автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Влияние электромагнитных помех на параметры заземляющих устройств в электроэнергетических системах



На правах рукописи

Кислицин Евгений Юрьевич

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ НА ПАРАМЕТРЫ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

□03452В51

Специальность: 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

' 4 г- г. -7 21[3

Новосибирск - 2008

003452651

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Алаев Евгений Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Манусов Вадим Зиновьевич

кандидат технических наук, доцент Ляпин Виктор Григорьевич

Ведущая организация: ЗАО Сибирский проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт по проектированию энергетических систем и электрических сетей «Снбэнергосеть проект»

Защита состоится " 2 " декабря 2008 г. в 14-00 час. (ауд. 227) на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, НГАВТ (тел/факс-383-222-49-76).

E-mail:ngavt@ngs.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирской государственной академии водного транспорта

Автореферат разослан « 30 » октября 2008г.

Учёный секретарь

диссертационного совета ^с&ипггл&Ау Малышева Е.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Основное количество электроустановок страны построено в прошлом веке, когда широко использовалось достаточно надёжное электромеханическое оборудование. Как показала многолетняя эксплуатация, это оборудование менее чувствительно к электромагнитным помехам (ЭМП).

В настоящее время активно внедряются программно-технические комплексы автоматизированные системы управления технологических процессов (АСУ ТП), автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) [9] и микропроцессорные устройства. Они могут надёжно функционировать только в благоприятной электромагнитной обстановке (ЭМО), то есть должна быть обеспечена электромагнитная совместимость (ЭМС). Проблема электромагнитной совместимости возникает в связи с тем, что все звенья электроустановки находятся в электрической или электромагнитной связи. Имеют место различные пути электромагнитных влияний на электронную цифровую аппаратуру: гальваническая (металлическая), ёмкостная и магнитная (индуктивная) связи.

Как отмечается в исследованиях В.П.Горелова, М.В. Матвеева, Е.В.Ивановой, В.Х. Ишкина, М.В. Солнцева, В.Г.Сальникова и др., электронная техника весьма требовательна к электромагнитной обстановке: к уровню электромагнитных полей, импульсных помех, качеству питания и заземления. Авторы отмечают, что на объектах, например, Амурэнерго, Бурятэнерго, Читаэнерго и энергообъектах Казахстана опасные влияния выявлены на большинстве электроустановок (80%). Большая часть проблем связана с молниезащитой (40% объектов); потенциалами на заземляющих устройствах (ЗУ) при коротких замыканиях в высоковольтной сети (35-40)%; неудовлетворительным состоянием связей в пределах ЗУ (более 30% объектов).

Исследователями Сибирского НИИ Энергетики на подстанциях 1150 кВ «Кокчетавская», 500 кВ «Амурская», 500 кВ «Заря» и др. установлено, что при коммутациях высоковольтного оборудования и коротких замыканиях индуктивные электромагнитные помехи, возникающие во вторичных цепях за счет потенциалов, поступающих из цепи питания п мест заземления, являются доминирующими при воздействии на цифровую технику.

Обязательным условием использования любой цифровой техники является её сертификация по электромагнитной совместимости и электробезопасности согласно действующим стандартам: ГОСТ Р 508 39-95; ГОСТ Р 50628-93 и ГОСТ Р 50377-92. Знание ЭМО необходимо для того,

чтобы сформулировать рекомендации для обеспечения надёжной работы цифровых устройств.

Реконструкция подстанций, проводимая в настоящее время, должна в обязательном порядке предусматривать обследование технического состояния ЗУ и их приведение в соответствие с техническими требованиями, как важнейшего фактора ЭМО. В то же время на всех этапах создания и реконструкции АСУ ТП от обследования, проектирования до реализации и её эксплуатации указанная проблема остаётся вне поля зрения специалистов и является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка методики оценки влияния электромагнитных помех на параметры заземляющих устройств в электроэнергетических системах: потенциалы на металле и напряжение прикосновения.

Для достижения этой цели в работе были определены основные задачи исследований:

- обосновать и разработать способ расчёта параметров заземляющих устройств с числом элементов более 1000;

- исследовать влияние искажающих факторов на точность определения потенциалов на металле и на напряжение прикосновения;

- провести анализ влияния схем измерения на значения параметров заземляющих устройств;

- разработать рекомендации по проектированию с учетом влияния электромагнитных помех на параметры заземляющих устройств;

- разработать методику по выравниванию потенциалов на заземляющих устройствах электроустановок с целью улучшения электромагнитной обстановки;

- определить техническое состояние эксплуатируемых заземляющих устройств;

- оценить электромагнитную обстановку на электрических подстанциях.

Методы исследования.

При выполнении исследований использовались методы интегрального исчисления, методы теории матриц, методы математического и физического моделирования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: выбранными методами исследований и средствами измерений, общепринятыми уровнями допущешш при

математическом описании явлений; а также обоснованностью исходных посылок.

Научная повита работы.

1 Разработан метод итерационного расчёта параметров заземляющих устройств с числом элементов больше 1000 (потенциалов на металле и напряжение прикосновения).

2 Исследовано влияние на потенциалы на металле стальных искусственных заземлителей и на напряжение прикосновения («до прикосновения») основных факторов, влияющих на электромагнитную обстановку.

3 Установлено существенное влияние на потенциалы на металле и напряжение прикосновения: эквипотенциальности, частоты вводимого тока, нелинейности внутреннего продольного сопротивления искусственных заземлителей, измерительной схемы.

4 Разработан метод по выравниванию потенциалов на заземляющих устройствах электроустановок с целью улучшения электромагнитной обстановки.

Практическая ценность результатов работы.

Разработанные методы расчётов параметров заземляющих устройств с учётом влияния электромагнитных помех могут быть использованы: при проектировании электроустановок, в процессе реконструкции подстанций и при внедрении цифровой техники, а также в учебном процессе.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Рекомендации по оценке технического состояния заземляющего устройства были использованы при диагностике заземлителей и оценке электромагнитной совместимости счётчиков электрической энергии типа «СЭТ», «Меркурий», «Ф 687008» на подстанции 110 кВ «Амурская» (Ом-скэнерго), на подстанции 220 кВ «Северный Маганак» (Кузбасского ПМЭС Сибири).

Объектами исследования являются заземляющие устройства подстанций электроэнергетических систем.

Предметом исследования являются параметры заземляющих устройств (потенциалы на стальных искусственных заземлителях и напряжение прикосновения).

Работа проводилась в соответствии с планом НИР по программе: «Энергоэффективная экономика» на 2002-2005г. и на перспективу до 2010г., утверждённой постановлением правительства РФ N 796 в ноябре 2001г.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в расчётах и проведении экспериментальных исследований и составляет не менее 50%.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на международных, всероссийских и региональных конференциях:

• 2-ой Международной научно-технической конференции "Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт", (г. Тобольск, 2004г).

• 3-ей Международной научно-технической конференции "Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт", (г. Омск, 2007г).

• 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика, экология, надёжность, безопасность», г. Томск, 2001 г.

• 9-ой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика, экология, надёжность, безопасность», г. Томск, 2003 г.

• Научно-технических конференциях в ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (2001-2008г.г.).

Публикации. Результаты исследований нашли отражение в 20-и научных трудах: 5 статьях в журналах рекомендованных ВАК; 8 статьях; 3 учебных изданиях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объём 150 е., в том числе 15 рисунков, 41 таблиц, 80 источников.

Основное содержание работы

В первой главе проведён анализ наводимых напряжений на кабельных линиях и электронном оборудовании АСУ ТП подстанций, а также рекомендуемых мер защиты по литературным данным.

В вопросах теории и практики оценки ЭМО и ЭМС, а также измерении и расчёте параметров заземляющих устройств большой вклад внесли Алаев Е.Г., Горелов В.П., Дёмин Ю.В., Дьяков А.Ф., Иванова Е.В., Костин М.К., Колечицкий Е.С., Лутидзе Ш.И., Манусов В.З., Матвеев М.В., Сальников В.Г., ЦелебровскийЮ.В., Шваб А.И., Якобе А.И.

Анализ причин помех и рекомендуемых мер защиты показал, что для повышения надёжности работы цифровой техники необходимо «одноточечное» заземление оборудования - «спецзаземление».

Следовательно, главное назначение «спецзаземления» заключается в выравнивании потенциалов на шинах всех опорных узлов с присоединенной к ним цифровой аппаратуры. Авторы Е.С. Колечицкий, М.В. Матвеев и др. не акцентируют своё внимание к вопросу надёжности работы заземляющего устройства (ЗУ) электроустановки, особенно в зоне одноточечного подключения. При этом не учитывается возможная коррозия элементов ЗУ [5,6], которая, как показывает практика, приводит к обрывам связи и усложнению ЭМО. Отмечается, что всегда наблюдаются параллельные (неконтролируемые) заземления.

Таким образом, необходимо детально исследовать «неэквипотен-циальность» ЗУ и её влияние на ЭМО. При этом следует подчеркнуть, что максимальная «неэквипотенциальность» наблюдается при минимальном удельном сопротивлении грунта (р и 10 Ом м), но при этом отмечается и максимальная коррозия. Это подтверждается анализом эксплуатации на территории СНГ состояния ЗУ и его влияния на распределение потенциалов.

В исследованиях М.В. Матвеева. В.Х. Ишкина, М.В. Солнцева отмечается, что перепад потенциалов между различными точками, например, для ЗУ ПС 500 кВ при пересчёте на реальные токи КЗ может достигнуть 5 кВ. Для больших ЗУ с ростом частоты токов «неэквипотенциаль-ность» может приближаться к 100%.

В Российской Федерации наблюдается тенденция к более полной оценке и учёту электромагнитной совместимости оборудования электроэнергетических систем. Однако, имеющиеся в литературе данные разрознены и противоречивы.

В связи с изложенным, необходимо было выполнить следующий комплекс исследований:

1 Разработать методику расчёта параметров заземляющих устройств, позволяющую на порядок увеличить число участвующих в расчёте элементов ЗУ.

2 Разработать методику расчёта потенциалов на металле стальных искусственных заземлителей и напряжений «до прикосновения» с учётом влияния помех (влияние неэквипотенциальности ЗУ, влияние нелинейности внутреннего продольного сопротивления и влияние частоты вводимого в ЗУ тока).

3 Проанализировать влияние схем измерения на значения параметров ЗУ: потенциалов на металле и на напряжения «до прикосновения».

4 Разработать метод по выравниванию потенциала на заземляющих устройствах для улучшения электромагнитной обстановки в зоне расположения помещений с электронной аппаратурой.

5 Рассчитать реальные заземляющие устройства, определить техническое состояние эксплуатируемых ЗУ различных классов напряжений и оценить электромагнитную совместимость.

Анализ состояния проблемы позволил сформулировать цели и задачи исследований.

Вторая глава содержит разработку методики расчёта параметров ЗУ: потенциалов на металле стальных искусственных заземлителей и напряжения «до прикосновения». Расчёт этих параметров необходим и для оценки влияния на электромагнитную обстановку.

Воздействие искажающих факторов на параметры ЗУ проанализировано с помощью программы «Поток» Сибирского научно-исследовательского института энергетики (СибНИИЭ). Расчёты с учётом магнитного влияния токовой линии, например, ВЛ, выполнялись с помощью программы «ВЛЗУ» СибНИИЭ.

Результаты расчёта потенциалов на металле и напряжений «до прикосновения» с учётом влияния токового электрода приведены в таблице 1. В таблице (1, п.4) напряжение «до прикосновения» получилось отрицательным, что лишено физического смысла. Предложено вместо потенциала на поверхности металла брать потенциал грунта в непосредственной близости от поверхности металла.

Как показал анализ, расчёты напряжений «до прикосновения» вблизи узлов ячейки дают явно заниженные значения, а вблизи середины -завышенные. Причины этого кроются в методических погрешностях расчётной модели.

С целью повышения точности расчёта предложено использовать три варианта расчёта.

1 вариант

Рассчитывают три значения напряжения «до прикосновения» для искусственных заземлителей вблизи концевых узлов и около середины. Далее осредняют полученные значения (начало + середина) и (середина + конец).

2 вариант

Рассчитывают потенциал на поверхности грунта (иг) и в ближайшей точке от поверхности искусственного заземлителя, затем определяют их разность.

3 вариант однократного интегрирования

Определение поперечных сопротивлений элементов заземлющего устройства выполняется с помощью однократного интегрирования по длине элемента на начальный и конечный узлы - с последующим осреднением. В этом случае расчёты изу и иг выполняются идентично, что позволи-

ло снизить погрешность до 10%. Предложенный способ расчёта даёт приемлемую точность для ограниченного числа рассчитываемых элементов ЗУ (обычно закладывается в расчёт не более (100-200) элементов, хотя фактически их величина на крупных подстанциях достигает несколько тысяч).

Предложен переход на расчёты параметров ЗУ с помощью итерационных методов решения, позволяющих увеличить число участвующих в работе элементов ЗУ до нескольких тысяч.

Таблица 1 - Расчёт потенциалов на металле и напряжений «до прикосновения» с учётом расстояния до токового электрода.

Потен- Потен- Потен- Разность

циал В, циал В, на циал потен-

на поверх- поверхности грунта идп, В на повер- циалов Ш.З- При-

Вид расчета ности (вблизи (Ш-игр) хности ип.5, мечание

металла точки N1 п.2 п.3 грунта, В.

(точка на метал- В.

N1) ле) (точка N2)

Без учёта влияния токового электро- 0,510 0,530 -0,020 0,493 0,037 ЗУ эквивале-

да (ТЭ) нтно

Сумётом 100 м 0,342 0,362 -0,020 0,258 0,104 °Д04~з 0,037

влияния ТЭ, разнос Увеличение в 3 раза

С учётом 200 м 0,429 0,443 -0,020 0,401 0,048 Увеличение

влияния к 0,037

ТЭ, на 23%

разнос

Примечание: 1. Расчётный ток принят 1 А.

2. Расчётная модель заземлителя:

Решётка: 100x100м2

Ячейка: 25x25 м2

Удельное сопротивление грунта: 100 Ом.м Глубина решётки: 0,5 м

Диаметр заземлителя : 4 см.

Эквипотенциальное ЗУ

Расчёт эквипотенциального ЗУ сводится к решению системы уравнений

1к;;[|х||Т;|| = ип

N j=l

(1)

О'

где 11ц - собственные и взаимные сопротивления растеканию;

I - стекающие с элементов (поперечные токи);

1о - ток, вводимый в заземлитель;

Ио - общий потенциал заземлителя.

На первом шаге итерации токи с элементов принимаются равными I® = 10 /И, затем подсчитывается среднее значение потенциала

и?>4£и?> (2)

Далее находятся разности потенщтлов (и'1-1 -и^)» в соответствии с которыми корректируются значения токов

А1Р> = 0,5(иР>-и^)/Кн. <3>

После этого проводятся следующие циклы итераций до тех пор, пока величина потенциалов на каждом элементе И|Р) не совпадёт с их средним значением и[,Р) = ио с заданной точностью. Как показали расчёты, число итераций для 1250 элементов не превышает 10. Определив величины стекающих с элементов токов, рассчитывают напряжения «до прикосновения».

Неэквипотенциальное ЗУ

При расчёте неэквивалентного ЗУ решается следующая система уравнений

№

I;

= ц

N _ ]=1

где и, = (и,н + и,к)/2, и[Н) и потеншшлов в начальном и ко-

нечном узле ¡- го- элемента;

I, = I" 1(Н) и продольные токи в начале и в конце ¡-го элемента.

Затем вводится вторая система уравнений, связывающая падение напряжений II, с продольными сопротивлениями и токами.

Пренебрегая индуктивными связями между элементами ЗУ, находят сопротивления

КНЫНИ, (5)

где Ъи - суммарное продольное сопротивление ¡-го элемента;

=(11н+11к)/2, и, =и,(Н)-и1к.

Для совместного решения системы уравнений (4) и (5) используется метод узловых потенциалов.

При итерационном способе расчёта для п -го узла формула (5) примет вид

и^)хХ(С1+ё1/4)-Х(С1-ё/4)хи1=10, (6)

1=1 1=1

где в! - суммарная продольная проводимость ¡-го элемента, примыкающего к п - му узлу;

& - поперечная проводимость \ - го элемента;

и, - потенциал на противоположном конце от п -го узла этого элемента;

1 - ое число примыкающих элементов (не более 4-х).

Положив на первом итерационном цикле и, =и0 (т.е. как на эквипотенциальном ЗУ), получим первое приближение для значения входного потенциала ЗУ

1о+иох£(0,-ё,/4)

ц») __ы__у >

1(0, +8, /4)

1=1

Далее определяются потенциалы на противоположных от п -го узла концах 1 -ых элементов по уравнению

и(„1)х(0,-8,/4) + и0хХ(0;-8/4) и«) =_Е!__( '

1=1

где Gj и gj - продольные и поперечные проводимости для примыкающих к ¿к - му узлу j - ых элементов;

в; и g1 - продольные и поперечные проводимости для 1-ых элементов, примыкающих к п - му узлу.

Предлагаемая итерационная модель проверялась на решётчатом ЗУ площадью 5 = 100 x100 м2, с ячейками Бо = 25 х 25 лг (10- 1А; Ьэ= 25м; гэ =2 см; Нэ = 50 см). Данные таблицы 2 свидетельствуют о достаточно высокой сходимости результатов аналитических и итерационных расчётов.

Таблица 2 - Значения стекающих токов ЦтА] для эквипотенциальной (рг = 100 Омм) и узловых потенциалов ит{тВ] для неэквипотенциальной (рг = 10 Ом-м) расчётных моделей.

Эквипотенциальная расчётная модель Неэквипотенциальная расчётная модель

токи аналитическое решение итерационное потенциалы аналитическое решение итерационное

I; 17,11 17,09 и, 58,55 58,51

2 18,31 18,37 и2 52,58 52,70

21,62 21,65 и3 51,10 51,26

4 22,76 22,79 и4 50,61 50,79

5 29,59 29,47 и5 50,12 50,30

34,97 34,82 и6 49,70 49,87

В третье главе проанализировано влияние помех на значения параметров ЗУ: потенциалов на металле (им) и напряжения «до прикосновения» (идп), позволяющих оценить эквипотенциальность ЗУ и, следовательно, влияние на электромагнитную обстановку на объекте. Исследовано влияние на им и идп ряда искажающих факторов:

- влияние частоты тока;

- влияние неэквипотенциальности ЗУ;

- магнитное влияние токовой линии;

- влияние нелинейности внутреннего продольного сопротивления

стальных искусственных заземлителей;

- влияние измерительной схемы (расположения токового и потенциального электродов).

Точность расчётов оценивалась сравнением теоретических и экспериментальных исследований ЗУ. Расхождения между ними не превышали 10%.

В результате исследований получено:

1 Подтверждено значительное влияние схемы измерения на значения потенциалов на металле, в грунте и на напряжение «до прикосновения» (таблицы 1 и 3). Выявлено, что при минимальном разносе токового электрода (АВ/Ь=1) наблюдается «занижение» значений им на 30%; иг -на 50% и идп на (60-80)%. Для снижения погрешности измерений предложены формулы нахождения «0» для размещения в этой точке потенциального электрода:

при (ЛВ/Ь)>2, АВ0=(АВ)/2 ;

(9)

при(АВ/Ь)<2,АО0=(АВ/2 + Ш2)- У

(10)

Таблица 3 - Влияние схемы измерения на «занижение» значений потенциалов на металле (и„е), в грунте иг и напряжение «до прикосновения» (Ида).

Вид заземляющего устройства (ЗУ) Эквипотенциальное ЗУ

(рг = 100 Ом-м) Ь

V_у

/-1

|А Бо В

щэ"1э

Решётка 100x100 м2

Соотношение

АВ

АВ

АВ

= 2

= 3

им, %

30

15

10

иг, %

50

20

15

С помощью программы «ПОТОК» (СибНИИЭ) исследовалось влияние частоты вводимого тока при внешнем КЗ.

Установлено, что использование частоты/= 180 Гц в измерительном приборе (ПИНП) по отношению к / = 50 Гц приводит для неэквипотенциальных заземлителей к завышению напряжения «до прикосновения» в области ввода тока на (22-47)%. Для эквипотенциальных заземлителей измерение на частоте/= 180 Гц даёт отклонение от/= 50 Гц всего 3%.

При использовании частоты 180 Гц (прибор ПИНП) для неэквипотенциальных заземлителей (р = 10 Омм) с учётом третьей степени интенсивности электромагнитных возмущений (ЭМВ) по ГОСТ Р 51317.2.5 -2000 г. её допустимая величина не должна превышать 10 В; при пересчёте на реальный ток КЗ., например, 5 кА, величина ЭМВ превышает нормируемое значение в 36 раз.

Исследовано магнитное влияние токовой линии и нелинейности внутреннего продольного сопротивления на потенциалы на металле и напряжение «до прикосновения».

Максимальное значение потенциалов на металле наблюдается в месте ввода тока. К периферии - понижение потенциала на металле (2,5% для эквипотенциальных ЗУ; 29,3% - для неэквипотенциальных). Максимальное значение напряжения «до прикосновения» отмечается на периферии (увеличение на (15-20)% - для эквипотенциальных, уменьшение в 1,5 раза - для неэквипотенциальных) (таблица 4).

Нелинейность внутреннего продольного сопротивления оказывает максимальное влияние для неэквипотенциальных заземлителей в области ввода тока. Так, для тока 200 А наблюдается увеличение идп в 2,5 раза, а для UM имеет место увеличение на 20-30% (по сравнению к току 1 А и 5 кА).

При вводе тока 1А в модель эквипотенциального заземляющего устройства потенциал в месте ввода тока составляет 337 мВ, что превышает нормируемое значение потенциала на ЗУ (90 мВ). В случае неэквипотенциального ЗУ (р = 10 Ом-м) потенциал в месте ввода тока составляет 41,2 мВ и не превышает нормы.

Оценено влияние эквипотенциальности заземляющего устройства на электромагнитную обстановку.

Таблица 4 - Расчёт влияния искажающих факторов на точность определения потенциалов (мВ) на металле стальных искусственных заземлителей И U„n

Эквипотенциальное ЗУ (р= 100 Омм)

N Максимальное Магнитное влия- Влияние нелинейности внут-

точек 'значение ние токовой линии (ВЛ) реннего сопротивления

им Ццопр им Що пр Ток им Щоир

220А 347 9,41

1 311 26,9 310 26,6 1А 337 5,88

5кА 338 5,89

200А 328 19,8

2 304 34,8 307 35,3 1А 328 19,8

5кА 328 19,8

200А 327 49,2

3 303 31,8 306 32,2 1А 327 49,3

5кА 326 48,9

При- Пони- Повы- Практи- Повы- Прак- Увели-

ме- жен. к шен. к чески нет шен. тически чение в

чание периферии на 2,5% периферии на 2,5% влияния к периферии на 24,6% нет влияния месте ввода тока (т.1) на 37,5% к току 200А

Неэквипотенциальное ЗУ (р=Ю Ом м)

N Максимальное зна- Магнитное влия- Влияние нелинейности

точек чение ние токовой линии (ВЛ) внутреннего сопротивления

им Що пр Им Идо пр Ток Им Щоир

220А 51,8 4,6

1 35,5 4,52 34,6 4,29 1А 41,2 1,84

5кА 43,2 1,85

200А 32,1 Осталь-

2 25,9 3,27 30,3 4,06 1А 32,3 ные

5кА 32,6 точки

200А 31,4 нет

3 25,1 2,91 28,7 1А 31,6 влияния

5кА 31,9

При- Пони- Понижен. Увели- Увели- Увели-

меча- жен. к к пери- чение чение в чение в

ние пери- ферии в под ВЛ месте месте

ферии 1,5 раза на ввода ввода

на 14,5% тока 20- тока в

29,3% 30% к току 200А 14,5% 2,5 раза для тока 200А

Решётка: 8=(150х150)м2;

Ячейки 24x25 м;

Число ячеек 6x6;

Узлов: 7x7;

Длина элемента 25м Диаметр элемента 4см

Глубина 0,5м

ВЛ I

N2

N1

• Эквипотенциальные заземляющие устройства электроустановок [удельное сопротивление грунта рг = 100 Ом-м и более; отличие потенциала в месте ввода тока и на периферии не более (5-10)%, что объясняется хорошей проводимостью металла и выравниванием потенциала по металлу (ухудшением электромагнитной обстановки можно пренебречь при всех видах помех).

• Следует учитывать ухудшение электромагнитной обстановки при воздействии напряжения «до прикосновения», так как во всех случаях наблюдается его увеличение на (20-40)%.

• Неэквипотенциальные заземляющие устройства электроустановок (Удельное сопротивление грунта минимальное, например, 10 Ом-м; средняя неэквипотснциальность - 30%; сильная (40-50)%.

• Отмечается ухудшение электромагнитной обстановки, так как наблюдается перепад потенциала по металлу на (15-30)%.

• Следует учитывать существенное ухудшение электромагнитной обстановки при воздействии напряжения «до прикосновения», так как наблюдаются его изменения в (1,5-2,5) раза.

С целью выравнивания потенциала на заземляющем устройстве и улучшения электромагнитной обстановки в зоне расположения зданий с электронной аппаратурой в работе предложено использовать покрытия из электропроводного бетона (бетэла) [1,2,10-12].

Этот способ улучшения электромагнитной обстановки предлагается как альтернатива стандарту МЭК 61024, в котором предлагается укладывать дополнительную медную сетку с мелкими ячейками.

В Российской Федерации разработаны составы бетэла с высокой электропроводностью и достаточной прочностью [3,4,20]. В работе оценено выравнивание потенциала на заземляющем устройстве, на поверхности грунта которого уложен бетэл различных составов.

Расчёты по выравниванию потенциала на поверхности грунта проведены в сравнении с выравниванием потенциала с помощью стального листа. Результаты расчётов (рисунок 1) показывают, что бетэл с удельным электрическим сопротивлением до 0,49 Омм и прочностью на сжатие до 20 МПа дают практически эквипотенциальное покрытие на расстоянии до 100 м от места ввода тока и, следовательно, полное выравнивание потенциала.

X, м

Рисунок 1 - Выравнивание потенциалов на заземляющем устройстве с помощью бетэла:

1 - сталь, р = 0,135 Оммм2/м;

2 - бетэл, р = 0,16 Ом-мм2/м; прочность на сжатие - 14 МПа;

3 - бетэл, р = 34 Оммм2/м; прочность на сжатие - 16,4 МПа;

4 - бетэл; р = 0,49 Ом-мм2/м; прочность на сжатие - 20 МПа;

5 - бетэл, р = 0,9 Ом-мм2/м; прочность на сжатие - 32,6 МПа.

Использование бетэла для выравнивания потенциала на заземляющем устройстве в зоне помещений с цифровой техникой устраняет влияние параллельных (неконтролируемых) цепей заземления и, тем самым, улучшает электромагнитную обстановку.

В четвёртой главе приведены результаты расчётов заземляющих устройств, определено их техническое состояние на эксплуатируемых объектах и экспериментально оценена электромагнитная обстановка.

Выполнены расчёты заземляющего устройства подстанции 1150 кВ «Кокчетавская». ЗУ ОРУ-1150 кВ подстанции моделировалось горизонтальной решёткой площадью S = (600 х 400) м2, с ячейками So = 20 х 20 м2. Общее количество рассчитываемых элементов 1250 шт при суммарной длине Ly = 25000 м. Грунт был представлен двухслойной моделью: р! = 130 Ом-м, hi = 0,52 м; р2 = 1850 Омм, h2 = °о.

Оценивались параметры ЗУ и их термическая устойчивость. Получены следующие результаты:

Ограничивая предельно допустимые значения напряжения «до прикосновения» при работе высоковольтного оборудования в неполнофаз-ном режиме величиной и™рм =36 В, получили для ПС - 1150 кВ «Кокчетавская» предельно допустимые токи, стекающие с ЗУ, в размере 1™Щ«550А. По термической устойчивости ЗУ подстанции «Кокчетавская» токи, стекающие с заземлителя, не должны превышать 650 А •

Выполнено обследование технического состояния ЗУ ПС 220 кВ «Северный Маганак» Кузбасского ПМЭС Сибири.

На основании результатов измерений составлен «Исполнительный чертёж заземляющего устройства ПС» включающий ОРУ 220 кВ, ОРУ 110 кВ, ОРУ 35 кВ.

Выявлено отсутствие связи по заземлителям между зданием ОПУ и ОРУ 220 кВ, камерой задвижек и ОРУ 220 кВ, что негативно сказывается на работе установленной в ГШУ аппаратуре РЗ и А. Не установлены связи по заземлителям между зданием, камерой задвижек и ОРУ-220 кВ.

Имеет место недостаточное количество заземлителей для связи между ОРУ 220 кВ, ОРУ 110 кВ. ОРУ 35 кВ; продольных заземлителей на всей площади ОРУ 35 кВ; продольных и поперечных заземлителей на всей площади ОРУ 220 кВ и ОРУ 110 кВ; связей по заземлителям между мол-ниеприемниками и ОРУ всех классов напряжения.

Нет связи: по заземлителям между ОРУ 110 кВ и МСВ 1-3 и ТН-110 №3 и Р-110 №3; между металлическими опорами на территории ОРУ 110 кВ и порталами на территории ОРУ 220 кВ; между группами разъеди-

ннтелей на территории ОРУ 220 кВ; по заземлителям между ОРУ 110 кВ и емкостью с жидкостью для пожаротушения.

Для ОРУ 220 кВ горизонтальная сетка ЗУ не является замкнутой. Практически все группы БСК соединены между собой отдельными зазем-лителями и не имеют связи с общим контуром ЗУ ОРУ 220 кВ. Значительная часть оборудования соединена между собой последовательно. Связь с ОРУ 110 кВ и ОРУ 35 кВ имеет только АТ-5, а дальнейшее соединение оборудования выполнено последовательно. Таким образом, все оборудование не имеет достаточно хороших металлосвязей между собой, и, при этом, практически не обеспечивается стекание тока с ЗУ в землю.

Для ОРУ 110 кВ горизонтальная сетка ЗУ не является замкнутой. Существует ряд продольных заземлителей соединенных между собой, к которым и присоединено практически все оборудование ОРУ 110 кВ. Значительная часть оборудования соединена между собой последовательно. Практически все выключатели присоединены к заземлотелю проложенному в кабельном лотке. Таким образом, все оборудование имеет достаточно хорошие металлосвязи между собой, но при этом практически не обеспечивается стекание тока с ЗУ в землю. Данное обстоятельство способствует повышению потенциала на ЗУ.

Для ОРУ 35 кВ контур является замкнутым, имеется несколько отдельных магистральных заземлителей к которым присоединено все оборудование и порталы.

Необходимо расположенные на поверхности горизонтальные за-землители заглубить не менее, чем на 0,15 м согласно ПУЭ п. 1.7.105.

При восстановлении контура ЗУ ПС необходимо исключить последовательные соединения элементов установки.

В целом следует констатировать, что состояние заземляющего устройства подстанции 220 кВ «Северный Маганак» в настоящее время может негативно сказываться на работе средств защиты и автоматики и на цифровую технику. В связи с этим необходима реконструкция заземляющего устройства данной подстанции.

В результате обследования ЗУ ПС 110/10 кВ «Амурская» ЗЭС АК «Омскэнерго» установлено, что ЗУ подстанции пригодно к эксплуатации, а при оценке электромагнитной совместимости счётчиков электрической энергии установлено, что магнитная индукция в фидерных ячейках с электронными счетчиками типа «СЭТ», «Меркурий» и «Ф 687008» не превышает допустимых по ГОСТ Р 52322 значений и не влияет на их погрешность.

Основные выводы и рекомендации

1 Исследовано влияние на потенциалы на металле стальных искусственных заземлителей и на напряжение прикосновения факторов:

- частоты вводимого тока;

- эквипотенциальное™ заземляющего устройства;

- магнитное влияние токовой линии;

- нелинейности внутреннего продольного сопротивления искусственных заземлителей;

- измерительной схемы (расположение токового и потенциального электродов);

2 Установлено:

2.1 При использовании частоты 180 Гц (прибор ПИНП) для неэквипотенциальных заземлителей (р = 10 Омм) с учётом третьей степени интенсивности электромагнитных возмущений (ЭМВ) по ГОСТ Р 51317.2.5 - 2000 г. допустимая величина не должна превышать 10 В при пересчёте на реальный ток КЗ, например, 5 кА величина ЭМВ превышает нормируемое значение в 36 раз.

2.2 При вводе тока 1А в модель эквипотенциального заземляющего устройства, потенциал в месте ввода тока составляет 337 мВ, что превышает нормируемое значение потенциала на ЗУ 90 мВ. В случае неэквипотенциального ЗУ (р = 10 Ом-м) потенциал в месте ввода тока составляет 41,2 мВ и не превышает нормируемого значения.

2.3 Использование частоты /= 180 Гц в измерительном приборе (ПИНП) по отношению к / = 50 Гц приводит для неэквипотенциальных заземлителей к завышению напряжения «до прикосновения» в области ввода тока на (22-47)%. Для эквипотенциальных заземлителей измерение на частоте/= 180 Гц даёт отклонение от/= 50 Гц всего 3%.

2.4 Максимальная величина потенциала на металле искусственных заземлителей наблюдается в месте ввода тока.

• Для эквипотенциальных ЗУ понижение потенциала на металле к периферии -2,5%;

• Для неэквипотенциальных ЗУ - понижение к периферии на 29,3%;

Напряжение «до прикосновения»:

• для эквипотенциальных ЗУ - повышение к периферии на 1520% (по отношению к месту ввода тока);

• для неэквипотенциальных ЗУ - уменьшение к периферии в 1,5 раза.

3 Проанализировано магнитное влияние токовой линии на потенциалы на металле:

• для эквипотенциальных ЗУ в месте ввода тока - влияния практически нет;

• для неэквипотенциальных ЗУ - увеличение под ВЛ на 14,5%. На напряжение «до прикосновения»:

• для эквипотенциальных ЗУ в месте ввода тока - влияния нет, к периферии - повышение под ВЛ на 24,6%;

• для неэквипотенциальных ЗУ

- в месте ввода тока - влияния нет;

- увеличение под ВЛ на 19,5%.

4 Определено влияние нелинейности внутреннего продольного сопротивления стальных заземлителей для тока 200А по отношению к току 1А и 5кА на потенциалы на металле и на напряжение «до прикосновения».

На потенциалы на металле:

• для эквипотенциальных ЗУ - влияния практической нет;

• для неэквипотенциальной ЗУ:

- в месте ввода тока увеличение на (20-30)%;

- на периферии ЗУ - уменьшение на (50-60)%. На напряжение «до прикосновения»:

• для эквипотенциальных ЗУ - увеличение в месте ввода тока на 37,5%;

• для неэквипотенциальных ЗУ - увеличение в месте ввода тока в 2,5 раза.

5 Показано влияние схемы измерения на погрешности определения потенциалов на металле и напряжение «до прикосновения». Причём, чем больше соотношение расстояния от центра ЗУ до токового электрода (АВ/Ь), тем погрешности от влияния схемы измерения меньше.

Для эквипотенциальных ЗУ при изменении (АВ/Ь)от1доЗ:

• погрешность определения потенциалов на металле уменьшается, соответственно, от 30% до 10%;

• погрешность определения напряжения «до прикосновения» снижается соответствен от 70% до 5%.

6 Оценено влияние эквипотенциальности заземляющих устройств на электромагнитную обстановку.

- Для эквипотенциальных ЗУ:

• влиянием изменения потенциалов на металле можно пренебречь;

• следует учитывать ухудшение ЭМО при воздействии напряжения «до прикосновения» (во всех случаях наблюдается его увеличение на (20-40)% по отношению к месту ввода тока).

- Для неэквипотенциальных ЗУ:

• отмечается ухудшение ЭМО, так как наблюдается перепад потенциала по металлу на (15-30)%;

• следует учитывать существенное ухудшение ЭМО при воздействии напряжения «до прикосновения», так как наблюдается его изменение в (1,5-2,5) раза.

7 Предложено выравнивать потенциал на заземляющих устройствах в зоне помещений с цифровой техникой с помощью электропроводного бетона (бетэла). Бетэл с удельным электрическим сопротивлением до 0,49 Омм и прочностью на сжатие до 20 МПа даёт эквипотенциальное покрытие на расстоянии до 100 м и устраняет влияние параллельных (неконтролируемых) цепей заземления и, тем самым, улучшает электромагнитную обстановку.

8 Выполнено обследование технического состояния эксплуатируемых заземляющих устройств (подстанция 220 кВ «Северный Маганак» Кузбасского ПМЭС Сибири и подстанции 110 кВ «Амурская» ЗЭС АК «Омскэнерго»),

9 В результате оценки электромагнитной совместимости счётчиков электрической энергии установлено, что на подстанции 110к В «Амурская ЗЭС АК «Омскэнерго» магнитная индукция в фидерных ячейках с электронными счетчиками типа «СЭТ», «Меркурий» и «Ф 687008» не превышает допустимых по ГОСТ Р 52322 значений и не влияет на погрешности счётчиков.

10 Ожидаемый экономический эффект от внедрения рекомендаций диссертационной работы составляет 350 тыс. рублей в год.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в периодических изданиях по перечню ВАК

1 Кислпцип, Е.Ю. Разработка методики расчёта и анализ влияния электромагнитных помех на параметры электробезопасности заземляющих устройств / Е.Ю.Кислицин [и др.] / Изв. Том. политехи, ун-та, Т. 212, Энергетика. - 2008. - №4. - С. 66-70.

2 Кислицин, Е.Ю. Системный подход к повышению надёжности энергоснабжения потребителей / Е.Ю.Кислицин [и др.] // Научн. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2008. -№1. - С. 235-239.

3 Кислнцин, Е.Ю. Применение резисторов в схемах электротеплоснабжения объектов производственного и бытового назначения / С.В.Горелов [и др.] // Научн. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2008. -Спец. вып. №1 - С. 127-131.

4 Кислицин, Е.Ю. Резисторы из композитов в системах энергообеспечения агропромышленных комплексов / Е.Ю.Кислицин, С.В.Горелов, Н.В.Цугленок // Вестник Крас. ГАУ. - 2006. - №13. -С. 314-319.

5 Кислицин, Е.Ю. Теоретшеские положения разработки изделий из резистивных композиционных материалов для энергетики АПК / Е.Ю.Кислицин, С.В.Горелов, Н.В. Цугленок // Вестник Красс. ГАУ. -2006,- №13.-С. 319-324.

Научные и учебные издания

6 Кислицин, Е.Ю. Технология конструкционных электротехнических материалов /Е.Ю. Кислицин, [и др.]; под ред. В.П. Горелова, Е.В. Ивановой.-2-е изд. дополн.-Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2005.-239 с.

7 Кислицин, Е.Ю. Энергоснабжение стационарных и мобильных объектов: в 3 ч. Ч. 1 / Е.Ю. Кислицин [и др.]; под ред. В.П. Горелова, Н.В. Цугленка,- Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2006.-243 с.

8 Кислицин, Е.Ю. Основы электротехники и электроники: учеб. пособие / Е.Ю.Кислицин [и др.]; под ред. В.П.Горелова, Н.П.Молочкова. -4-е изд, испр. и дополн. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2006. - 383 с.

9 Кислицин, Е.Ю. Влияние электромагнитных помех на параметры электробезопасности заземляющих устройств электроустановок и на электромагнитную обстановку / Е.Ю.Кислицин [и др.]; под общ. ред. Ю.В.Дёмина. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2007. - 22 с.

Статьи в российских и иностранных изданиях: материалы международных и региональных конференций

10 Кислицин, Е.Ю. Методы оптимизации суточных графиков электропотребления промышленных предприятий / Е.Ю.Кислицин, Л.В.Садовская, ЛДСафрошкина // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. -2003,- №2.-С. 197-205.

11 Кислицин, Е.Ю. Ультразвуковые технологии на промышленных и сельскохозяйственных объектах / Е.Ю.Кислицин [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2003. - №2. - С. 181-185.

12 Кислицин, Е.Ю. Применение аккумуляторов в схемах энергоснабжения с традиционными и возобновляемыми источниками энергии / Е.Ю.Кислицин [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2003. -№2.-С. 189-196.

13 Кислицин, Е.Ю. Мероприятия, повышающие бесперебойное энергоснабжение промышленных и бытовых потребителей / Е.Ю.Кислицин [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2003. -№2.-С. 185-189.

14 Кислицин, Е.Ю. Самозапуск электродвигателей в мощных узлах нагрузки / Е.Ю.Кислицин, В.Ф.Тонышев, А.В.Тонышев, Б.З.Гамм // Энергетика, экология, энергоснабжение, транспорт: тр. 2-й междун. науч. - техн. конф., Тобольск, 8-11 сент. 2004. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2004. - Ч. 1. - С. 148-149.

15 Кислицин, Е.Ю. Исследование механизма коррозии кабелей ААШВ / Е.Ю.Кислицин, Г.В.Иванов, Л.Д.Софрошкина // Энергетика, экология, энергоснабжение, транспорт: тр. 2-й междун. науч. - техн. конф., Тобольск, 8-11 сент. 2004. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2004. -Ч. 2. - С. 148-149.

16 Кнслицин, Е.Ю. Оценка эффективности катодной защиты кабелей ААШВ / Е.Ю.Кислицин, Г.В.Иванов, Л.Д.Сафрошкина // Энергетика, экология, энергоснабжение, транспорт: тр. 2-й междун. науч. - техн. конф., Тобольск, 8-11 сент. 2004. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2004. -Ч. 2. - С. 101-104.

17 Кнслнцин, Е.Ю. Экономическая эффективность внедрения системы контроля и учёта электроэнергии на предприятии / Е.Ю.Кислицин [и др.] // Энергетика, экология, энергоснабжение, транспорт: тр. 2-й междун. науч.-техн. конф,, Новосибирск, 18-19 дек. 2002. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2002. - С. 362-368.

18 Кислицин, Е.Ю. Методы контроля качества композиционных резисторов при их производстве и эксплуатации в энергосистемах / Е.Ю.Кислицин [и др.] // тр. науч.-техн. конф. Новосиб. гос. акад. вод. трансп., Новосибирск, 16-18 апр. 2007. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2002. - С. 362-368.

19 Кнслицпн, Е.Ю. Наводимые напряжения на кабельных линиях и электронном оборудовании АСУ ТП подстанций и рекомендуемые меры защиты / Е.Ю.Кислицин [и др.] // Электроснабжение железных дорог: межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2007. - С. 27-32.

20 Кислнцнн, Е.Ю. Мероприятия, повышающие бесперебойность электроснабжения и электромагнитную совместимость промышленных и бытовых потребителей / С.В.Горелов [и др.] // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: Сб. матер. VI-ой междунар. науч.-практ. интернет конф., Орёл, 2008. - С.70-73.

Личный вклад в монографиях и статьях, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50%.

Кроме того, отдельные вопросы диссертации рассмотрены в 2 печатных работах и в 2 отчётах по НИР.

Подписано в печать 28.10 2008 г. с оригинал макета. Бумага офсетная №. 1, формат 60x84 1/16, печать Riso Усл.печ.л. 1,5 тираж 100 экз., заказ № 64. Бесплатно.

ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (НГАВТ) 630099 Новосибирск, ул. Щетинкина, 33

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО «НГАВТ»

Введение.

Глава 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НА ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ, АНАЛИЗ ПРИЧИН ПОМЕХ И МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ НИХ.

1.1 Наводимые напряжения на кабельных линиях и электронном оборудовании АСУ ТП подстанций и рекомендуемые меры защиты.

1.2 Анализ причин помех и рекомендуемых мер защиты.

1.3 Эксплуатационное состояние заземляющих устройств и его влияние на распределение потенциала.

1.3.1 Оценка эксплуатационного состояния заземляющих устройств.

1.3.2 Организация заземления цифровой аппаратуры.

1.3.3 Параметры, контролируемые при оценке электромагнитной обстановки.

1.4 Задачи исследования.'.

Глава 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ (ПОТЕНЦИАЛОВ НА МЕТАЛЛЕ* СТАЛЬНЫХ ИСКУССТВЕННЫХ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ).

2.1 Методика расчета потенциалов на металле стальных искусственных заземлителей и напряжения «до прикосновения».

2.2 Методические особенности расчетов напряжения «до прикосновения»

2.3 Итерационный метод расчета параметров электробезопасности заземляющих устройств.

2.4 Выводы по расчету напряжения «до прикосновения».

Глава 3 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ НА ЗНАЧЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ

НА МЕТАЛЛЕ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ.

3.1 Анализ существующих схем измерения параметров заземляющих устройств.

3.2 Оценка влияния схемы измерения на значения потенциалов на металле и на напряжение «до прикосновения».

3.2.1 Анализ существующих способов и приборов измерения параметров заземляющих устройств.

3.3 Анализ результатов расчетов потенциалов на металле искусственных заземлителей и напряжений «до прикосновения» с учетом помех.

3.4 Оценка влияния эквипотенциальное™ заземляющих устройств на электромагнитную обстановку.

3.5 Расчет степени выравнивания потенциала с помощю электропроводного бетона (бетэла).

Глава 4 РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ.

4.1 Результаты расчетов заземляющего устройства подстанции 1150кВ «Кокчетавская».

4.2 Определение состояния заземляющего устройства подстанции 220кВ «Северный Маганак» Кузбасского ПМЭС Сибири.

4.3 Оценка технического состояния заземляющего устройства подстанции

1 ЮкВ «Амурская» ЗЭС ОАО АК «Омскэнерго».

4.3.1 Определение трассы горизонтальных элементов ЗУ и глубины их заложения.

4.3.2 Определение сопротивления растеканию ЗУ.

4.3.3 Обследование в контрольных шурфах.

4.3.4 Оценка коррозионной ситуации.

4.3.5 Определение напряжения прикосновения.

4.3.6 Проверка наличия связи оборудования с ЗУ.

4.4 Определение электромагнитной совместимости счетчиков электрической энергии «СЭТ» и «Меркурий».

Основная масса электроустановок электроэнергетических систем страны построены в прошлом веке, когда широко использовалось электромеханическое оборудование. Как отмечалось на практике, это оборудование менее чувствительно к помехам.

В настоящее время широко внедряются программно-технические комплексы (ПТК), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и микропроцессорные устройства. Эти устройства могут надежно функционировать только в благоприятной электромагнитной обстановке (ЭМО) [1], то есть должна быть обеспечена электромагнитная совместимость (ЭМС).

Как отмечено в статье Лутидзе Ш.И. [2] «электрическое устройство считается электромагнитно совместимым, если его показатели качества электрической энергии не снижаются из-за влияния других устройств». Проблема электромагнитной совместимости возникает в связи с тем, что каждое звено находится в электрической или электромагнитной связи с другими звеньями электроэнергетической системы. Эта связь может иметь место в виде непосредственного электрического соединения или через электромагнитное поле.

Авторы Шваб А. и Хабинер Э. [48; 49] отмечают различную природу электромагнитных влияний и следующие пути их передачи: гальваническая или металлическая связь, емкостная связь и магнитная или индуктивная связь.

Знание электромагнитной обстановки необходимо, чтобы сформулировать технические требования к цифровым устройствам. В то же время, как отмечается в статье Колечицкого Е.С. [1], «к определению электромагнитной обстановки можно приступать лишь после обследования технического состояния и приведения в соответствие с техническими требованиями устройств заземления ПТК как важнейшего фактора электромагнитной обстановки».

До настоящего времени на всех этапах создания и реконструкции АСУ ТП от проектирования до реализации и ее эксплуатации указанная проблема остается вне поля зрения специалистов [1].

В настоящее время термин «электромагнитная совместимость» (ЭМС) все чаще употребляется в связи с проблемой обеспечения надежности систем контроля, управления и связи, реализованных на базе цифровой техники и работающих в условиях реальных объектов. Для реальных объектов характерно неидеальное качество систем питания и заземления, высокая вероятность воздействия значительных электромагнитных помех (например, при молниевом разряде). Под ЭМС в данном контексте понимается способность используемого оборудования нормально работать в электромагнитной обстановке на объекте, где оно размещается. Термином «электромагнитная обстановка» (ЭМО) обозначается совокупность уровней помех, характерных для конкретного объекта. Сюда же можно добавить условия, от которых зависит помехоустойчивость аппаратуры (например, качество выполнения систем питания и заземления, геометрия прокладки кабелей, степень симметрии цепей, наличие экранов и т.п.)

Многочисленные публикации в нашей стране и за рубежом свидетельствуют об актуальности проблемы ЭМС [2, 3, 7, 9, 11-18, 21, 23, 29, 35, 39, 48, 49]. Так по данным Copper Development Association в Европе на 12 объектах за 10 месяцев было зафиксировано 858 помех, 42 из которых привели к выходу из строя оборудования. По данным DOE Occurrence Reporting and Processing System Database за период 1990-2000гг. на атомных объектах США произошло 346 инцидентов, вызванных молнией. Следует отметить некоторые противоречия, часто отмечаемые при анализе подобного рода информации. Они являются следствием, как естественного разброса влияющих факторов, так и различий в методиках подсчета и анализа. Тем не менее, имеющаяся статистика используется за рубежом, в частности, при оценке страховых рисков. Так, проблемы воздействия помех рассматриваются как одна из наиболее распространенных причин наряду с ошибкой оператора, дефектами аппаратного и программного обеспечения, повреждения систем на базе цифровой техники (например, «Технические виды страхования — Страховое ревю», №12 (80), 2000).

Адекватному осознанию и, следовательно, эффективному решению проблемы ЭМС в нашей стране мешает отсутствие должной статистики по ЭМО на различных объектах. Особую тревогу вызывает ЭМО на объектах электроэнергетики, транспорте, в энергоемких производствах и на других объектах, где выполняющая важные функции цифровая аппаратура оказывается размещенной рядом с мощными источниками электромагнитных помех.

Имеющийся опыт обследования ЭМО показывает, что очень часто она оказывается неблагоприятной. Действительно, большинство объектов проектировалось еще до появления отечественных нормативных документов в области ЭМС. Такие факторы как коррозия заземляющих устройств (ЗУ), повреждения заземлителей в процессе эксплуатации, внесение недокументированных модификаций в схемы питания, прокладка заземления также не способствуют улучшению ЭМС.

Основные выводы и рекомендации

1 Исследовано влияние на потенциалы на металле стальных искусственных заземлителей и на напряжение прикосновения факторов:

- частоты вводимого тока;

- эквипотенциальности заземляющего устройства;

- магнитное влияние токовой линии;

- нелинейности внутреннего продольного сопротивления искусственных заземлителей;

- измерительной схемы (расположение токового и потенциального электродов);

2 Установлено:

2.1 При использовании частоты 180 Гц (прибор ПИНП) для неэквипотенциальных заземлителей (р = 10 Ом-м) с учётом третьей степени интенсивности электромагнитных возмущений (ЭМВ) по ГОСТ Р 51317.2.5 — 2000 г. допустимая величина не должна превышать 10 В при пересчёте на реальный ток КЗ, например, 5 кА величина ЭМВ превышает нормируемое значение в 36 раз.

2.2 При вводе тока 1 А в модель эквипотенциального заземляющего устройства, потенциал в месте ввода тока составляет 337 мВ, что превышает нормируемое значение потенциала на ЗУ 90 мВ. В случае неэквипотенциального ЗУ (р = 10 Ом-м) потенциал в месте ввода тока составляет 41,2 мВ и не превышает нормируемого значения.

2.3 Использование частоты f— 180 Гц в измерительном приборе (ПИНП) по отношению к/= 50 Гц приводит для неэквипотенциальных заземлителей к завышению напряжения «до прикосновения» в области ввода тока на (22-47)%. Для эквипотенциальных заземлителей измерение на частоте f - 180 Гц даёт отклонение от/= 50 Гц всего 3%.

2.4 Максимальная величина потенциала на металле искусственных заземлителей наблюдается в месте ввода тока.

• Для эквипотенциальных ЗУ понижение потенциала на металле к периферии -2,5%;

• Для неэквипотенциальных ЗУ — понижение к периферии на 29,3%;

Напряжение «до прикосновения»:

• для эквипотенциальных ЗУ - повышение к периферии на 15-20% (по отношению к месту ввода тока);

• для неэквипотенциальных ЗУ — уменьшение к периферии в 1,5 раза .

3 Проанализировано магнитное влияние токовой линии на потенциалы на металле:

• для эквипотенциальных ЗУ в месте ввода тока — влияния практически нет;

• для неэквипотенциальных ЗУ - увеличение под BJI на 14,5%. На напряжение «до прикосновения»:

• для эквипотенциальных ЗУ в месте ввода тока — влияния нет, к периферии - повышение под BJT на 24,6%;

• для неэквипотенциальных ЗУ

- в месте ввода тока - влияния нет;

- увеличение под BJI на 19,5%.

4 Определено влияние нелинейности внутреннего продольного сопротивления стальных заземлителей для тока 200А по отношению к току 1А и 5кА на потенциалы на металле и на напряжение «до прикосновения». На потенциалы на металле:

• для эквипотенциальных ЗУ - влияния практической нет;

• для неэквипотенциальной ЗУ:

- в месте ввода тока увеличение на (20-30)%;

- на периферии ЗУ - уменьшение на (50-60)%. На напряжение «до прикосновения»:

• для эквипотенциальных ЗУ - увеличение в месте ввода тока на 37,5%;

• для неэквипотенциальных ЗУ - увеличение в месте ввода тока в 2,5 раза.

5 Показано влияние схемы измерения на погрешности определения потенциалов на металле и напряжение «до прикосновения». Причём, чем больше соотношение расстояния от центра ЗУ до токового электрода (AB/L), тем погрешности от влияния схемы измерения меньше.

Для эквипотенциальных ЗУ при изменении (AB/L) от 1 до 3:

• погрешность определения потенциалов на металле уменьшается, соответственно, от 3 0% до 10%;

• погрешность определения напряжения «до прикосновения» снижается соответствен от 70% до 5%.

6 Оценено влияние эквипотенциальности заземляющих устройств на электромагнитную обстановку.

- Для эквипотенциальных ЗУ:

• влиянием изменения потенциалов на металле можно пренебречь;

• следует учитывать ухудшение ЭМО при воздействии напряжения «до прикосновения» (во всех случаях наблюдается его увеличение на (20-40)% по отношению к месту ввода тока).

- Для неэквипотенциальных ЗУ:

• отмечается ухудшение ЭМО, так как наблюдается перепад потенциала по металлу на (15-30)%;

• следует учитывать существенное ухудшение ЭМО при воздействии напряжения «до прикосновения», так как наблюдается его изменение в (1,5-2,5) раза.

7 Предложено выравнивать потенциал на заземляющих устройствах в зоне помещений с цифровой техникой с помощью электропроводного бетона (бетэла). Бетэл с удельным электрическим сопротивлением до 0,49 Ом-м и прочностью на сжатие до 20 МПа даёт эквипотенциальное покрытие на расстоянии до 100 м и устраняет влияние параллельных (неконтролируемых) цепей заземления и, тем самым, улучшает электромагнитную обстановку.

8 Выполнено обследование технического состояния эксплуатируемых заземляющих устройств (подстанция 220 кВ «Северный Маганак» Кузбасского ПМЭС Сибири и подстанции 110 кВ «Амурская» ЗЭС АК «Омскэнерго»).

9 В результате оценки электромагнитной совместимости счётчиков электрической энергии установлено, что на подстанции 11 Ок В «Амурская ЗЭС АК «Омскэнерго» магнитная индукция в фидерных ячейках с электронными счетчиками типа «СЭТ», «Меркурий» и «Ф 687008» не превышает допустимых по ГОСТ Р 52322 значений и не влияет на погрешности счётчиков.

10 Ожидаемый экономический эффект от внедрения рекомендаций диссертационной работы составляет 350 тыс. рублей в год.

1. Колечицкий, Е.С. Спецзаземления программно-технических комплексов АСУ ТГТ современных энергоблоков / Е.С. Колечицкий и др. // «Электрические станции». — 2006. — №1. — С.56-61.

2. Лутидзе, Ш.И. Электромагнитная совместимость в электроэнергетических системах на постоянном и на переменном токе / Ш.И.Лутидзе // Электро. 2005. - №6. - С. 9-11.

3. Разработка рекомендаций по защите от электромагнитных помех УВК, систем сбора информации и КТС подстанций 1150 кВ // Отчёт СибНИИЭ, рук. темы Г.Г. Пучков ИнВ. №02840012207. - Новосибирск, 1983. -90с.

4. СО 153-34.21.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений промышленных коммуникаций // СПб.: Лит. тех, 2004.

5. Дёмин, Ю.В. Обеспечение долговечности электросетевых материалов и конструкций в агрессивных средах / Ю.В.Дёмин, С.Ю.Дёмина, В.П.Горелов; под ред. В.П. Горелова. — Книга 1. Новосибирск: НГАВТ, 1998 - 209с.

6. Guide on EMC in Power Plants and Substations. CIGRE Publ. 124, 1997.

7. Зимин, Ю.А. Электромагнитная совместимость информационных систем / Ю.А.Зимин, Ю.А. Казанцев, В.А. Кузовкин // М.: МЭИ, 1995.

8. Методические указания по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от импульсных помех // Утверждены Департаментом науки и техники 29.06.93 за номером РД 34.20.116-93. М.: РАО «ЕЭС России», 1993.

9. Методические указания по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от импульсных помех // (Новая редакция, проект).

10. Методические указания по контролю заземляющих устройств электроустановок//РД 153-34.0-20.525-00. -М.: СПО ОРГЭС, 2000.

11. Хабигер, Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике//М.: Энергоатомиздат, 1995.

12. Шваб, А.Й. Электромагнитная совместимость // М.: Энергоатомиздат,1995.

13. IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment. IEEE Std 1100-1999.

14. Кадыков, H.B. Электромагнитная совместимость локальных сетей на предприятиях электроэнергетического профиля / Н.В.Кадыков, М.В.Матвеев // Электрические станции. 1998. — №9.

15. Гепферт, С.О. Решение проблем ЭМС при внедрении цифровых учрежденческих АТС / С.О.Гепферт, М.В. Матвеев // Энергетик. 2001. - №4.

16. Матвеев, М.В. Электромагнитная обстановка на объектах определяет ЭМС цифровой аппаратуры / М.В.Матвеев // Новости электротехники. 2002. -№1-2(13-14).

17. Костин, М.К. Проблемы и методы контроля электромагнитной обстановки на энергоообъектах / М.К.Костин, М.В.Матвеев // Сб. науч. докл. IV Международного симпозиума по электромагнитной совместимости. С-Пб, 2001.

18. Kostin, M.K. Some results of EMC investigation in Russian substations / M.K. Kostin, ' M.V. Matveyev, A. Ovsyannikov, V.S. Verbin, S. Zhivodernikov //CIGRE Session, 2002. 36-103.

19. Петухов, B.C. Токи утечки в электроустановках зданий / В.С.Петухов, В.А.Соколов, А.В.Меркулов, И.А.Красилов // «Новости электротехники». №5. -(23) 2003.

20. Методические указания по контролю заземляющих устройств электроустановок//РД 153-34.0-20.525-00 РАО «ЕЭС России».

21. Методические указания по определению электромагнитной обстановки на электрических станциях и подстанциях // СО 34.35.311-2004 РАО «ЕЭС России».

22. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций //М.: МЭИ, 2004.

23. Электромагннтная совместимость в электроэнергетике и электротехнике; под ред. Дьякова А.Ф. // М.: Энергоатомиздат, 2003.

24. РД 153-34.0-20.525-00 Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок // СПО ОРГРЭС, М., 2000.

25. ГОСТ 9.602-89 Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии.

26. Правила устройства электроустановок / 7-е изд. — М.: Издательство НЦЭНАС, 1999.

27. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителя / М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2003.

28. Объём и нормы испытаний электрооборудования / М.: Издательство НЦ ЭНАС, 1998.

29. Методические рекомендации по проведению испытаний электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителя / М.: ЗАО «Энергосервис».

30. ГОСТ Р 52322. Статические счётчики активной энергии классов точности 1 и 2.

31. Карякин, Р.Н. Нормы устройства сетей заземления / М.: Издательство Энергосервис, 2002.

32. ГОСТ 7.32-01 Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

33. ГОСТ 2.105-95 Общие требования к текстовым документам.

34. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей / М-во энергетики и электрификации СССР. 14-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1989. -288с.

35. Исследование переходных процессов и выбор оптимальных способов осуществления коммутаций в пусковых схемах электропередачи 1150 кВ Эксибастуз-Кокчетав-Кустанай / Отчёт СибНИИЭ; рук. темы Челазнов А.А. Инв. № 02860028946. - Новосибирск, 1985. - 73с.

36. Бургсдорф, В.В. Заземляющие устройства электроустановок / В.В.Бургсдорф, А.И.Якобс / М.: Энергоатомиздат, 1987. 400 с.

37. Пучков, Г.Г. Математическая модель заземляющего устройства переменного тока / Г.Г. Пучков // М.: Электричество.- 1984. № 3. - С. 25-30.

38. Кац, Е.Л. Заземляющие устройства электроустановок высокого и низкого напряжения / Е.Л.Кац, Б.Г.Меньшов, Ю.В.Целебровский // Сер. Электрические станции и сети. (Итоги науки и техники). М.: ВИНИТИ, 1989, 15.-160 с.

39. Разработка рекомендаций по заземляющему устройству подстанции Кокчетавская (отчёт) / Инв. № Б 894891, СибНИИЭ, рук. работы Целебровский Ю.В. — Новосибирск, 1980. — 35 с.

40. Глушко, В.И. Разработка эквивалентных моделей для расчёта заземлений в неоднородной земле / В.И.Глушко // В кн. Электробезопасность в электроустановках, сооружаемых в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. Норильск, 1975. — 179-183 с.

41. Эбин, JI.E. Стационарная температура заземлителей / Л.Е.Эбин // М.: Электричество. № 10. — 1938. - 66-67 с.

42. Рахимов, К.Р. О тепловом расчёте устойчивости заземляющих устройств / К.Р.Рахимов. М.: Электричество. - 1969. - № 10. - 23—26 с.

43. Рахимов, К.Р. О термической устойчивости заземляющих устройств / К.Р.Рахимов // М.: Электричество. №10. - 1971. - 75-77 с.

44. Руководство по эксплуатации КДЗ-1, КДЗ.000.000.000 РЭ.

45. Методика диагностики состояния заземляющих устройств подстанций; ООО «НПФ ЭЛНАП»//М-1999.

46. Методические указания по проверке состояния ЗУ электроустановок при помощи измерительного комплекса для диагностики качества контуров заземления КДЗ-1; ООО «НПФ ЭЛНАП» // М-1999.

47. Инструкция по эксплуатации измерительного комплекса для диагностики качества контуров заземления. КДЗ.000.000.000 РЭ.

48. Шваб, А. Электромагнитная совместимость / А.Шваб; под ред. Кужекина; пер. с нем. В.Д. Мазина и С.А. Спектора. 2-е изд. перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1998. - 480 с.

49. Хабинер, Э. Электромагнитная совместимость. Основы её обеспечения в технике / Э.Хабинер; под ред. Б.К. Максимова; пер. с нем. И.П. Кужекина. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 304 с.

50. Кислицин, Е.Ю. Системный подход к повышению надёжности энергоснабжения потребителей / Е.Ю.Кислицин и др. // Научн. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. 2008. - №1. - С. 235-239.

51. Кислицин, Е.Ю. Применение резисторов в схемах электротеплоснабжения объектов производственного и бытового назначения /

52. С.В.Горелов и др. // Научн. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. 2008. — Спец. вып. №1 - С. 127-131.

53. Кислнцин, Е.Ю. Резисторы из композитов в системах энергообеспечения агропромышленных комплексов / Е.Ю.Кислицин, С.В.Горелов, Н.В.Цугленок // Вестник Крас. ГАУ. 2006. - №13. - С. 314-319.

54. Кислицин, Е.Ю. Теоретические положения разработки изделий из резистивных композиционных материалов для энергетики АПК / Е.Ю.Кислицин, С.В.Горелов, Н.В. Цугленок // Вестник Красс. ГАУ. 2006. -№13.-С. 319-324.

55. Кислицин, Е.Ю. Технология конструкционных электротехнических материалов /Е.Ю. Кислицин, и др.; под ред. В.П. Горелова, Е.В. Ивановой. -2-е изд. дополн.-Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2005.-239 с.

56. Кислицин, Е.Ю. Энергоснабжение стационарных и мобильных объектов: в 3 ч. Ч. 1 / Е.Ю. Кислицин и др.; под ред. В.П. Горелова, Н.В. Цугленка.- Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2006.-243 с.

57. Кислицин, Е.Ю. Основы электротехники и электроники: учеб. пособие / Е.Ю.Кислицин и др.; под ред. В.П.Горелова, Н.П.Молочкова. 4-е изд, испр. и дополн. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2006. -383 с.

58. Кислицин, Е.Ю. Методы оптимизации суточных графиков электропотребления промышленных предприятий / Е.Ю.Кислицин, Л.В.Садовская, Л.Д.Сафрошкина // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. -2003.- №2.-С. 197-205.

59. Кислицин, Е.Ю. Ультразвуковые технологии на промышленных и сельскохозяйственных объектах / Е.Ю.Кислицин и др. // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост.-2003.- №2.-С. 181-185.

60. Кислицни, Е.Ю. Применение аккумуляторов в схемах энергоснабжения с традиционными и возобновляемыми источниками энергии / Е.Ю.Кислицин и др. // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. 2003. - №2. -С. 189-196.

61. Кислицин, Е.Ю. Мероприятия, повышающие бесперебойное энергоснабжение промышленных и бытовых потребителей / Е.Ю.Кислиции и др. // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. 2003. - №2. - С. 185-189.

62. Кислицин, Е.Ю. Мероприятия, повышающие бесперебойность электроснабжения и электромагнитную совместимость промышленных и бытовых потребителей / С.В.Горелов и др. // Энерго- и ресурсосбережение —

63. XXI век: Сб. матер. VI-ой междунар. науч.-практ. интернет конф., Орёл, 2008. -С. 70-73.