Проблемы электромагнитной совместимости сетей высокого напряжения. Вопросы стандартизации

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

УДК 621.316.91

Я. Э. Еремич, С. А. Пашичева, Ф. Х. Халилов, Б. В. Ефимов

ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СЕТЕЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ. ВОПРОСЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ

Аннотация

Описаны основные причины нарушений электромагнитной совместимости (ЭМС) в сетях высокого напряжения. Особое внимание уделено проблеме перенапряжений и способам защиты от них. Перечислены основные мероприятия для обеспечения ЭМС. Рассмотрены вопросы стандартизации, как основного направления при решении проблемы ЭМС.

Ключевые слова:

электромагнитная совместимость, молниевые перенапряжения, внутренние перенапряжения, стандартизация.

Y. E. Eremich, S. A. Pashicheva, F. Kh. Khalilov, В. V. Efimov

ISSUES OF ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY IN HIGH VOLTAGE POWER SYSTEMS. QUESTIONS OF STANDARTIZATION

Abstract

The main causes of electromagnetic compatibility (EMC) disturbances in high voltage networks are described. Particular attention is paid to the problem of overvoltage and ways to protect against them. The main activities for EMC are listed. The questions of standardization as the main direction in solving the EMC problem are considered.

Keywords:

electromagnetic compatibility, lightning overvoltages, internal overvoltages, standardization.

Перенапряжения и особенности протекания электромагнитных процессов в таком оборудовании как силовые и измерительные трансформаторы, коммутационные аппараты, реакторы и др., имеют особую значимость при решении проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС), так как именно они являются основной причиной нарушений ЭМС и приводят к аварийным ситуациям.

Специфика современных сетей высокого напряжения такова, что невозможно без значительных инвестиций в энергообъект снизить до минимальных значений уровень опасных и мешающих нарушений ЭМС. Поэтому для каждого электронного устройства, от которого зависит безаварийная эксплуатация оборудования, требуется собственная устойчивость к электромагнитным помехам, нарушающим ЭМС.

С точки зрения улучшения эксплуатационных характеристик высоковольтного оборудования существенным фактором является обеспечение ЭМС при воздействии кратковременных импульсных молниевых и внутренних перенапряжений, так как наряду с длительным рабочим напряжением они воздействуют на изоляцию электрооборудования, приводя к постепенной или единовременной выработке ее ресурса. Указанные процессы являются причиной аварий, иногда с тяжелыми последствиями.

При эксплуатации высоковольтного оборудования имеют место проблемы, связанные с ЭМС первичных (силовых) и вторичных цепей (устройства релейной защиты и автоматики (РЗА), режимной и противоаварийной автоматики (ПА), автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и устройства высокочастотной (ВЧ) связи по проводам и грозозащитным тросам). Вторичные цепи имеют рабочие напряжения, не превышающие сотен вольт, т. е. на три порядка ниже, чем у первичных цепей. Поэтому для вторичных цепей представляют опасность воздействия помех, которые возникают при коммутациях электрооборудования, коротких замыканиях, грозовых перенапряжениях, разрядах статического электричества и др. Для электромеханических устройств систем управления, обладающих высокой электрической прочностью изоляции и инерционностью срабатывания, импульсные помехи не представляют такой серьёзной опасности, как для устройств, выполненных с применением электронных и микропроцессорных элементов, которые из-за низкого уровня и широкого частотного спектра рабочих сигналов имеют высокую чувствительность к импульсным помехам [1,2].

Наиболее тяжелые и частые нарушения нормальной работы электрических сетей 110 кВ и выше возникают вследствие воздействия молниевых разрядов. Кратковременное напряжение в месте удара молнии может достигать миллионов вольт, что вполне достаточно для пробоя изоляции практически любой линии электропередачи. Для защиты от прямых ударов молнии над проводами линий устанавливают тросы, а на подстанциях - вертикальные молниеотводы. Для защиты от обратных перекрытий с пораженной опоры на провода необходимо каждую опору заземлить с малым (до 10 Ом или несколько больше в районах с высоким удельным сопротивлением грунта) сопротивлением заземления. Для защиты оборудования подстанций применяют специальные разрядники или ограничители перенапряжений (ОПН).

Переходные процессы и сопутствующие им перенапряжения присутствуют в любой электроустановке и являются одним из основных источников аварий в сетях высокого напряжения. Как правило, они имеют вид затухающих колебаний, проходят через трансформаторы и автотрансформаторы в сети других напряжений и распространяются на большие расстояния, электрически связанные с местом возникновения.

Аварии и оперативные коммутации вызывают опасные и мешающие влияния цепей высокого напряжения "первичной коммутации" на цепи "вторичной коммутации" с электронными устройствами информационной и компьютерной техники электростанций и подстанций высокого напряжения. Они могут привести к выходу из строя или неселективной работе устройств вторичной коммутации в наиболее ответственные моменты аварий или коммутаций цепей первичной коммутации, когда от цепей вторичной коммутации требуется особенно четкая, селективная и бесперебойная работа [3].

Основными мероприятиями для обеспечения ЭМС являются [1-5]:

1. Организационное обеспечение ЭМС: организационные решения, постановления, нормативно-технические документы, направленные на исключение или снижение до приемлемого уровня электромагнитных помех между техническими средствами.

2. Техническое обеспечение ЭМС: технические решения, направленные на улучшение характеристик их ЭМС.

3. Зона влияния (радиус влияния): область пространства, в пределах которой уровень электромагнитной помехи превышает допустимый.

4. Сертификация технических средств на соответствие требованиям ЭМС: мероприятия, в результате которых удостоверяется соответствие определенного типа технического средства требованиям государственных, международных или иных нормативно-технических документов, регламентирующих характеристики ЭМС, посредством выдачи предприятию—изготовителю сертификата.

5. Экспертиза ЭМС: экспериментальное и (или) теоретическое исследование состояния обеспечения ЭМС технического средства в заданной электромагнитной обстановке.

6. Подавление помех: мероприятия, имеющие целью ослабление или устранение влияния помех.

7. Помехоподавляющее оборудование: устройство или комплект устройств, предназначенных для подавления помех.

8. Помехоподавляющий элемент: часть помехоподавляющего устройства, непосредственно осуществляющая подавление помех.

9. Экран (электромагнитный): устройство или элемент конструкции устройства, обеспечивающий поглощение, преобразование или отражение электрических и (или) магнитных полей и электромагнитных волн.

10. Экранирование (электромагнитное): способ ослабления электромагнитной помехи с помощью экрана с высокой электрической и (или) магнитной проводимостями.

11. Биологическая защита (от электромагнитного излучения): обеспечение регламентированных уровней электромагнитных излучений, соответствующих установленным санитарными нормами.

Так как одним из основных видов помех, влияющим на электромагнитную обстановку в сетях высокого напряжения, являются перенапряжения (внутренние или атмосферные), то такие сети должны быть максимально оснащены аппаратами и средствами защиты от перенапряжений. Большое внимание при этом уделяется молниезащите или защите от атмосферных перенапряжений. Показатели надежности защиты от перенапряжений с точки зрения теории ЭМС в значительной мере зависят от таких факторов как конструктивные особенности оборудования и линий на подходе к подстанции, различия величин сопротивлений заземления опор линии на подходе, протяженности заземлителей на подстанции и др. Это справедливо как для защиты от молниевых перенапряжений, так и для защиты от внутренних, в первую очередь, коммутационных перенапряжений.

При проектировании, эксплуатации, техническом перевооружении и реконструкции линий электропередачи и подстанционного оборудования актуальной проблемой является оценка надежности защиты от волн, набегающих с линий, так как на сегодняшний день при соблюдении действующих правил устройств электроустановок надежность защиты подстанции от прямых ударов молнии (ПУМ) на порядок превосходит надежность защиты от грозовых волн, набегающих на подстанцию с линий электропередач.

В связи с качественными и количественными изменениями функций сетей высокого напряжения условий их работы и необходимостью учета специфики отраслей (например, добычи и транспорта нефти и газа и многих других), в их защите от перенапряжений необходима реализация новых возможностей и способов применения современных защитных аппаратов (нелинейных ограничителей перенапряжений - ОПН, и в определенной мере, вентильных разрядников - РВ).

Исследования волновых процессов распространения перенапряжений, проведенные с помощью анализаторов переходных процессов (АПП) помогли значительно развить представления о надежности защиты электроустановок сетей 110 кВ и выше от перенапряжений и обеспечения ЭМС [6-9]. Однако основные методические положения и допущения, принятые в этих исследованиях в структуре моделей и методах моделирования, не позволили ликвидировать расхождения расчетных оценок надежности защиты от перенапряжений в сетях высокого напряжения с данными опыта их эксплуатации.

В наибольшей мере это относится к обеспечению выполнения директивных документов по сопротивлениям заземлений линий и подстанций, эксплуатации заземляющих устройств, длин защищенных тросовых подходов и др. Кроме того, становится объективной необходимостью усовершенствование схем тросовой зашиты и размещения защитных аппаратов (РВ, ОПН).

На сегодняшний день ситуация такова, что существующие схемы и средства защиты от перенапряжений электрооборудования сетей высокого напряжения в основном разработаны более полувека тому назад. Они отражали состояние технической оснащенности грозозащитными средствами, а также структуру и роль сетей того времени. Необходима разработка и широкое внедрение таких схем защиты, мероприятий и средств, которые с точки зрения технико-экономической эффективности наилучшим образом обеспечивают выполнение современных требований обеспечения ЭМС и надежности энергоснабжения. Прежде всего, это реализация принципов глубокого ограничения перенапряжений за счет корректного применения ОПН, каскадных схем их установки, ограничение длин тросовых подходов, применение новых схем подвеса тросов на опорах или отказ от них. Последнее обстоятельство продиктовано участившимися авариями, вызванными обрывами тросов из-за интенсивной коррозии и роста токов короткого замыкания.

Стандартизация в области ЭМС. Вследствие повсеместного присутствия проблем ЭМС во всех областях электротехники и ее бесчисленных применений в других отраслях, в прошлом были изданы различные указания, касающиеся нормирования ЭМС. Это многообразие, наряду с общей сложностью тематики ЭМС, и современное стремление к европейской интеграции делают развитие законодательства по ЭМС особенно актуальным. Критериями ЭМС являются: с одной стороны, не превышение определенного граничного значения излучения, а с другой - допущение определенного значения помех (помехоустойчивость). Это достигается целенаправленным применением помехоподавляющих средств или мероприятий. Нормы ЭМС условно делятся на три класса, каждый из которых в свою очередь может быть разделен на два (табл. 1).

Нормирование средств подавления помех относится к взаимоотношениям между поставщиком и потребителем и не регулируется законодательными актами. Приведенная классификация на практике не может быть хорошо реализована вследствие специфических различий в граничных значениях для различных отраслей техники и окружающих условий, а также разных взглядов на развитие нормирования ЭМС. Поэтому в отдельных случаях практикуются иные подходы.

Над проблемой ЭМС долгое время не задумывались, пока не были зарегистрированы массовые сбои в банковских системах при воздействии помех. Это привело к появлению Директивы ЭМС №89/336/ЕЕС, которая обязала страны Европейского сообщества ввести единые стандарты по электромагнитной совместимости и разработать систему сертификации. В результате с 1996 года в Европе не допускается продажа технических средств без сертификации соответствия стандартам по электромагнитной совместимости.

Таблица 1

Нормы ЭМС

1. Нормы излучения 2. Нормы помехоустойчивости 3. Нормы для средств подавления помех

Предельные значения излучения Методы и приборы для измерения излучения Предельные значения помехи Методы и приборы для испытаний и измерений Свойства средств подавления помех Методы и приборы для испытаний

На международном уровне стандартизацией всей электротехники в широких границах, а также стандартизацией ЭМС занимается Международная электротехническая комиссия (МЭК). Два технических комитета МЭК полностью заняты работами, относящимися к ЭМС: ТК77 «Электромагнитная совместимость оборудования, включая электрические сети» (табл.2), Международный специальный комитет по радиопомехам - СИСПР (табл.3). Кроме того, еще около сорока комитетов частично решают вопросы ЭМС при проведении работ в области своей ответственности. Организация взаимодействия по вопросам ЭМС между многими техническими национальные европейские стандарты комитетами МЭК возлагается на Консультативный комитет по ЭМС, который должен предпринимать меры, исключающие разработку конфликтных стандартов. Стандарты МЭК сами по себе не имеют юридического статуса. Если национальный комитет не согласен с указанными стандартами, он не обязан применять их. Но, как правило, большинство стандартов МЭК переводится в категорию национальных стандартов (например, в Великобритании в категорию национальных переведено 85 % стандартов МЭК).

Результатом работы МЭК являются: стандарты и публикации МЭК, публикации и рекомендации СИСПР. СЕНЕЛЕК (Европейский комитет по стандартизации в области электротехники) является ответственной европейской организацией в области стандартизации, которая уполномочена Европейской комиссией для проведения работ по подготовке европейских стандартов, обеспечивающих применение Директивы ЭМС. Внутри СЕНЕЛЕК вопросами ЭМС занимается Технический комитет 110, причем впервые этим комитетом также широко нормирована помехоустойчивость.

Таблица 2

Структура ТК77

Наименование ТК (ПК) Специализация по области деятельности

ТК 77 Электромагнитная совместимость 1. Терминология 2. Общие стандарты в области ЭМС 3. ЭМС и функциональная безопасность

ПК 77А Низкочастотные электромагнитные явления 4. Гармоники и другие низкочастотные помехи 5. Колебания напряжения и другие низкочастотные помехи 6. Электромагнитные воздействия, связанные с частотой сети 7. Методы измерения качества электрической энергш

ПК 77В Высокочастотные электромагнитные явления 8. Испытания на устойчивость к электростатическим разрядам 9. Устойчивость к излучемым электромагнитным полям и наведенным ими кондуктивным помехам 10. Устойчивость к кондуктивным помехам, исключая наведенныеизлучаемыми электромагнитными полями

ПК 77С Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва 11. Устройства защиты от ЭМИ ВЯВ

По содержанию стандарты подразделяются на три класса:

1. Генеральные стандарты, включающие в себя минимальные требования к излучению помех и к помехоустойчивости, связанные с типом окружающей среды, например жилой район, промышленный район, специальные условия ЭМС.

2. Базовые стандарты, включающие описание физических основ измерительных и испытательных методов для доказательства ЭМС, а также требуемые граничные значения параметров. Они имеют большое значение для изготовителей испытательных устройств ЭМС.

3. Рабочие стандарты содержат детальные указания по созданию испытательного и измерительного оборудования, по направленности испытаний для определенной группы изделий.

Кроме СЕНЕЛЕК, разработкой стандартов занимаются ЕТСИ (Европейский институт телекоммуникационных стандартов) и СЕН (Европейская организация по стандартизации). В каждой стране существуют национальные комитеты. В России это Государственный комитет по радиочастотам (ГКРЧ) и Региональные унитарные предприятия ГКРЧ, которые разрабатывают Государственные стандарты, нормы ГКРЧ, а также отраслевые стандарты (ОСТы) и руководящие технические материалы (РТМ) различных министерств и ведомств.

Таблица 3

Структура СИСПР

Подкомитет (ПК) Наименование/область применения

СИСПР/А Измерения радиопомех и статистические методы

СИСПР/В Промышленные, научные и медицинские радиочастотные устройства

СИСПР/С Воздушные линии электропередачи, высоковольтное оборудование и системы электрической тяги

СИСПР/О Автотранспортные средства и двигатели внутреннего сгорания

СИСПР/Е Радиовещательные приемники

СИСПР/Б Бытовые электрические приборы, электрические инструменты, световое оборудование и аналогичные устройства

СИСПР/в Оборудование информационных технологий

СИСПР/Н Нормы защиты для радиослужб

Начиная с 1992 г. новые европейские нормы, включенные в документы ЕЭС, стали обязательными. Существовавшие национальные нормы действовали в качестве альтернативных на переходный период до 31 мая 1995 года, однако без права присвоения знака СЕ. С 1 января 1996 года в рамках ЕЭС при свободном товарообороте должны удовлетворяться требования новых европейских норм или согласованных с ними национальных норм. От изготовителя требуется удостоверить, что требования по защите, установленные Директивой ЭМС, были выполнены.

В России до начала 2001 года обязательной сертификации по ЭМС подлежало электротехническое и электронное оборудование, включенное в соответствующий реестр. Теперь Россия приблизилась к Европе и ввела свою систему стандартов и сертификации. С введением новых стандартов практически вся электротехническая продукция попадает под обязательную сертификацию по ЭМС. Базовые стандарты на устойчивость к помехам

соответствуют МЭК 61000-4. Стандарты на допустимые уровни создания помех основываются на стандартах СИСПР. С 1 января 2001 года в России введено 26 новых стандартов в области ЭМС, из них 19 введены впервые. Основной задачей Российского технического комитета по стандартизации ТК 30 (табл.4) стало введение этих новых международных и региональных стандартов в области ЭМС в качестве национальных стандартов Российской Федерации и межгосударственных стандартов. Специалистами ТК 30 было подготовлено свыше 200 гармонизированных национальных и межгосударственных стандартов. Гармонизированными стандартами являются те, которые обеспечивают взаимозаменяемость продукции и/или взаимное понимание результатов её испытаний. К гармонизированным стандартам относят идентичные и модифицированные по отношению к международным стандартам.

Таблица 4

Структура ТК 30

Наименование ТК (ПК) Специализация ТК по области деятельности

ТК 30 "Электромагнитная совместимость технических средств" Подготовка основополагающих, общих стандартов ЭМС и стандартов для групп продукции

ПК 1 "Метрологическое обеспечение в области ЭМС технических средств" Метрологические вопросы при подготовке стандартов в области ЭМС

ПК 2 "Средства и методы и методы испытаний, нормы радиопомех и статистические методы для защиты радиоприема от радиопомех, создаваемых ПНМ ВЧ устройствами, воздушными линиями электропередач, высоковольтным оборудованием и электротранспортом Стандартизация в области защиты радиоприема от радиопомех

ПК 3 "Электромагнитная совместимость электрического электронного оборудования автотранспортных средств, устройств с двигателями внутреннего сгорания, бытовых электроприборов, светового оборудования, оборудования информационных технологий, звуковых и телевизионных приемников, оборудования Стандартизация в области ЭМС электрического/электронного оборудования автотранспортных средств, устройств с двигателями внутреннего сгорания, бытовых электроприборов, светового оборудования и аналогичных устройств

ПК 4 "Устойчивость к электромагнитным помехам и эмиссия низкочастотных электромагнитных помех Стандартизация в области устойчивости к электромагнитным помехам и эмиссии низкочастотных электромагнитных помех

ПК 5 "Электромагнитная совместимость и вопросы радиочастотного спектра" Стандартизация в области ЭМС технических средств радиосвязи

ПК 6"Качество электрической энергии" Стандартизация в области качества электрической энергии

ПК 7"Электромагнитная совместимость и функциональная безопасность технических средств Стандартизация в области ЭМС и функциональной безопасности

Комплект национальных стандартов широко применялся при установлении требований ЭМС к различным техническим средствам, а также при создании и аккредитации испытательных лабораторий ЭМС и органов по сертификации во многих системах обязательной сертификации («ГОСТ Р», «Электросвязь», «ОИТ» и др.). В 2003-2010 гг. данный комплекс национальных стандартов ЭМС был актуализирован и дополнен с учётом новых изданий международных и европейских стандартов ЭМС и затем использован при разработке и введении в действие технического регламента Таможенного союза «Электромагнитная совместимость технических средств» (ТР ТС 020/2011) (введён в действие с 15 февраля 2013 г.).

В настоящее время специалистами ТК 30 завершена работа по переоформлению более сорока национальных стандартов, входящих в этот комплекс, в межгосударственные стандарты с их одновременной актуализацией. Эта работа выполнена в связи с развитием технического регулирования в Таможенном союзе и формированием Евразийского Экономического союза.

Технический регламент по ЭМС Таможенного союза подвёл законодательную базу под проблему ЭМС в РФ, таким образом, проблемы ЭМС требуют все большего внимания.

Выводы

1. Для выполнения современных требований обеспечения ЭМС и надежности энергоснабжения в сетях высокого напряжения при воздействии кратковременных импульсных молниевых и внутренних перенапряжений необходима разработка и широкое внедрение схем защиты, основанных прежде всего, на принципах глубокого ограничения перенапряжений за счет корректного применения ОПН.

2. На сегодняшний день нормирование и стандартизация параметров оборудования и систем в процессе проектирования и конструирования являются необходимыми требованиями при решении проблемы ЭМС электроэнергетики. Эти требования, с одной стороны, должны обеспечить совместимость разнородного электрооборудования, а с другой - должны быть практически достижимыми.

Литература

1. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К и др. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике./ Под ред. А.Ф. Дьякова.-М.: Энергоатомиздат, 2003.- 768 с., ил.

2. Жгун Д.В. Электромагнитная совместимость высоковольтной техники.: Учеб. пособие. - Томск, Изд-во ТПУ, 2008. - 150 с.

3. Титков В.В. Электромагнитная совместимость электроэнергетики техносферы и биосферы.: учеб. Пособие/ В.В. Титков, Ф.Х. Халилов. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 20015. - 254 с.

4. Тиходеев Н.Н., Шур С.С. Изоляция электрических сетей (методика выбора, статистической координации и приведения к норме). - Л.: Энергия (Л О), 1979.

5. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. - М.: Энергоатомиздат. - 1995. - 304 с.

6. Костенко М.В., Михайлов Ю.А., Халилов Ф.Х. Электроэнергетика. Электромагнитная совместимость. Часть 1: учебное пособие. - Л.: СПбГТУ, 1997. - 102 с.

7. Бобров В.П., Гольдштейн В.Г., Халилов Ф.Х. Перенапряжения и защита от них в сетях 110 750 кВ/ Энергоатомиздат-Москва, 2005. - с. 261.

8. ГОСТ 13109-97. Международный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». -Минск, 1997.

9. ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний». Взамен ГОСТ 30376-95/ГОСТ Р 50627-93.

10. ГОСТ Р 50397-92. Совместимость технических средств электромагнитная.

Сведения об авторах Еремич Яна Эдвардовна,

Аспирант кафедры Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. эл.почта: yana.eremich@gmail.com

Пашичева Светлана Александровна,

Аспирант кафедры Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. эл.почта: pashicheva.sv@gmail.com

Халилов Фирудин Халилович,

Доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Заслуженный деятель науки и техники, действительный член Академии электротехнических наук. эл.почта: firudin-khalilov@yandex.ru

Ефимов Борис Васильевич,

директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н., Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: efimov@ien.kolasc. net. ru