Обычно, когда говорят об ЭМС микропроцессорной (МП) аппаратуры на энергообъектах, подразумевают аппаратуру систем РЗА, АСУ, АИИСКУЭ, СДТУ, связи. Мотив простой: от устойчивости работы этих систем зависят надежность и безопасность работы энергообъекта, а иногда и энергосистемы в целом. Но помимо аппаратуры этих систем, также имеются МП-устройства, важность обеспечения ЭМС которых часто недооценивается. Речь идет о системах пожарной автоматики.
Ситуация
Осенью 2011 года нам пришлось столкнуться сразу с двумя похожими авариями на разных объектах. В обоих случаях речь шла о новых подстанциях с КРУЭ. Суть произошедшего проста: при выполнении оперативных переключений происходило ложное срабатывание пожарной автоматики, которая начинала «тушить» несуществующий пожар в кабельном полуэтаже КРУЭ. Результат – нормальная работа обоих подстанций была нарушена.
Анализ
Был организован выезд диагностической бригады на один из объектов. После знакомства с ситуацией на месте выяснилось, что причиной сбоев является проблема ЭМС: влияние высокочастотных электрических процессов при оперативных переключениях на оборудование средств пожаротушения. Известно, что существуют два пути влияния этих процессов на МП-устройства:
- Воздействие колебательных затухающих магнитных полей (КЗМП) непосредственно на датчики, контроллеры и другие чувствительные электронные блоки;
- Влияние на аппаратуру кондуктивных затухающих помех (КЗП) в подключенных к этой аппаратуре сигнальных цепях и цепях питания. В нашем случае помехи могут попадать в цепи в виде наводок, создаваемых КЗМП, либо возникать вследствие влияния импульсных разностей потенциалов между элементами заземляющих устройств.
К чести персонала ПС нужно сказать, что он не только правильно интерпретировал ситуацию, но и самостоятельно принял меры, заметно улучшившие положение. Выполненное экранирование металлической сеткой электронных блоков датчиков в кабельном полуэтаже КРУЭ позволило избежать ложных срабатываний автоматики. Однако часть датчиков все же продолжала генерировать ложные сообщения о возгорании, что не позволяло считать проблему решенной. Эффективность экранирования сеткой прямо указывала на воздействие КЗМП на электронные блоки. Впрочем исключать влияние помех в цепях тоже не следовало , тем более что цепи оказались выполненными кабелем без двухстороннего заземления экрана, что резко повышает восприимчивость к наводкам [1-4].
В ходе работы выяснилось, что отсутствовали данные испытаний используемой аппаратуры пожарной автоматики на устойчивость к электромагнитным помехам согласно требованиям НТД [3, 5]. По-видимому, аппаратура не проходила таких испытаний вообще. Чтобы оценить уровень влияющих КЗМП и КЗП, были проведены измерения уровней помех при реальных коммутационных операциях в КРУЭ. Стоит отметить, что идеально было бы сделать расчеты для конкретной конфигурации КРУЭ, но это далеко не такая простая задача, как кажется на первый взгляд. Поэтому на действующем объекте вместо расчетов целесообразно проводить натурные измерения.
Измерение уровней КЗП показало сравнительно невысокие уровни помех, порядка нескольких сотен вольт. Напомним, что НТД предусматривает использование намного больших уровней испытательных воздействий при испытаниях на устойчивость к КЗП (1–2,5 кВ). Однако в условиях отсутствия достоверных данных о помехоустойчивости аппаратуры нельзя утверждать, что измеренные уровни помех не представляют опасности. Измерения КЗМП показали: максимальная напряженность поля в местах расположения датчиков достигает 10–25 А/м. Такие поля нужно рассматривать как потенциально опасные, поскольку испытания на устойчивость к КЗМП (ГОСТ Р 50652-94 [6]) не предусматриваются стандартными требованиями к МП аппаратуре для электростанций и подстанций, включая даже аппаратуру РЗА [3, 5]. На практике значительные уровни подобных полей очень редко фиксируются в помещениях, предназначенных для размещения аппаратуры.
Причины
Причиной генерации значительных уровней КЗМП, которую удалось быстро выявить, оказалась конструкция системы уравнивания потенциалов в кабельном полуэтаже, а именно отсутствие связи по кратчайшему пути между системой уравнивания потенциалов (СУП) КРУЭ 330 кВ и заземлением кабельной муфты со стороны кабелей в кабельном полуэтаже (рис. 1). Протекание высокочастотных токов (наводимых при коммутациях в корпусах элегазового оборудования, в экранах кабелей из сшитого полиэтилена, в элементах СУП) по длинному пути (5–10 метров) между экраном кабеля 330 кВ и металлоконструкциями КРУЭ и привело к генерации магнитных полей вблизи мест размещения датчиков. Красным указаны связи, отсутствующие изначально.
Рисунок 1 – Схема кабельной муфты 330 кВ: 1 – КРУЭ 330 кВ. Модуль ввода элегазовой муфты; 2 – коннектор (удлинитель); 3 – потолочное перекрытие; 4 – изолятор из литьевой смолы; 5 – дополнительные связки между фланцами (медь сечением не менее 35 мм2). Общее количество дополнительных связок между фланцами должно быть не менее четырех, распределенных равномерно по окружности фланца.
Корпуса элегазового оборудования и экраны кабелей вместе с жилами кабелей и шинопроводами образуют коаксиальную систему. Высокочастотные электрические процессы распространяются вдоль таких систем, практически не проникая во внешнюю среду. Однако разрыв «оболочки» коаксиала, произошедший из-за неправильного выполнения заземления муфты, привел к разрыву коаксиальной системы с излучением энергии поля во внешнюю среду.
Интересно, что протекание ВЧ-тока по элементам СУП в обход муфты привело к возникновению импульсных разностей потенциалов, достаточных для перекрытия воздушного промежутка кабельной муфты и пробоя внешней изоляции кабеля на поддерживающих его стойках (рис. 2).
 1 |
 2 |
 3 |
Рисунок 2 - Пробой внешней изоляции кабеля: 1 - кабельный полуэтаж; 2 - Место ввода кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена в КРУЭ; 3 - кабельная муфта |
|---|
Решение
Вообще говоря, разработать гарантированно эффективные мероприятия по обеспечению ЭМС нельзя, если помехоустойчивость аппаратуры неизвестна. Любые предлагаемые решения лишь снижают уровни помех, не исключая их полностью. Поэтому в данном случае можно говорить только о снижении вероятности ложных срабатываний.
Необходимые для этого мероприятия:
- модернизация СУП между КРУЭ и кабельным полуэтажом, выполнение отсутствующих металлосвязей;
- реализация двухстороннего заземления экранов кабелей системы пожарной автоматики;
- усиление экранирующих свойств сетки вокруг датчиков, соединение ее с экранами кабелей и элементами системы уравнивания потенциалов.
Выводы и рекомендации
Возникает более общий вопрос: почему проблема не была своевременно выявлена и устранена еще на стадии проектирования, ведь сегодня НТД предписывает выполнять проработку вопросов ЭМС в проекте?
Объяснить это можно тем, что традиционно в ходе работ по обеспечению ЭМС основное внимание уделяется вторичному оборудованию, связанному с обеспечением функционирования объекта: РЗА, АИИСКУЭ, АСУ ТП, связь и т.д. Причем это происходит на всех стадиях – от выбора аппаратуры до расчета параметров электромагнитной обстановки. Как мы видели, по аппаратуре пожарной автоматики, срабатывание которой может вызвать нарушение функционирования объекта в целом, отсутствовало и данные о соответствии требованиям помехоустойчивости, принятым в энергетике.
Что же касается расчета параметров электромагнитной обстановки, он, как правило, выполняется исходя из расположения вторичного оборудования опять-таки основных подстанционных систем. Оборудование пожарной сигнализации часто размещается в местах, удаленных от мест размещения «обычной» подстанционной аппаратуры, как это имело место в рассмотренном случае. Именно по этой причине недостатки в организации систем уравнивания потенциалов не повлияли на работу остального оборудования.
В будущем представляется целесообразным предусматривать обеспечение ЭМС аппаратуры пожарной автоматики отдельным разделом в документации, начиная с технического задания в части ЭМС и заканчивая соответствующим томом проекта. Это приведет к некоторому удорожанию работ, но зато сможет избавить от подобных досадных неудач в эксплуатации.
И, разумеется, необходим строгий контроль параметров помехоустойчивости аппаратуры пожарной автоматики, предназначенной для размещения на электрических станциях и подстанциях, с учетом специфических условий этих объектов.
Список использованной литературы
1. Guide on EMC in Power Plants and Substations. CIGRE Publ. 124, 1997.
2. Э. Хабигер. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М.: Энергоатомиздат, 1995.
3. СТО-56947007-29.240.044-2010. Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства.
4. Матвеев М.В., Кузнецов М.Б. Имитационное моделирование растекания тока молнии в ЗУ ПС и ЭС // Энергоэксперт. 2009. № 4(15).
5. ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5-2001). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электрических станциях и подстанциях. Технические требования и методы испытаний.
6. ГОСТ Р 50652-94 (МЭК 1000-4-10-93). Устойчивость к затухающему колебательному магнитному полю. Технические требования и методы испытаний.