Реферат: Особенности ЭМО на энергетических и промышленных объектах

УльяновскийГосударственный Технический УниверситетРЕФЕРАТ:Особенности ЭМО на энергетических и промышленных объектах

Выполнил: студент гр.Эд-43

Мамаев А.Ю.

Проверил:

г.Ульяновск

2004г.

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение……………………………………………………стр.3

1. Виды помех……………………………………………… стр.62. Подход к решению проблемы ЭМС………………… стр.123. Контроль ЭМО…………………………………...……стр.134. Улучшение ЭМО………………………………………стр.16ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………… стр.20СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………стр.21

Введение

Надежностьработы энергетических и промышленных объектов во многом определяетсянадежностью работы электронной (сейчас, как правило, цифровой) аппаратурызащиты, автоматики, связи и т.п. Специфика современных объектов такова, чтоустанавливаемая на них электронная аппаратура часто подвергается воздействиювысоких уровней электромагнитных помех. В данной статье под помехой понимаетсялюбое явление электромагнитной природы, способное негативно влиять на работуаппаратуры.

Совокупностьуровней помех на конкретном объекте называется электромагнитной обстановкой(ЭМО). Следует отметить большой разброс параметров ЭМО (например, уровней помехпри коммутационных операциях) на различных объектах.
В данной статье мы кратко рассмотрим проблемы, связанные с контролем иулучшением ЭМО на энергетических и промышленных объектах.

Электромагнитные помехи различают по их источникам — естественным иискусственным. Последние принято делить на преднамеренные и непреднамеренные.

Непреднамереннаяпомеха — это любая помеха искусственного происхождения, не предназначенная длянарушения функционирования аппаратуры. Непреднамеренные помехи могут бытьизлучаемыми и наводимыми в проводниках. Электромагнитные помехи могут серьезноухудшить качество функционирования силовой и электронной аппаратуры, вплоть дополной невозможности выполнить им свою основную функцию.

По спектральным и временным характеристикам различают сосредоточенные,импульсные и флуктуационные помехи.

Сосредоточенная помеха это узкополосное колебание, его параметры медленно(по сравнению с центральной частотой) меняются или постоянны во времени.Частотный спектр ее ограничен. Источниками такого рода помех могут бытьразличного рода средства связи, работающие в узкой полосе частот.

Импульсная и флуктуационная помехи образуют широкий частотный спектр.Источниками импульсной помехи являются РЭС, использующие импульсную модуляцию(например, РЛС), а также некоторые источники индустриальных помех.

Флуктуационная помеха представляет собой случайный процесс — наложениеслучайного числа импульсов случайной величины. Это могут быть грозовые разряды,космические шумы и внутренние шумы аппаратуры.

Источники ЭМпомехи — любые устройства, которые могут создавать и излучать электромагнитныеполя.

По своему происхождению источники непреднамеренных помех можно разделитьна две группы: естественные и искусственные. По своему пространственномурасположению источники естественных помех могут быть земными и внеземными.

Внеземные:обусловленные ЭМ излучением Солнца, планет солнечной системы, звезд и т.п.Помехи создаваемые этим излучением особенно существенны для систем работающих вдиапазонах УВЧ, СВЧ и более высокочастотных.

Рис. 1.1.Классификация источников электромагнитных помех.

Земные: атмосферные помехи и статические разряды. Источниками атмосферныхпомех являются электрические разряды во время гроз, частотный спектр такихпомех очень широк и они могут распространяться на большие расстояния. Всеверных широтах имеют место помехи от полярных сияний.

Накоплениестатических зарядов в осадках и их последующий разряд на элементах антенн,заземлении или близлежащих предметах также приводит к возникновению ЭМ помех.

Источниками искусственных помех являются не только РЭС, принцип работыкоторых связан с излучением электромагнитной энергии, но и устройства непредназначенные для этой цели (см. рис.1.1).

Помехи воздействуют на различные системы, РЭС, устройства и элементы,которые можно определить обобщенным понятием рецептора электромагнитныхколебаний.

Рецепторыэлектромагнитной помехи — все устройства, которые в той или иной мере, обратимоили необратимо изменяют значения своих параметров под влиянием электромагнитныхполей. Рецепторы могут быть естественного и искусственного происхождения. Крецепторам естественного происхождения можно отнести человека, животных и ихэмбрионы, растения и их семена.

Рис.1.2 Классификациярецепторов электромагнитных помех.

Искусственные рецепторы можно разделить на две группы:

•работающие попринципу извлечения информации из электромагнитного поля (радиоприемныеустройства);

•рецепторы,принцип работы которых не связан с внешними полями.

Воздействиепомех на рецепторы происходит как через антенный тракт (радиоприемники), так ивследствие наводок на различные элементы РЭС, по цепям питания и управления.

Чтобы понятьсуть проблемы, начнем с рассмотрения особенностей ЭМО на энергообъектах.Основной вклад в нее вносят, как правило, описанные ниже виды помех.

1. Виды помех1.1. Помехи при КЗ на землю в сетяхс эффективнозаземленной нейтралью

Протекание позаземляющему устройству (ЗУ) значительных токов КЗ в сетях высокого напряженияприводит к возникновению перепадов потенциалов в пределах ЗУ. Средний потенциалЗУ относительно удаленной земли также повышается. Таким образом, значительныеразности потенциалов оказываются приложенными к вторичным кабелям (какпроходящим в пределах ЗУ объекта, так и выходящим за его пределы) исоответствующим входам аппаратуры.
Кроме того, протекание токовКЗ в силовых ошиновках и по элементам ЗУ создает магнитное поле, амплитудакоторого часто составляет сотни А/м. Это поле создает наводки на вторичныекабели в случае их сближения с трассой протекания тока КЗ. В реальности обафактора часто действуют одновременно, вызывая значительные перенапряжения,опасные для аппаратуры и даже изоляции кабелей. Магнитное поле при КЗ опасно идля самой аппаратуры, если последняя размещается вблизи ошиновок или путирастекания тока КЗ по элементам ЗУ. Отметим, что случаи расположения ошиновокнад зданиями ОПУ с помещениями РЩ, узлов связи и т.п. достаточно типичны (см.рис. 3).

Рис.3. Расположение силового оборудования рядом со

зданиемОПУ на одной из типовых подстанций

Прирасследовании причин повреждения аппаратуры в одном из региональныхдиспетчерских управлений, например, было выявлено растекание тока молниипрактически через все здание вблизи элементов систем связи, АСУ, сигнализации.В результате имели место массовые повреждения элементов этих систем. Причинойряда повреждений, согласно проведенному анализу, явилось непосредственноевоздействие импульсного электромагнитного поля на аппаратуру. По приближеннойоценке, напряженность магнитного поля в месте размещения аппаратуры составилаот 300 до 1000 А/м, что может представлять угрозу даже для специальнойаппаратуры в промышленном исполнении, не говоря уже о компьютерах и АТСофисного типа.

1.2. Импульсныепомехи при коммутационныхоперацияхвыключателями и разъединителями

Прикоммутационных операциях выключателями и разъединителями в сети высокогонапряжения возникает высокочастотный переходный процесс. Параметры этогопроцесса индивидуальны для каждого объекта и, более того, даже для каждойконкретной коммутации. ВЧ-токи и перенапряжения через системы шинраспространяются по территории объекта. Они создают электромагнитные поля,способные вызывать наводки во вторичных кабелях и даже во внутренних цепяхаппаратуры. Кроме того, проникновение коммутационных помех во вторичные кабелипроисходит через трансформаторы тока (ТТ), трансформаторы напряжения (ТН),фильтры присоединения ВЧ-связи и т.п. Особенно серьезна ситуация на компактныхэлегазовых подстанциях, где высоковольтное оборудование и подверженная еговлиянию электронная аппаратура размещаются очень близко друг к другу. В большинствеслучаев на воздушных подстанциях уровни коммутационных помех во вторичных цепяхневелики — порядка нескольких сотен вольт.

Такойсравнительно низкий уровень объясняется высоким затуханием помех «провод-земля»в низкочастотных кабелях энергообъектов. В то же время в высокочастотныхкабелях, например, в кабелях ВЧ-связи, отмечались помехи амплитудой выше 4 кВ,а амплитуды порядка 1-3 кВ являются типичными.

1) (Tek THS730A). CH1 100 V 2 uS
2) (Tek THS730A). CH2 500 V 2 uS
Рис. 4. Осциллограмма коммутационной помехи в цепях питания узла связи (верхняякривая — импульсное напряжение между нулем и землей узла связи, одно деление повертикали – 100 В; нижняя кривая — импульсное напряжение между фазой и нулем,цена деления по вертикали — 500 В). Развертка по времени — 2 мкс на деление.

Следуетотметить, что уровни коммутационных помех зависят от множества факторов, средикоторых геометрия объекта, тип первичного оборудования, состояние заземляющегоустройства, трассы прокладки вторичных цепей и т.п. Так, например, согласносказанному выше, уровни коммутационных помех в цепях собственных нужд объектовне превышают обычно нескольких сот вольт. Однако в процессе измерений нанекоторых объектах (внешне ничем не отличающихся от прочих) фиксировались помехиамплитудой более1кВ(рис.4).
Приведенный пример показывает,что истинный уровень коммутационных помех может быть достоверно определен лишьпо результатам измерений. Поэтому измерение коммутационных помех следуетрассматривать как обязательную часть комплекса оценки электромагнитнойобстановки, даже если априори нет оснований предполагать, что их уровень высок.

1.3. Импульсныепомехи при работеэлектромеханическихустройств

Осциллографированиепомех при коммутациях низковольтных цепей показало, что переключения реле,электроприводов и т.п. также сопровождаются коммутационными помехами.
Частоты обычно оказываются значительно выше, чем при коммутациях высоковольтногооборудования (до сотни МГц и даже выше). В частности, работа традиционныхэлектромеханических реле может приводить к генерации помех до 2-3 кВ (см. рис. 5).
Интересно, что высокочастотный процесс в ряде случаев сопровождаетсянизкочастотным «всплеском». Это согласуется с данными зарубежных измерений.

2) (Tek THS730A). STO2 500 V 200 uS
Рис. 5. Помехи при коммутации реле РП-16 (получено при лабораторныхиспытаниях).

1.4. Протеканиезначительных токов по ЗУв нормальном режимеработы объекта

Для многихобъектов (например, тяговых ПС) протекание значительных токов через системузаземления является нормой. Иногда такая же ситуация возникает вследствиеошибок при проектировании системы собственных нужд объекта. Все это приводит ктому, что на заземляющем устройстве этих объектов постоянно присутствуетзначительный потенциал (рис.6). Отмечены случаи, когда этот потенциал достигал100 В по амплитуде. Он оказывается приложенным к входам цепей связи судаленными объектами. Воздействие такого потенциала на аппаратуру редко бываетразрушительным. Однако малейшее нарушение симметрии цепи связи и входоваппаратуры вызывает сильное повышение уровней шумов в каналах проводной связи.

2) (TekTHS730A). CH1 10 V 5 mS
Рис. 6.Помеха назаземлении узла связи, связанном цепью нуля питания с заземляющим контуромтяговой подстанции (амплитуда — 25 В).

1.5. Низкочастотныемагнитные поляпри нормальнойработе силового электрооборудования

Прикомпактном расположении силового и электронного оборудования возможнопостоянное воздействие на аппаратуру полей высокого уровня. Кроме того, частоприходится сталкиваться с повышением уровня магнитного поля промышленнойчастоты, обусловленным ошибочной конструкцией системы собственных нужд объекта.
Амплитуда таких полей обычно слишком мала для того, чтобы вызвать сбои илиотказы оборудования. Однако часто приходится сталкиваться с их негативнымвлиянием на дисплеи («дрожание» изображения). Это приводит к быстройутомляемости оперативного персонала, имеющего автоматизированные рабочие места(АРМ). Кроме того, оказываются превышенными нормы Санитарных правил (СанПиН).

1.6. Высокочастотныеэлектромагнитные поля,создаваемыерадиосредствами

За последнеедесятилетие были отмечены случаи сбоев в работе электронной аппаратуры наэнергообъектах под действием полей радиочастотных источников.

1.7. Низкоекачество напряжения питания

Чаще всегопроблемы качества питания возникают на подстанциях, питающих мощную нелинейнуюнагрузку. Таковы, в частности, тяговые подстанции, подстанции многихпромышленных предприятий и т.п. Другим распространенным источником проблем скачеством питания является использование устаревших источников бесперебойногопитания (ИБП), инверторов, стабилизаторов. В качестве примера на рис. 5показана кривая питания от устаревшего дизель-генератора, уже не отвечающегопотребностям питаемой им системы. Опасна также перегрузка ИБП. В этом случаевключение мощных потребителей способно вызывать броски напряжения питания ипоследующие переходные процессы с амплитудой порядка киловольта (согласнорезультатам измерений в ЦДУ «Мосэнерго»). Все вышеперечисленные причиныобусловили необходимость решения проблемы ЭМС.

2. Подход к решениюпроблемы ЭМС.

Во-первых, это контроль иповышение устойчивости применяемой аппаратуры к помехам.

Во-вторых, это оценка иулучшение электромагнитной обстановки на объектах.

Параметры ЭМОна различных объектах имеют большой разброс. Поэтому действующие нормынеизбежно ориентируются на некую «идеализированную» ЭМО, характерную дляобъектов без существенных дефектов. Теоретически можно изготовить аппаратуру,выдерживающую практически любые возможные помехи, но стоимость ее будетнепомерно высока. Поэтому наиболее экономичным является сочетание обоихподходов к решению проблемы ЭМС. В большинстве случаев проблемы ЭМСобъясняются:

1.

2.

3.

4.

5.

1) (comm6)CH1 200 V 10 mS
Рис. 7.Кривая питания отустаревшего дизель-генератора.

3. Контроль ЭМО

В сложившейсяситуации представляется необходимым проводить контроль ЭМО на энергообъектах (атакже промышленных предприятиях, узлах управления, связи и т.п.) передразмещением на них современной цифровой аппаратуры защиты, автоматики, АСУ,АСКУЭ и связи. Желательно также периодическое проведение контроля ЭМО с цельювыявления неблагоприятных изменений в силу старения заземляющего устройства,реконструкций и т.п. Что касается технического содержания работ по оценке ЭМО,то они (согласно сложившейся практике и мнению автора) должны включать в себяследующие работы:

3.1. Оценкасостояния заземляющего устройства,включая заземлениесредств грозозащиты

Помимоклассической процедуры проверки сопротивления растеканию заземляющегоустройства, имеется необходимость контроля качества электрических связей междуэлементами больших ЗУ.

В работеавторы использовали следующую методику: в пределах заземляющего контура объектавыбирается опорная точка. Связь остальных точек с опорной проверяетсяорганизацией токовой петли между заземлением проверяемого аппарата(конструкции) и опорной точкой. Измеряется потенциал проверяемой точкиотносительно удаленной земли (потенциального зонда). Частное от деленияпотенциала на ток прогрузки – это сопротивление, которое можно назватьсопротивлением основания аппарата (конструкции) относительно опорной точки.Величина меньше 0,1 Ом говорит о хорошей связи с опорной точкой. Величины более0,1 Ом объясняются дефектами ЗУ (малостью эффективного сечения заземлителейвследствие коррозии или конструктивных недоработок, недостаточным количествомили отсутствием металлосвязей). В этом случае должны проводиться мероприятия поулучшению состояния ЗУ. Для подобных измерений сейчас используются специальныецифровые приборы, обеспечивающие высокую селективность измеряемых сигналов нафоне помех, что крайне важно для измерений на объектах со сложной ЭМО.Трассировка коммуникаций ЗУ с помощью специальных трассоискателей может бытьполезна на этапе проведения ремонтно-восстановительных работ. При этом надоучитывать, что такие приборы обычно дают лишь приближенное представление огеометрии металлосвязей в пределах ЗУ, не позволяя оценить их качество.

3.2. Определениетрасс растекания токовпри грозовомразряде и КЗ

Опыт анализапричин повреждений аппаратуры и здравый смысл подсказывают, что сопротивление —не единственная характеристика ЗУ. Растекание значительных токов пометаллоконструкциям кабельных каналов, экранам кабелей, заземляющим шинам впомещениях с аппаратурой и корпусам оборудования само по себе опасно.Действительно, создаваемые при этом поля и наводки могут приводить к сбоям иотказам аппаратуры даже при том, что все требования нормативных документов ксопротивлению оказываются выполненными. Поэтому часто возникает необходимостьопределения реальных трасс токов молнии или токов КЗ.

3.3. Долговременныймониторинг помех в информационных цепях

Фиксируютсяпостоянно присутствующие помехи в широком диапазоне частот. Кроме того,производится мониторинг нерегулярно появляющихся импульсных помех. Осциллографс присоединенным компьютером переводятся в режим «черного ящика», позволяющийбез участия оператора обнаруживать помехи, фиксировать соответствующиеосциллограммы и записывать их в память компьютера. Теоретически времяпроведения мониторинга не ограничено (реально, как правило, – несколько суток).

3.4. Измерениеуровней помех в информационныхцепях и цепяхпитания при коммутационных операциях

Осуществляетсяс помощью современных цифровых осциллографов (типичная частота дискретизации 1ГГц на канал) с функцией запоминания импульсного сигнала. Выбор уставоктриггера осуществляется в зависимости от вида операции и цепи, в которойпроизводятся измерения. Осциллограммы в цифровом представлении передаются накомпьютер, что позволяет в дальнейшем осуществлять их обработку с использованиемматематических пакетов.

3.5. Оценкакачества напряжения питанияот основных ирезервных источников

Определяетсякоэффициент гармонических искажений, при необходимости отслеживается изменениедействующего значения в течение суток или более. Производитсяосциллографирование переключения на резервное питание, что позволяет определитьдлительность бестоковой паузы.

3.6. Оценка уровнейэлектромагнитных полей

Для измеренияполей используются специальные интегрированные приборы, антенны и т.п. В ряде случаевнеобходимо применение аналитических методов. Это касается, в частности,определения уровней магнитных полей в местах расположения аппаратуры при КЗ ввысоковольтных сетях с заземленной нейтралью.
Проведение указанных работ требует известной квалификации персонала ииспользования относительно дорогостоящего оборудования. Поэтому представляетсяцелесообразным проведение таких работ силами специализированных организаций илиотделов в рамках комплекса проектно-изыскательских работ по реконструкции объекта.Работы должны производиться в тесном контакте с проектировщиками, ведущимиобщий проект реконструкции. Разумеется, это приводит к некоторому удорожаниюпроекта, что является, по сути, платой за безопасность и надежностьпредлагаемого решения.
Что же касается контроля ЭМО в течение срока функционирования объекта междуреконструкциями, то здесь представляется целесообразным привлечение квыполнению этих задач эксплуатационного персонала. Основной задачей являетсявыявление внезапно возникших или скрытых проблем. При необходимости для ихполной диагностики и решения может быть проведено полное обследованиеаналогично тому, как это делается при реконструкции.

4. Улучшение ЭМО

Разумеется, оценка ЭМО неявляется самоцелью. По ее результатам разрабатываются и осуществляются защитныемероприятия. В зависимости от результатов обследования, они могут включать:

4.1. Оптимизациюзаземляющего устройства, в том числе:

·

4.2. Обеспечениеправильной прокладкивторичных цепей поусловиям ЭМС:

·

4.3. Оптимизациюсистем питания:

·

4.4. Установкаустройств защиты от перенапряжений

В последнеевремя все интенсивнее стали применяться устройства подавления импульсныхперенапряжений в цепях питания и обмена информацией. Такие устройствавыполняются на базе силовых элементов с сильно нелинейной вольт-ампернойхарактеристикой: разрядников, варисторов, стабилитронов и т.п. Нелинейность ВАХпозволяет организовать канализацию импульсных помех по схеме «провод-провод»или «провод-земля», не позволяя им достигнуть входов аппаратуры. Отметим, чтоэффективность использования таких устройств во многом определяется организациейсистемы заземления.

В настоящеевремя для максимально эффективного подавления помех в системе питания принятоиспользовать принцип зонной защиты.
Он заключается в установке защитных устройств в несколько каскадов, каждый изкоторых рассеивает некоторую часть энергии импульса (рис. 8). В результатеамплитуда помех снижается до уровней, безопасных для аппаратуры, даже непредназначавшейся специально для размещения на энергообъектах.

Рис. 8. Установка защитных
устройств классов I, II и III
(по классификации МЭК) в сети
TN-C-S 220/380 В

Что жекасается устройств защиты линий связи и цифровых интерфейсов, то здесьмногокаскадная структура часто реализуется в самом устройстве. Первый каскадпроизводит отвод основной части энергии импульса. При этом высокочастотнаясоставляющая, соответствующая обычно фронту импульса, проникает через первыйкаскад из-за ограниченного быстродействия последнего. Эта часть шунтируетсябыстродействующими стабилитронами второго каскада (время срабатывания — порядка1-10 нс для разных модификаций ). Результаты лабораторного тестированияпоказали высокую эффективность подобных устройств. Так, например, грозовойимпульс амплитудой 4 кВ от стандартного испытательного генератора может бытьпогашен практически полностью (см. рис. 9).

Tek(THS730A) STO1 200 V 200 uS

Форма импульса (реальная амплитуда – 4 кВ, на входе осциллографа использован делитель)

<img src="/cache/referats/17025/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1034">
Tek(THS730A) STO2 20 V 50 uS

Импульс на нагрузке, защищенной ТУЗ (амплитуда снижена до15 В)

Рис.9. Подавление стандартного грозового импульса устройством защиты интерфейсаRS485 (типа ТУЗ)

4.5. Экранированиечувствительной аппаратуры

Иногдавысокий уровень магнитных полей при КЗ в высоковольтной сети представляетнепосредственную угрозу для аппаратуры. В этом случае обычно рассматриваютсяварианты размещения аппаратуры в специальных экранирующих шкафах.
Разумеется, приведенными методами не исчерпывается все разнообразие решений,направленных на снижение уровней помех, воздействующих на аппаратуру. Болеетого, специфика энергетических и промышленных объектов, как правило, такова,что уровень действующих на аппаратуру помех не может быть снижен до очень малыхзначений без больших капитальных затрат.

Поэтому длявсей микропроцессорной аппаратуры, влияющей на безопасность и надежность работыобъекта, должен обеспечиваться высокий уровень собственной устойчивости кпомехам. Это подразумевает проведение в рамках сертификации и (или) экспертнойоценки испытаний на ЭМС, причем со степенями жесткости, отражающимиспецифические требования электроэнергетики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К проблемепомехозащищенности систем индустриальной автоматизации следует относиться смаксимальным вниманием, поскольку неправильный выбор схемы подключения,разводки кабелей, системы заземления и экранирования могут свести на нетдостоинства дорогой и, казалось бы, крайне надежной электронной части системы.

В то же времяправильное понимание описанных проблем позволит в ряде случаев достичь хорошихрезультатов с применением относительно недорогого оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://www.onat.edu.ua – курс лекций:«Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств».

2. Материалы журнала Новости ЭлектроТехники 1(13)2002 Автор: Михаил Матвеев

3.«ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХНА РАБОТУ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ» А.В. Голговских Вятскийгосударственный технический университет, г. Киров

4.«Электромагнитная защита и заземление» Автор: МишельПельт (Michiel Pelt) менеджер научно-исследовательского отдела Alcatel CablingSolutions.5. Сайт посвящённыйрешениюпроблем ЭМС — www.problemaemc.narod.ru

еще рефераты

Еще работы по технике. физике

Реферат по технике. физике

Приборы для измерения температуры

29 Августа 2013

Реферат по технике. физике

Паровая турбина

29 Августа 2013