного в результате воздействия электромагнитных помех.

Данные исследования легли в основу множества научных статей и исследовательских работ по обеспечению ЭМС на различных предприятиях, что подтверждает важность и актуальность этой проблемы на производстве.

Результаты приведенных в диссертационной работе исследований основываются на результатах работ по экспертизе ЭМС компрессорных станций газотранспортных предприятий проводимых в течение последних 5 лет. Учитывая высокую важность бесперебойной работы оборудования КС, являющихся опасными производственными объектами, их значительную энерговооруженность и высокую степень автоматизации, создание эффективной защиты электрооборудования газотранспортных предприятий от импульсных электромагнитных помех является необходимым условием их безаварийной эксплуатации.

Целью работы является исследование уровней электромагнитных полей и потенциалов, возникающих на заземлении и металлоконструкциях производственных помещений и разработка для КС единой системы защиты от вторичных проявлений молнии на основе зонной концепции защиты от перенапряжений.

Достижение конечной цели диссертации осуществлялось путем последовательного решения следующих задач:

• Теоретические исследования причин возникновения импульсных перенапряжений и путей их проникновения в системы электроснабжения до 1 кВ;

• Анализ типов электромагнитных помех, возникающих на электрооборудовании и системе молниезащиты КС;

• Исследование и обработка экспериментальных данных по уровню электромагнитных полей и потенциалов, возникающих на заземлении и металлоконструкциях производственных помещений КС, основанных на расчетных методах;

• Обоснование возможности применения для объектов КС упрощенных расчетных таблиц оценки риска (ЗГОАС);

• Применение к КС газотранспортных предприятий процедуры "Управления рисками" для оценки рисков причинения ущерба КС во время прохождения грозового фронта и обоснования экономической целесообразности построения комплексных систем молниезащиты на КС;

• Анализ целесообразности применения зонной концепции молниезащиты на газотранспортных предприятиях;

• Разработка обобщенных мероприятий по усовершенствованию системы молниезащиты газотранспортных предприятий.

Методы исследования: Для решения поставленных в работе задач использовались методы, принятые в электротехнике, теории электрических цепей, положения основ теории электроснабжения. Использовалось теоретическое и программное моделирование.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается корректностью постановки задачи, обоснованностью принятых

4

>

методов исследований и хорошей сходимостью теоретических экспериментальных данных.

На защиту диссертационной работы выносятся:

- Алгоритм выбора модели молниевого разряда, адаптированной для исследования ЭМС на газотранспортных предприятиях;

- Обоснование возможности применения упрощенных расчетных таблиц оценки риска (БШАС) для расчета рисков поражения молнией производственных объектов газотранспортных предприятий;

- Предложенный комплекс мероприятий по защите электрооборудования систем электроснабжения газотранспортных предприятий на основе зоной концепции молниезащиты;

- Рекомендации по методике монтажа устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) в системах электроснабжения газотранспортных предприятий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выбрана модель молниевого разряда, адаптированная для исследования ЭМС на газотранспортных предприятиях;

2. Определены основные параметры молниевых разрядов и пути воздействия их вторичных проявлений на электрооборудование систем электроснабжения компрессорных станций газотранспортных предприятий;

3. Проведенные расчеты рисков для производственных объектов газоперекачивающих станций показали, что риски причинения ущерба от вторичных воздействий молнии существенно выше риска ущерба от прямого удара молнии.

4. Определяющим элементом риска для ущербов от прямого удара и вторичных проявлений молнии является элемент относящийся к повреждению внутренних систем, возникающему в результате перенапряжений, индуцированных на входящих линиях электропередачи и передаваемых зданию. Данный факт обосновывает недостаточность защиты оборудования КС от грозовых разрядов и необходимость создания комплексной защиты от перенапряжений на КС.

Основные практические результаты:

1. Обоснована возможность применения упрощенных расчетных таблиц оценки риска (БЖАС) для расчета рисков поражения молнией производственных объектов газотранспортных предприятий.

2. Проведенные исследования способов оценки состояния и местонахождения заземляющих устройств показали, что измерения и определение мест залегания заземлителей для оценки ЭМО необходимы только в Местах расположения молниеприемных мачт.

3. Разработан обобщенный комплекс мероприятий по защите электрооборудования систем электроснабжения газотранспортных

мероприятий от импульсных электромагнитных помех на основе зонной концепции молниезащиты.

4. Разработаны обобщенные рекомендации по методике монтажа УЗИП в сетях электроснабжения газотранспортных предприятий.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Научных семинарах кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» НИУ МЭИ в 2010-2012 гг.;

Пятнадцатой, шестнадцатой, семнадцатой и восемнадцатой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, 2009 - 2012 г.г.);

- Девятой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (г. Москва, 2011 г.);

- Четвертой, пятой и шестой международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2009 -2011 г.г.);

- Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 печатных работ, из них 3 в журналах ВАК.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем составляет 128 страниц. Список литературы включает 80 наименований.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе приведен анализ развития грозового разряда, а так же даны общие характеристики внешних (грозовых) перенапряжений. На электрооборудовании перенапряжения могут появляться тремя способами:

1. Путем непосредственного поражения молнией объекта;

2. Вследствие прихода по линии электроснабжения электромагнитных волн, вызванных поражением линии молниевым разрядом;

3. Индуцированные перенапряжения, возникающие при ударе молнии в соседние объекты.

Также в главе приводятся виды электромагнитных воздействий, которые возникают при грозовых разрядах. При прохождении грозового фронта на территории газотранспортного предприятия могут возникать следующие виды воздействия молниевых разрядов:

- Магнитное воздействие;

- Гальваническое воздействие;

- Электрическое воздействие;

- Электростатическое воздействие.

Рис. 1. Вторичные воздействия молниевого разряда. ПМ - прожекторная мачта, ЗУ - заземляющее устройство, РЩ - распределительный щит, ШУП - шина уравнивания потенциалов, 1м- ток молнии, Нм - напряженность магнитного поля наведенного током молнии, Кэ - коэффициент экранирования конструкциями здания, Ем - ЭДС, наведенная воздействующим магнитным полем Нм, Сев - емкостная связь между объектами.

На основании нормативной базы, научно-технической литературы, а также технических параметров существующих устройств защиты от импульсных перенапряжений выбрана модель разряда молнии, которая использована в дальнейших исследованиях и экспериментах как набор исходных данных для определения уровней электромагнитных помех на КС.

Во второй главе приведены особенности электрооборудования и систем электроснабжения газотранспортных предприятий, проведен анализ типов вторичного воздействия молниевых разрядов и проведено исследование их влияния на электрооборудование газотранспортных предприятий, указаны пути воздействия импульсных электромагнитных помех на электрооборудование компрессорных станций.

Учитывая тот факт, что система молниезащиты газотранспортных предприятий выполняется с помощью отдельно стоящих мачтовых молниеприемников высотой до 50 м, на которых нередко устанавливаются прожекторы системы наружного освещения, молниеотвод, при поражении его 1 молнией, становится для электрооборудования источником мощных электромагнитных помех. В главе подробно рассмотрены механизмы возникновения видов электромагнитных воздействий на электрооборудование, вызванных прохождением над объектом грозового фронта.

Магнитное воздействие - вызвано влиянием индуцированных протекающим током молнии импульсных магнитных полей, наведением в

7

металлоконструкциях и проводниках ЭДС. ЭДС, наводимая в контуре равняется

им = фЕм.с11, (1)

где Еи — напряженность вихревого электрического поля, возбуждаемого меняющимся во времени магнитным полем тока молнии.

Гальваническое воздействие - вызвано падением напряжения при протекании части тока молнии по металлоконструкциям, проводникам и в грунте.

Электрическое воздействие - вызвано эмиссией тока молнии по емкостной связи в ЗУ, проводные линии электрооборудования и другие металлоконструкции. Определяется перенапряжением на изоляционном промежутке между пораженным молнией молниеотводом и соседнимиобъектами:

дИ ^4, 0.

аитах 2я г ' V' >

где (До - магнитная постоянная, Аг векторный потенциал, г - радиус молниеотвода, ё - расстояние между объектами.

Электростатическое воздействие - вызвано накоплением электростатического разряда при воздействии электрического поля грозового облака и быстрой сменой его уровня при молниевом разряде. Это создает ток через заземлитель:

и = (3)

а объект приобретает относительно земли потенциал:

и=-1Л- (4)

В настоящее время на российском электротехническом рынке существует множество компаний оказывающих услуги по диагностике электромагнитной обстановки на промышленных объектах. В состав работ по диагностике обязательно включаются измерения, целью которых является оценка воздействия на оборудование вторичных воздействий молниевых разрядов, которые вызываются протеканием тока молнии по элементам системы молниезащиты, а также наведенным на пролегающих поблизости коммуникациях.

Из-за отсутствия единой методики проведения обследований электромагнитной совместимости, при проведении этих работ, используются различные измерения и расчеты, основанные на различных теориях развития молниевых разрядов и определения их воздействия на электрооборудование.

Так как территории компрессорных станций насыщены подземными коммуникациями, в том числе кабельными линиями различных назначений, это является усугубляющим фактором, как с точки зрения подверженности перенапряжениям, так и с точки зрения их распространения.

Согласно действующей нормативной документации, нормируемыми параметрами при определении уровней электромагнитных воздействий молнии принимают:

- напряженность импульсного магнитного поля в местах размещения вторичного оборудования;

- напряжение на токоотводах и ЗУ молниеотводов в местах прокладки вторичных кабелей;

- навёденные во вторичных цепях импульсные напряжения.

При проведении исследований на газотранспортных предприятиях европейской части РФ были использованы методики приведенные ниже.

Опираясь на утверждение, что на остроконечных конструкциях заземлителей образуется локальное увеличение электрического поля, что инициирует развитие лидерного канала, направление развития искрового канала в грунте следует ожидать, прежде всего, от концов лучевых заземлителей либо углов ЗУ, в случае построения замкнутого контура.

Для того чтобы оценить возможные потенциалы, которые возникнут при разряде молнии в систему молниезащиты, применяется следующая методика. Длина плазменного канала рассчитывается с учетом удельного сопротивления грунта, тока молнии, сопротивления растеканию, собственного сопротивления заземлителей, пробивной напряженности электрического поля грунта. Расчет производится для отдельно стоящего молниеотвода, не соединенного с общим контуром ЗУ КС, т. е. для наихудших условий. Соединение ЗУ с общим контуром обусловит уменьшение сопротивления растеканию, а, соответственно, длину образованных искровых каналов.

Для проведения измерений необходимо изъять все механические соединения между ЗУ мачты молниезащиты, для которой проводится измерение, и ЗУ других зданий. Далее измеряется сопротивление ЗУ мачты и удельное сопротивление грунта. Принимая,соответственно, Е и 1ф/(кг), где = 1»/1 — ток утечки с единицы длины канала, напряженность электрического поля пробоя грунта - 100 В/см, радиус плазменного канала - 1 см, ток молнии -100 кА.

К примеру, для удельного сопротивления грунта 245 Ом*м, общая длина плазменного канала в грунте в случае молниевого разряда будет достигать 27 м. С учетом того, что развитие канала будет происходить минимум в 3 стороны, а так же с учетом затухания и сопротивления ЗУ, максимальная длина канала не превысит 9 м. Сопротивление ЗУ при этом составит ~ 6.80м, потенциал на ЗУ при протекании тока молнии 100 кА составит ~ 680 кВ.

При данном подходе величина перенапряжений, возникающих на близлежащих к месту возможного разряда коммуникациях и заземлениях, зависит от принятого предварительного набора величин (величины тока

молнии, радиуса плазменного канала, напряженность пробоя грунта) и может варьироваться в достаточно большем диапазоне. Учитывая, что уровень потенциала на ЗУ, металлоконструкциях и коммуникациях на входе в здание является важной характеристикой при выборе устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), устанавливаемых на вводных кабельных коммуникациях, то точный выбор данного устройства произвести невозможно. Об этом также свидетельствуют нередкие выходы из строя УЗИП, установленных в различных цепях газотранспортных предприятий.

Далее проводятся расчеты напряженности импульсных магнитных полей в местах размещения электронной аппаратуры и электрооборудования, индуцированных при протекании тока молнии по элементам молниезащиты.

Расчет проводится с учетом экранирующих свойств строительных конструкций зданий и сооружений. Коэффициент экранирования магнитного поля строительными конструкциями зданий определяется при помощи измерений.

Амплитуда тока молниевого разряда принимается равной 100 кА (импульс 10/350 мкс) для первого разряда, и 50 кА (импульс 0,25/100 мкс) для последующих разрядов.

В соответствии с полученными значениями устанавливается норма на помехоустойчивость оборудования, подверженного влиянию указанных помех. Значения сравниваются с уровнем помехоустойчивости оборудования (полученными при анализе документации на оборудование). Для обеспечения качества функционирования помехоустойчивость электрооборудования должна быть выше уровней измеренных значений воздействующих на него помех (проверяется в соответствии с ГОСТ Р 50649-94).

Значение коэффициента экранирования зданий обычно находится в диапазоне 6-12, в зависимости от материала стен (кирпич, блок, ж/б конструкции).

Информация об уровне устойчивости оборудования КС к воздействию импульсного магнитного поля, как правило, отсутствует. При отсутствии данных по конкретной аппаратуре, в качестве предельно допустимого уровня устойчивости оборудования промышленных объектов к воздействию импульсного магнитного поля принимается 4 группа устойчивости (300 А/м) согласно ГОСТ 50649-94. В автоматизированных рабочих местах, расположенных вдали от промышленного оборудования, уровень устойчивости принимается 1 класса, т. к. их оборудование (персональные компьютеры, периферийное оборудование и т.п.), как правило, не проходит сертификационных испытаний на устойчивость к электромагнитным воздействиям.

Для помещений, наиболее подверженных влиянию вызванных протеканием тока молнии магнитных полей, данные измерений и расчетов сводят в таблицу, подобную таблице 1.

ю

Таблица 1. Результаты расчетов импульсных магнитных полей вызванных протеканием тока молнии на КС___

№ п/п Помещение I МОЛНИИ (А) с1, м Н мп (А/м) к, Н мп привед (А/м) Класс

1. АБК от АО 100000 8 1989.44 8 248.7 3

2. ПЭБ 1 отПМ-1 100000 6 2652.58 12 221.0 3

3. ПЭБ 1 отПМ-12 100000 5 3183.10 12 265.3 3

4. ПЭБ 2 от ПМ-10 100000 10 1591.55 12 132.6 3

5. Аккумуляторная от ПМ-10 100000 6 2652.58 10 265.3 3

Кэ- коэффициент экранирования конструкциями здания; 1молнии _ принимаемая к расчету величина тока молнии;

с1 - кратчайшее расстояние до токоотвода ближайшего элемента молниезащиты;

Н МП - напряженность магнитного поля снаружи, непосредственно перед стеной здания (без учета экранирования);

Н МП привед. - максимальное значение напряженности импульсного магнитного поля, обусловленного протеканием тока молниевого разряда по токоотводу элемента молниезащиты;

Класс — минимальный класс устойчивости аппаратуры к импульсному магнитному полю.

На основании данного расчета производится расчет наведенной ЭДС, возникающей между металлоконструкциями зданий и в проводных цепях, в результате воздействия импульсных магнитных полей, вызванных протеканием тока молнии.

В соответствии с уровнями магнитных полей, приведенными выше, и параметрами образованного металлоконструкциями и металлическими коммуникациями контура, расчет величины индуцированной в контуре ЭДС проводится по формуле:

, (5)

2гг г0 А/ М

где: цо - магнитная постоянная; 5- площадь контура;

г о- расстояние до проводника с протекающим током; г- ток; время;

В- магнитная индукция.

Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты расчета наведенной ЭДС в металлоконструкциях и проводниках при протекании тока молнии_

№ п/п Помещение длина контура, м ширина контура, м сШ, А/м (11, с ЭДС, в

1. АБКотАО 3 4 248.7 ю-05 119.4

2. ПЭБ 1 отПМ-1 5 4 221.0 Ю"03 176.8

3. ПЭБ 1 отПМ-12 5 4 265.3 Ю-05 212.2

4. ПЭБ 2 от ПМ-10 5 4 132.6 ю-05 106.1

5. Аккумуляторная от ПМ-10 3 4 265.3 ю-05 127.3

(1Ь, (И - соответственно изменение напряженности магнитного поля и времени за период, для которого проводился расчет; ЭДС - рассчитанная величина ЭДС в контуре.

Возможность пробоя рассчитывается сравнением полученного значения с пробивным напряжением материала в зазоре контура. Номинальное импульсное выдерживаемое напряжение, требуемое для оборудования определяется согласно ГОСТ Р 50571.19-2000.

Третья глава включает в себя анализ рисков нанесения ущерба КС проходящим над ней грозовым фронтом и возможность применения для КС Упрощенных Международной электротехнической комиссией расчетных таблиц оценки риска (БИ^АС).

Благодаря большому количеству учитываемых параметров, характеризующих архитектуру объекта, место его расположения, риск возникновения пожаров, наличие различных электрических цепей, как внутри, так и снаружи объекта, а также специфические характеристики объекта, оценка риска поражения молнией позволяет получить вероятностные критерии возникновения ущерба на исследуемом объекте.

Помещения производственных объектов газотранспортных предприятий представляют собой здания из однородных материалов не обеспеченных специальными огнестойкими отделениями или защитными экранами. Системы защиты от перенапряжений в подавляющих количествах случаев на объектах отсутствуют. Эти факты позволяют не разделять каждое здание на зоны оценки риска, а считать их едиными зонами с однородными характеристиками.

Упрощенные Международной электротехнической комиссией расчетные таблицы оценки риска (вГОАС) являются инструментальным программным средством, основанным на расчетах и методах, указанных в 1ЕС 62305-2, и используются для расчетов элементов риска простых зданий. Они

4

I

предназначены для применения стандарта ШС 62305-2 в качестве метода оценки риском, связанным с молниезащитой (рисунок 2).

Length ot strucfeire (m): Width of structure (m): Height of roof plane (m)*: Height of highestroof protrusion (m)* "Measuredfrom the ground Collection area (m2);

P5 jJjJ P jJLiJ ,1

& ¿ill (I9179m2

Risk of physical damage (incL fire): Ordinary »

Structure screening effectiveness: Average *

Internal wiring type: Screened d

Location factor Environmental factor Number thunderdays: Annual ground flash density:

View isokeraurtic map: Calculated Risk«: —--

Isolated struaurs jJ

- 3

Power Line:

Type of service to the structure: Type of external cable: Presence of MV/LV transformer.

Screened [No Transformer

Other Oveihead Servicer Number of conducive services: Type of external cable:

"iWI

Number of condudivB seivices: Type ot external cable:

"ilil

60 days/year < j >\ ¡8.0 fleshes,fm2 "

ViewMap |

Qass of LPS:

Firs protection provisions:

Surge protection:

Automated systems j] No protection 2

Loss of Human Life: Loss of Public Seivices: Loss of Cultural Heritage: Economic Loss:

J1.27E-06

¡1Л5Е-04

[3.70E-05

И.98Е-04

(3.83E-05

¡1.00E-03 J1.00E-03

¡D.QQE+OQ

¡1,17E4J3

¡0.00E+00 ¡5.09E-03

(O.OOE-OO

¡6.26E-03

• Iff« 1 ■ Lom of Human Life: Special hazards to lie:

Life lose due to fire: ¡Other structures •1

Life loss due to oveivoltages: ¡Not relevant il

Tfpe 2 • Lot« of Essential Public Servicer

Services lost due to fire: Power supply d

: Seivices lost due to oveivoltages: Power supply d

Type 3 - Lom of Culture! Heritage: ■••

Cultural heritage lostdue to fire: |n0 heritage value "

Type 4 - Economic Lois-------------

Special hazards to economics: Economic loss due to fire: Economic loss due to overvoltage: Step/touch potential loss factor . Tolerable risk of economic loss:

Commercial property

Industrial, commercial site J j

livestock inside j1

3

Indirect Strike Calculated Risk Dirt ran re-.

The EC lightning risk assessment caiorta is intended la assist in Ihe analysis of various criteria to delennine the risk ci loss due to lightning, it is no! possible tocovereach spatial design siemBnt Ihalmayrandeiaslruduia more or less susceptible to lightryng damage. In speriai cases, personal and ecoiomiclactors mfybs very imported anc should ba witstdered in cddifott to Ihe assessment obtaied by useollhistool.lt is intended that this lootba used In conjunction with

Рис. 2. Расчет рисков для компрессорного цеха КС с помощью программного средства расчетные таблицы оценки риска (ЗШАС).

Таким образом, для типового компрессорного цеха газоперекачивающей компрессорной станции расположенного в средней полосе России оснащенного газотурбинными ГПА можно определить следующие исходные параметры расчета:

Строение отдельностоящее; Длина - 143 м; Ширина - 55 м;

Высота плоскости крыши -8 м;

Высота наивысшего выступа крыши - 20 м (выхлопные трубы ГПА);

Число грозовых дней - 60-80 дней/год;

Класс молниезащиты объекта - III.

Трансформаторная подстанция отсутствует;

Внутренние проводки экранированы;

Внешние проводки экранированы;

Таблица 3. Результаты расчета рисков поражения молнией компрессорного цеха КС__

Параметр Результат

Участок сбора данных 19179 м2

Риск гибели людей 3,83х10'5 при допустимом 10'5

Риск недопустимого нарушения коммунального обслуживания 6,14х10"4 при допустимом 10'1

Риск ущерба экономической ценности 6,26x10"3 при допустимом 10"3

Как видно из результатов расчета представленных в таблице 3 для компрессорного цеха КС риски получения ущерба от вторичных воздействий молнии гораздо выше рисков ущерба от прямого удара. Превышение допустимых рисков получены по двум параметрам: угроза человеческой жизни и экономический ущерб.

При расчете риска угрозы человеческой жизни получены следующие значения элементов риска:

Таблица 4. Результаты расчета элементов риска угрозы человеческой жизни для компрессорного цеха КС___

Элемент риска Результат

ЯА1 (гибель человека при ударе молнии в здание) 1,15 хЮ" '

ЛВ1 (возникновение пожара/взрыва при ударе молнии в здание) 1,15 хЮ"6

ЛС1 (повреждение внутренних систем электромагнитными импульсами при ударе молнии в здание) 0

ЛМ1 (повреждение внутренних систем электромагнитными импульсами при ударе молнии вблизи здания) 0

ЖЛ (гибель человека при ударе молнии в линию электропередачи входящую в здание) 3,67x10"'

ЯУ1 (возникновение пожара/взрыва при ударе молнии в линию электропередачи входящую в здание) 3,67 хЮ-5

Л\У1 (повреждение внутренних систем электромагнитными импульсами при ударе молнии в линию электропередачи входящую в здание) 0

ЯЪ\ (повреждение внутренних систем электромагнитными импульсами при ударе молнии вблизи линии электропередачи входящую в здание) 0

Как видно из таблицы 4 определяющим элементом риска угрозы человеческой жизни является риск ДУ1, относящийся к физическому повреждению от пожаров или взрывов, инициированных опасным искрением между внешней установкой и металлическими частями главным образом на точке входа линии электропередачи в здание, в результате воздействия тока

молнии, передаваемого через или вдоль входящих систем энергоснабжения. Могут возникать все типы ущерба Ы, Ь2, ЬЗ или Ь4;

При расчете риска угрозы экономического ущерба для компрессорного цеха КС получены следующие значения элементов риска (таблица 5):

Таблица 5. Результаты расчета элементов риска угрозы экономического ущерба для компрессорного цеха КС_

Элемент риска Результат

ЯА4 (гибель человека при ударе молнии в здание) 1,15 х10'5

ЛВ4 (возникновение пожара/взрыва при ударе молнии в здание) 4,6 х10-6

ЛС4 (повреждение внутренних систем электромагнитными импульсами при ударе молнии в здание) 1,15 х10'3

ЛМ4 (повреждение внутренних систем электромагнитными импульсами при ударе молнии вблизи здания) 1,7 хЮ"4

ЛШ (гибель человека при ударе молнии в линию электропередачи входящую в здание) 3,67 хЮ"5

ЛУ4 (возникновение пожара/взрыва при ударе молнии в линию электропередачи входящую в здание) 1,47x10'4

Л\У4 (повреждение внутренних систем электромагнитными импульсами при ударе молнии в линию электропередачи входящую в здание) 4,45 xlO"J

ЯЪЛ (повреждение внутренних систем электромагнитными импульсами при ударе молнии вблизи линии электропередачи входящую в здание) 2,86 хЮ"6

Определяющими элементами риска для угрозы экономического ущерба получились элементы RCA и 7?W4. Элемент риска RC4 относится к повреждению внутренних систем, в результате воздействия электромагнитных импульсов от грозовых разрядов. Ущерб типа L2 и L4 может возникать во всех случаях одновременно с типом L1, касающимся зданий с риском возникновения взрыва, сооружений, в которых повреждение внутренних систем сразу же подвергает опасности жизнь людей. Элемент риска RW4 относится к повреждению внутренних систем, возникающему в результате перенапряжений, индуцированных на входящих линиях электропередачи и передаваемых зданию. Ущербы типов L2 и L4 могут возникать во всех случаях; наряду с ущербом типа L1 в случае зданий с риском взрыва и сооружений, в которых повреждение внутренних систем сразу же подвергает опасности жизнь людей.

В четвертой главе приводится классификация основных методов и средств защиты чувствительного низковольтного электрооборудования, широко применяющихся в мировой практике, их принцип действия и технико-эксплуатационные характеристики.

В главе проведен анализ концепции зонной молниезащиты для применения ее на газотранспортных предприятиях, с учетом особенностей систем электроснабжения и молниезащиты.

Комплексная система молниезащиты, согласно зонной концепции, включает в себя систему внешней молниезащиты (молниеприемная часть, токоотводы и заземления), уравнивание потенциалов, экранирование помещений и применение устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) для питающих сетей и устройств информационной техники.

Характеристики молниезащитных зон (МЗЗ) приведены в таблице 4. Устройства защиты от импульсных перенапряжений, в зависимости от места установки и предназначения, подразделяются на разрядники тока молнии, ограничители перенапряжений и комбинированные УЗИП.

Наиболее жесткие требования предъявляются УЗИП класса 1 и комбинированным УЗИП, устанавливаемым на границах МЗЗ 0Д и 1 и 0А и 2, соответственно.

Такие УЗИП должны неоднократно отводить частичные токи молний (с формой волны 10/350 мкс) и тем самым предотвращать воздействие этих токов на оборудование. На границах МЗЗ 0В и 1 или 1 и 2, а также последующих зон, устанавливаются ограничители перенапряжений (УЗИП класса 2 или 3). Их назначение - последующее ослабление энергии электромагнитного поля по сравнению с предыдущими зонами и ограничение возникающих импульсных перенапряжений.

Таблица 6. Определение молниезащитных зон

Молниезащитная зона Описание

МЗЗ Од Возможны прямые разряды молний с максимальной амплитудой и энергией электромагнитного поля. В проводящих частях могут протекать полные токи молнии.

МЗЗ 0В Обеспечена защита от прямых ударов молнии. Возможны воздействия частичных токов молнии и полной энергии электромагнитного поля.

МЗЗ 1 Импульсные токи ограничены за счет растекания и применения УЗИП класса на границах зон. Электромагнитное поле подавляется в основном за счет пространственного экрана.

МЗЗ 2 Импульсные токи еще более ограничены по сравнению с МЗЗ 1, за счет применения УЗИП последующих ступеней на границах зон. Электромагнитное поле молнии подавляется дополнительными экранами.

Описанные выше меры по молниезащите и защите от импульсных перенапряжений касаются как систем электроснабжения, так и информационно-технических систем.

Применение зонной концепции молниезащиты существенно повышает надежность и долговечность систем современной инфраструктуры.

Для гарантированной защиты объекта от перенапряжений, возникающих при стекании токов молнии на заземляющее устройство или при «приходе» волны перенапряжения по питающей сети (в случае далекого удара молнии), зонной концепцией защиты предусмотрена как минимум трехступенчатая схема включения защитных устройств.

Схема подключения защитных устройств, для наиболее часто применяемых сетей типа TN-C-S, приведена на Рис. 3. УЗИП классов I и II включаются между токоведущими проводниками (LI, L2, L3, N) и нулевым защитным проводником (РЕ) для ограничения симметричных перенапряжений (провод-земля). УЗИП класса III могут включаться или по той же схеме, что и УЗИП классов I и II, или по схеме, обведенной пунктирной линией, для ограничения несимметричных перенапряжений (провод - провод).

Вводный шит Распределительный шнг Потребитель

Выбор типа защитных устройств производится следующим образом.

1) В качестве первой ступени защиты рекомендуется устанавливать варисторные ограничители перенапряжения или разрядники, способные пропускать через себя импульсные токи формы 10/350 мкс с амплитудным значением 10-25 кА и также обеспечивающие уровень защиты (ир) менее 4 кВ.

2) В качестве второй ступени защиты используются модули с максимальным импульсным током 20-40 кА формы 8/20 мкс и уровнем защиты (Ир) менее 2,5 кВ.

3) В качестве третьей ступени защиты используются модули с максимальным импульсным током 6-10 кА формы 8/20 мкс и уровнем защиты (Ир) менее 1,5 кВ. Могут применяться комбинированные устройства, включающие в себя дополнительно помехозаградительный фильтр на полосу частот в диапазоне 0,15-30 МГц.

4) Учитывая что вводы защищаемых цепей расположены в непосредственной близости от защищаемых технических средств, необходимо применять УЗИЛ с совмещенными классами защиты 1 и 2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации были подробно рассмотрены вопросы, связанные с возникновением и распространением импульсных напряжений в системах электроснабжения газотранспортных предприятий, а также применением на них концепции зонной защиты оборудования от импульсных напряжений. Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Анализ научно-технической литературы по моделированию молниевых разрядов и нормативной документации позволил выбрать модель молниевого разряда, актуальную для проведения обследований ЭМО на газотранспортных предприятиях.

2. На основании теоретических исследований определены основные воздействия вторичных проявлений молниевых разрядов на электрооборудование систем электроснабжения компрессорных станций газотранспортных предприятий.

3. Проведенные расчеты рисков для производственных объектов газоперекачивающих станций показали, что риски причинения ущерба от вторичных воздействий молнии существенно выше риска ущерба от прямого удара молнии.

4. Определяющим элементом риска для ущербов от прямого удара и вторичных проявлений молнии является элемент относящийся к повреждению внутренних систем, возникающему в результате перенапряжений, индуцированных на входящих линиях электропередачи и передаваемых зданию. Данный факт обосновывает недостаточность защиты оборудования КС от грозовых разрядов и необходимость создания комплексной защиты от перенапряжений на КС.

5. Обоснована возможность применения упрощенных расчетных таблиц оценки риска (БЖАС) для расчета рисков поражения молнией производственных объектов газотранспортных предприятий.

6. Проведен анализ и классификация основных методов и средств защиты чувствительного электрического и электронного низковольтного оборудования систем электроснабжения от

импульсных напряжений, широко применяющегося в мировой практике.

7. Предложена зонная концепция молниезащиты и показана необходимость и целесообразность ее применения на газотранспортных предприятиях для защиты электрооборудования компрессорных станций.

8. Разработаны рекомендации по методике монтажа устройств защиты от импульсных перенапряжений в системах электроснабжения газотранспортных предприятий.

; Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тюпанов И.Ю. Необходимость установки устройств защиты от импульсных перенапряжений в цепях питания электронного оборудования компрессорных станций // Электрооборудование эксплуатация и ремонт, №3; 2012.с - 12-15.

2. Тюпанов И.Ю. Методика определения напряжений возникающих на заземляющих проводниках при воздействии импульсных электромагнитных помех // Электрооборудование эксплуатация и ремонт, №2; 2012.С - 53-57.

3. Хевсуриани И.М., Буре И.Г., Тюпанов И.Ю. Вторичные воздействия молниевых разрядов на электрооборудование компрессорных станций // Электрооборудование эксплуатация и ремонт, №7; 2011.С - 20-24.

4. Тюпанов И.Ю. Недостатки современных методов диагностики электромагнитной совместимости // Тезисы докладов 17-ой международной науч.-техн. конференции студ. и аспир. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, том 3. -М.: Изд. дом МЭИ, 2011.с - 449-450.

5. Тюпанов И.Ю. Особенности диагностики электромагнитной обстановки на подземных хранилищах газа // Тезисы докладов 16-ой международной науч.-техн. конференции студ. и аспир. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, том 3. -М.: Изд. дом МЭИ, 2010, 377-378.

6. Тюпанов И.Ю. Обеспечение требований электромагнитной совместимости на компрессорных станциях // Тезисы докладов 15-ой международной науч.-техн. конференции студ. и аспир. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, том 3. - М.:Изд. дом МЭИ,2009.с - 351-352.

7. Тюпанов И.Ю. Применение зонной концепции для защиты от грозовых перенапряжений электрооборудования объектов подземного хранения газа // Тезисы докладов 9-ой Всероссийской конференции молодых уч., спец. и студ. Новые технологии в газовой промышленности, секция проектирование, сооружение и эксплуатация систем транспорта и хранения газа. - М.: Изд. центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011.с - 50.

8. Тюпанов И.Ю. Диагностика компрессорных станций на соответствие требованиям электромагнитной совместимости // Материалы докладов 4-ой

международной научной конференции Тинчуринские чтения. - Казань: Издательство КГЭУ, 2009. с-217-218.

9. Тюпанов И.Ю. Диагностика электромагнитной обстановки на компрессорных станциях предприятий газовой промышленности // Тезисы докладов международной научно-технической конференции. Проблемы электротехники, электроэнергетики и элекгротехнологии. - Тольятти: 2009.С -63-66.

10. Тюпанов И.Ю., Хевсуриани И.М. Анализ современного состояния защиты от перенапряжений в сетях низкого напряжения // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием Федоровские чтения. - М.:Изд. дом МЭИ,2010.с -105.

11. Тюпанов И.Ю. Особенности оценки электромагнитной обстановки на подземных хранилищах газа // Материалы докладов 5-ой международной научной конференции Тинчуринские чтения. - Казань: Издательство КГЭУ, 2010.С- 131-132.

12. Тюпанов И.Ю. Вторичные воздействия молниевых разрядов на электрическое и электронное оборудование компрессорных станций // Сборник трудов 8-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Информационные технологии, энергетика и экономика. Том 2. -Смоленск: 2011.с- 80-85.

13. Хевсуриани И.М., Буре И.Г., Тюпанов И.Ю. Методики оценки вторичного воздействия молниевых разрядов на электрооборудование, применяемые для диагностики компрессорных станций // Материалы I межвузовской научно-практической конференции Автоматизированные информационные и электроэнергетические системы. - Краснодар: Изд. Дом-Юг, 2010. с - 67-71.

Подписано в печать тир. W0 п.л.

Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул.,д.13

«

i