Разработка комплекса мероприятий в сетях оперативного тока на АЭС по обеспечению электромагнитной совместимости с целью улучшения электромагнитной обстановки

УДК 621.311.25

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСАМЕРОПРИЯТИЙ В СЕТЯХ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА НА АЭС ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ

О.В. Фоменко, А.А. Мирошниченко

Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного _университета «МИФИ»

Volgodonsk Engineering and Technology Institute branch of National Research Nuclear University of «MEPHI»

В статье рассмотрены методы обеспечения электромагнитной совместимости систем контроля, управления и сигнализации в системе оперативного тока.

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, сеть постоянного тока, микропроцессорное оборудование, защитное заземление.

The article considers the methods of ensuring electromagnetic compatibility of control systems, control and alarm in the system of operative current.

Keywords: electromagnetic compatibility, DC network, microprocessor equipment, protectivegrounding.

Определение уровня электромагнитных помех с целью выявления неблагоприятной электромагнитной обстановки (ЭМО), т.е. условий, от которых зависит помехоустойчивость в местах расположения электрооборудования, достаточно актуальная задача. Этот вопрос всё чаще возникает в связи с проблемой обеспечения надёжности систем контроля, управления и связи, реализованных на базе цифровой техники и работающих в условиях реальных объектов электроэнергетики, в частности

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 ЭМО на объекте, где оно размещается. В свою очередь, любые технические средства (ТС), установленные на промышленном объекте, также вносят свою долю в ухудшение ЭМО на объекте. При этом ТС влияют на качество работы другого оборудования, работающего с ними в одной системе управления и контроля, кроме того они могут вызвать сбои и нарушения функционирования этого оборудования. А также они могут влиять на работу системы управления в целом: вызывать сбои, ложные срабатывания, необоснованные включения и выключения систем защиты. Существуют два основных пути повышения качества функционирования ТС в условиях крупных промышленных

на АЭС.

объектов: улучшение ЭМО в помещениях и на объектах, где они устанавливаются, и повышение надежности функционирования их в условиях воздействия сильных помех. [2]

Задача по улучшению ЭМО и снижению уровня, существующих на объекте, помех должна решаться в процессе проектирования и монтажа объекта. Так, например, ЭМО можно улучшить, применив качественное заземление, установив защиты от перенапряжения, сетевые фильтры, применив различного рода экранирования. Однако не для всех объектов возможно учесть все факторы, влияющие на качество ЭМО. Особенно актуален этот вопрос для крупных энергетических и промышленных объектов, которые характеризуются наличием крупного оборудования (генераторов, трансформаторов и пр.), наличием высоковольтных и низковольтных устройств, близостью высоковольтных линий электропередачи и т.п. Следовательно, задача по повышению надежности функционирования самих ТС в условиях воздействия электрических, магнитных и электромагнитных помех, электростатических разрядов и т.д., которая должна решаться производителями при их разработке и производстве. [1]

Технологический цикл производства электроэнергии на современных электростанциях полностью механизирован. Имеются многочисленные механизмы собственных нужд (СН) как основного энергетического оборудования (ядерные реакторы, парогенераторы, турбины), так и вспомогательных цехов станций.

Основное электрооборудование электрических станций в качестве питающего напряжения использует постоянный ток. Так же на постоянном токе работают системы защиты и управления электрооборудования. Для контроля, регулирования в системах постоянного тока применяются щиты постоянного тока

Защита, как вводных линий, так и линий потребителей от перегрузки и коротких замыканий осуществляется за счет характеристик используемых выключателей и разъединителей-предохранителей.

В ЩПТ осуществляется непрерывный контроль сопротивления изоляции шин с помощью прибора автоматического контроля и измерения сопротивления изоляции системы, установленного в шкафу ШВ.

В настоящее время доступен широкий арсенал методов снижения уровней помех:

- улучшение состояния заземляющего устройства (ЗУ) объекта;

- реализация системы молниезащиты с учетом требований ЭМС;

- экранирование аппаратуры;

- экранирование вторичных цепей;

- гальваническая развязка (изоляция);

- применение устройств защиты от импульсных перенапряжений;

- стабилизация и фильтрация напряжения питания;

- применение специальных антистатических покрытий;

- оптимизация компоновки объекта по условиям ЭМС.

Помехи в сети постоянного тока во многом схожи с помехами в сети переменного тока: провалы напряжения, перенапряжения при коммутационных процессах, импульсные помехи при коммутациях на высоком напряжении и грозовых разрядах.

Особенностью сети постоянного тока являются: наличие пульсации до 60% при отключении аккумуляторной батареи; переменной составляющей промышленной частоты (при воздействии сильных электромагнитных полей от силового оборудования); импульсные помехи при коммутации электромеханических устройств систем РЗА и силового оборудования с приводом на постоянном токе.

Для защиты работающего персонала, а так же электрооборудования повышенной чувствительности, от опасности поражения электрическим током при переходе напряжения на металлические нетоковедущие части (например, при коротком замыкании), нормально не находящиеся под напряжением, наиболее эффективным считается применение защитного заземления, т.е. преднамеренного соединения нетоковедущих частей электрооборудования, которые могут случайно оказаться под напряжением с ЗУ.

Защитное заземление представляет собой систему металлических заземлителей, помещенных в землю и электрически соединенных специальными проводами с металлическими частями электрооборудования, нормально не находящимися под напряжением.

В качестве искусственных заземлителей чаще всего применяют угловую сталь

60x60 мм, стальные трубы диаметром 35-60 мм и стальные шины сечением не менее

2 и

100 мм .Стержни длиной 2,5...3м погружаются (забиваются) в грунт вертикально в специально подготовленной траншее (рис.1).Вертикальные заземлители соединяются стальной полосой, которая приваривается к каждому заземлителю. По расположению заземлителей относительно заземляемого оборудования системы заземления делят на выносное и контурное. [4], [7]

Рисунок 1 - Установка вертикального заземлителя в траншее

Выносное заземление оборудования показано на рисунке 2. При выносной системе заземления заземлители располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования. Поэтому заземленное оборудование находится вне поля растекания тока и человек, касаясь его, окажется под полным напряжением относительно земли. Выносное заземление защищает только за счёт малого сопротивления грунта.

Рисунок 2 - Схема выносного заземления:1-заземляемое оборудование; 2- заземлители

Контурное заземление показано на рисунке 3. Заземлители располагаются по контуру заземляемого оборудования на небольшом (несколько метров) расстоянии друг от друга. В данном случае поля растекания заземлителей накладываются, и любая точка поверхности земли внутри контура имеет значительный потенциал.

Рисунок 3 - Схема контурного заземления

В электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление ЗУ должно быть не выше 4 Ом; если же суммарная мощность источников не превышает 100 кВ ' А, сопротивление заземления должно быть не более 10 Ом. Поэтому расчет заземления сводится к определению числа заземлителей и длины соединительной полосы, исходя из допустимого сопротивления заземления. Окончательный вид заземления по расчётным данным имеет вид на рисунки 4 и 5.

Рисунок 4 - Схема полученного выносного заземления

Рисунок 5 - Схема расположения заземлителей

Для ЩПТ сопротивление заземляющего устройства должно быть не выше 4 Ом. Расчет заземления сводится к определению числа заземлителей и длины соединительной полосы исходя из допустимого сопротивления заземления.

Таблица 1 -Исходные данные

Мощность электроустановки Р, кВт 176

Вид заземления выносное

Длина заземлителя ^ м 3

Глубина заложения заземлителя в грунт ^ м 0,65

Коэффициент сезонности ^ 2,0

Удельное сопротивление грунта р, Ом-м 70

Диаметр заземлителя d, м 55

Ширина соединительное полосы Ь, м 50

Допускаемое сопротивление системы заземления по ПУЭ RЭ.Н. ,Ом 4

1) В качестве заземлителя выбираем стальную трубу диаметром ё = 55мм, а в качестве соединительного элемента - стальную полосу шириной Ь = 50мм.

2) Выбираем значение удельного сопротивления грунта, равное 70 Ом*м, для района с преобладающим видом почвы - земля до глубины 0.6 м, ниже - глина.

3) Определяем значение электрического сопротивления растеканию тока в землю с одиночного заземлителя:

к, = 0,366 ^ Г1821+1 =

3 1 I ё 2 4 -1)

2 ч

70 • 2 N 2 • 3 1, 4 • 2,15 + 3

= 0,366

1е-+ - -'-I = 86,36 Ом.

0,055 2 4• 2,15 -3 )

где р = 700м - удельное сопротивление грунта, К = 2,0 - коэффициент сезонности, 1 = 3 м - длина заземлителя, < = 55мм - диаметр заземлителя,

Х = Ь + 0,51 = 0,65 + 0,5 • 3 = 2,15 м - расстояние от поверхности грунта до середины

заземлителя.

1) Рассчитываем число заземлителей без учета взаимных помех, оказываемых заземлителями друг на друга, так называемого явления взаимного «экранирования»

= = 86,36 = 21 к 22

2) Рассчитываем число заземлителей с учетом коэффициента экранирования:

/ О О

п = —=-= 33,33 ~ 33

Лз 0,66

где л = 0,66 - коэффициент экранирования.

Принимаем расстояние между заземлителями а = 1 = 3 м

3) Определяем длину соединительной полосы

1П =1,05 • п • а = 1,05 • 22 • 3 = 69,3 м.

4) Рассчитываем полное значение сопротивления растеканию тока с соединительной полосы:

Яп = 0,3661в ^ = 0,3667021в 2^69,32 = 4,045 Ом.

п 1П Ь • Ь 69,3 0,05 • 0,65

5) Рассчитываем полное значение сопротивления системы заземления

К,=_^_=_^_=2,644 Ом.

зу ^-Л+ • л • п 86,36 • 0,51 + 4,045 • 0,66 • 33

где л =0.51 - коэффициент экранирования полосы.

Сопротивление Язу = 2,64 Ом меньше допускаемого сопротивления, равного 4 Ом. Следовательно, диаметр заземлителя < = 55 мм при числе заземлителей п= 33 является достаточным для обеспечения защиты при выносной схеме расположения заземлителей.

Так же при анализе ЭМО необходимо учитывать вторичные проявления молниевого разряда и их влияние на оборудованиеРЗА, АСУ, АСКУЭ и связи ЭС и ПС. Под вторичными проявлениями молниевых разрядов понимаются перенапряжения, приложенные к изоляциивторичных цепей, а также электромагнитные помехи,

воздействующие на аппаратуру РЗА, АСУ, АСКУЭ и связи, при ударе молнии в существующие молниеотводы объекта. Приэтом, как правило, не рассматриваются случаи прорыва молнии через существующую систему защиты от прямого удара. Это, кстати, не всегда корректно - в настоящее время молниезащиту ЭС и ПС часто проектируют с надежностью 0,9. Легко показать, что для многих ПС это означает, что среднее количество прорывов молнии будет неприемлемо высоким - иногда чаще 1 раза в 10 лет. При этом необходимо помнить и о том, что даже при оптимально построенной системе защиты от вторичных проявлений молнии, невозможно гарантировать 100% защиту МП аппаратуры и её цепей при молниевых разрядах. [3]

Источником вторичных проявлений молниевых разрядов являются: разности потенциалов, возникающие между различными элементами ЗУ ПС (ЭС) при протекании через ЗУ тока молнии, а также импульсные магнитные поля, создаваемые током молнии.

Следует учитывать что, помимо воздействия помех через вторичные цепи, сама МП аппаратура может быть подвержена воздействию импульсного магнитного поля, создаваемого током молнии. Кроме того, источниками импульсного магнитного поля (индуцированного током молнии) могут служить естественные и искусственные заземлители, проходящие в непосредственной близости от мест размещения МП аппаратуры и связанные с заземлением элементов молниезащиты. Так, например, при протекании части тока молнии по проводным коммуникациям, заходящим на конструкции с молниеприёмниками (кабели питания прожекторов на молниеотводных мачтах или кабели радиосвязи на антенных опорах) внутрь зданий с МП аппаратурой, могут генерироваться поля, значительно превышающие уровень устойчивости аппаратуры. При этом протекание даже десятой части тока молнии (при общем токе молнии 100 кА) по проводным коммуникациям внутри здания может приводить к генерации полей выше 1000 А/м за счёт малого расстояния между источником поля и МП аппаратурой.

В данном случае для обеспечения надёжной работы МП аппаратуры необходимо применять местное экранирование кабелей, токоведущих частей, а так же самой МП аппаратуры.

Для создания благоприятной ЭМО и обеспечения требований по электромагнитной безопасности объекта производится экранирование электромагнитных волн.

Применение качественных экранов позволяет решать многие задачи, среди которых задачи ЭМС оборудования и приборов при их совместном использовании, задачи защиты персонала от повышенного уровня электромагнитных полей и обеспечение благоприятной экологической обстановки вокруг работающих электроустановок.

Под экранированием в общем случае понимается как защита приборов от воздействия внешних полей, так и локализация излучения каких-либо средств, препятствующая проявлению этих излучений в окружающей среде. Теоретическое решение задачи экранирования, определение значений напряженности полей в общем случае чрезвычайно затруднительно, поэтому в зависимости от типа решаемой задачи представляется удобным рассматривать отдельные виды экранирования: электрическое, магнитостатическое и электромагнитное. Последнее является наиболее общим и часто применяемым, так как в большинстве случаев экранирования приходится иметь дело либо с переменными, либо с флуктуирующими и реже -действительно со статическими полями.

Следует отметить, что, несмотря на тот факт, что характеристики ЗУ влияют на

уровень помех на объекте (в том числе, импульсных), не всегда уровень импульсных помех прямо связан с характеристиками заземляющего устройства. [5] Так, например, имеют место быть случаи массового повреждения электронных блоков АСУ ТП помехами, генерируемыми при работе контакторов. Происходит это, несмотря на хорошее состояние заземляющего устройства.

Ещё одним важным параметром является уровень помех при коммутационных операциях. На действующем объекте его можно оценить прямыми измерениями, однако, в настоящее время единая математическая модель, описывающая влияние коммутационных помех в первичных сетях на вторичные цепи, не создана и находится в процессе разработки.

Существует три основных типа устройств защиты от импульсных перенапряжений: разрядник, варистор, защитный диод.

Определение уровня электромагнитных помех с целью определения неблагоприятной ЭМО в местах расположения электрооборудования достаточно актуальная задача, которая всё чаще возникает в связи с проблемой обеспечения надёжности систем контроля, управления и связи, реализованных на базе цифровой техники и работающих в условиях реальных объектов электроэнергетики, в частности на АЭС.

Возможность моделирования реальных электрических схем и происходящих в них процессов позволяет в реальных условиях эксплуатации электрооборудования на АЭСучитывать превышение уровня помехоустойчивости устройств с дальнейшей разработкой мероприятий по снижению этого уровня до допустимых значений.

Литература

1. Шваб А. Й. Электромагнитная совместимость. -М.: Энергоатомиздат, 1995г.

2. Дьяков А.Ф. Максимов Б.К. и др. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике./Под редакцией А.Ф. Дьякова. - М.: «Энергоатомиздат»,2003.

3. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. - М.: «МЭИ», 2004.

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

5. Методические указания для проведения практических занятий по дисциплине «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике». Волгодонский ин-т-филиал НИЯУ МИФИ, 2011.

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

7. ПУЭ, СНиП-Ш-33-76 и инструкции по устройству сетей заземления и зануления в электроустановках (СН 102-76).

8. Казанцев Ю.А., Кузовкин В.А. Электромагнитная совместимость информационных систем. - М.: «МЭИ», 1995.

Фоменко Ольга Викторовна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Атомные электрические станции» ВИТИ НИЯУ МИФИ г. Волгодонск. E-mail: ovyl@mail. ru

Мирошниченко Александр Александрович - студент 5 курса группы М-ЭС-07-Д1 ВИТИ НИЯУ МИФИ г. Волгодонск. E-mail: m.a.alexander@ya.ru

Fomenko Olga V.-doctor, associate professor, nuclear power plants departament, Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch ofNational Research Nuclear University "MEPhI". E-mail:ovyl@mail.ru

Miroshnichenko Alexander A. - student of the 5th course, group M-ES-07-D1, Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University "MEPhI". E-mail: m.a.alexander@ya.ru