Проблемы электромагнитной совместимости сетей высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения, техносферы и биосферы

УДК 621.316.91

Я. Э. Еремич, С. А. Пашичева, Ф. Х. Халилов

ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СЕТЕЙ ВЫСОКОГО, СВЕРХВЫСОКОГО И УЛЬТРАВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ, ТЕХНОСФЕРЫ И БИОСФЕРЫ

Аннотация

Решение задач электромагнитной совместимости (ЭМС) сетей высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения, техносферы и биосферы требует понимания характера взаимодействия этих систем. В настоящей статье рассмотрены основные аспекты такой ЭМС.

Ключевые слова:

электромагнитная совместимость, электромагнитные помехи, электромагнитное влияние. Ya. E. Eremich, S. A. Pashicheva, F. Kh. Khalilov ISSUES OF ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY

IN HV, EHV AND UHV POWER SYSTEMS, TECHNOSPHERE AND BIOSPHERE

Abstract

Solutions for EMC problems in high, extra-high and ultra-high voltage power networks require knowledge of interaction among power networks, techno sphere and biosphere. This article deals with its main aspects.

Keywords:

electromagnetic compatibility, electromagnetic disturbances, electromagnetic influence.

Введение. Значимость проблемы ЭМС в электроэнергетике в настоящее время столь же велика, как и известные проблемы экологии, энергетической безопасности и энергоресурсосбережения. Несоблюдение требований ЭМС в сетях высокого (ВН), сверхвысокого (СВН) и ультравысокого (УВН) напряжения часто приводит к огромным убыткам, которые связаны с повреждением дорогостоящего оборудования, недоотпуском электроэнергии, нарушением работы систем управления и контроля и т. д.

Все возрастающие электромагнитные поля в пространстве, окружающем мощные электроустановки, увеличение мощности, токов и напряжений в сетях указанных классов напряжения нарушают их взаимную электромагнитную совместимость с различными системами ноосферы (экосферы, биосферы или техносферы).

В зависимости от характера взаимодействия с этими системами все проблемы ЭМС электроэнергетики с ноосферой можно условно подразделить на 5 групп: 1) с окружающей средой (ЭКО-ЭМС); 2) с биосферой (БИО-ЭМС);

3) с протяженными металлическими сооружениями техносферы (ТЕХНО-ЭМС);

4) с информационной, компьютерной и радиотехнической электроносферой (ЭЛЕКТРОНО-ЭМС); 5) внутренняя (ИНТЕР-ЭМС) — между подсистемами самой электроэнергетики.

Конечно, применяя такое разделение, следует принимать во внимание, что в условиях эксплуатации различных систем (например подстанций) и подсистем (например трансформаторов) указанные проблемы могут переплетаться и частично дублировать друг друга.

Далее в статье рассматриваются проблемы ЭМС сетей ВН, СВН и УВН с каждой из указанной систем ноосферы.

Проблемы ЭКО-ЭМС касаются вопросов атмосферного электричества, электрохимической коррозии, электромагнитных бурь и последствий отчуждения больших участков земли под подстанции и высоковольтные линии. Основные проблемы ЭКО-ЭМС представлены схематически на рис. 1 [1].

Рис. 1. ЭМС электроэнергетики с окружающей средой

Наиболее тяжелые и частые нарушения нормальной работы электрических сетей ВН, СВН и УВН возникают вследствие воздействия разрядов молнии. Кратковременное напряжение в месте удара молнии может достигать миллионов вольт, что вполне достаточно для пробоя изоляции практически любой линии электропередачи, вплоть до УВН. Для защиты от прямых ударов молнии над проводами линий устанавливают тросы, а на подстанции — 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 земли) сопротивлением заземления. Для защиты оборудования подстанции применяют специальные разрядники или ограничители перенапряжений (ОПН).

Воздействие геомагнитных бурь на протяженные линии электропередачи может приводить к возникновению уравнительных токов, значения которых достигают десятков и даже сотен ампер [2]. Это может приводить к ложным отключениям этих линий вследствие неверной работы релейной защиты, к росту перетока мощности по параллельным линиям и их перегрузке с последующим отключением, т. е. к системной аварии, сопровождающейся нарушением электроснабжения потребителей на большой территории и большим экономическим ущербом. Эти обстоятельства необходимо учитывать при проектировании релейной защиты дальних электропередач.

В свою очередь, сети ВН, СВН и УВН оказывают неблагоприятное влияние на окружающую среду. Напряжения и токи в проводах ЛЭП создают в земле блуждающие токи, электрическое поле которых инициирует протекание уравнительных токов в подземных металлических устройствах. Блуждающий ток вызывает усиленную электрохимическую коррозию оболочек кабелей трубопроводов, заземлителей и других протяженных подземных сооружений. Чтобы уменьшить интенсивность коррозии, необходимо удалить подземный проводник от зоны блуждающих токов, устроить «дренаж» — отвод блуждающих токов на специальные электроды, применять «анодную» защиту.

Сети ВН, СВН и УВН создают неблагоприятные экологические последствия для окружающей местности, такие как: нарушение природного ландшафта, затруднение сельскохозяйственных работ, отчуждение больших земельных участков.

Проблемы БИО-ЭМС появляются в связи с возникновением опасных и мешающих влияний на биосферу. Схематически они представлены на рис. 2.

Главную опасность для человека представляет ток, который протекает через тело человека при прикосновении к частям электроустановки, находящимся под различными потенциалами.

Наиболее опасные напряжения прикосновения (^пр) и шага (иш) возникают на подстанциях 110 кВ и выше в сетях с эффективным заземлением нейтралей трансформаторов. В большинстве случаев для обеспечения безопасности обслуживающего персонала на таких подстанциях устраивают контур защитного заземления с сопротивлением растекания не более Я з = 0.5 Ом. Контур охватывает всю подстанцию, а внутри его для обеспечения безопасного напряжения шага прокладывают в земле полосы, а для безопасного напряжения прикосновения вокруг оборудования (выключатели, трансформаторы и т. п.) прокладывают дополнительные контуры, выравнивающие распределение напряжения

на поверхности земли. В местностях с высоким удельным сопротивлением земли допускается некоторое увеличение Яз, но напряжения иир и иш должны быть ограничены путем прокладки дополнительных полос внутри контура.

Опасные гальванические влияния вызываются большими аварийными токами короткого замыкания через заземляющие устройства подстанций и линий УВН и СВН. На мощных подстанциях ток однополюсного короткого замыкания, протекающий через контур заземления, может достигать и даже превосходить 1з = 20 кА. При этом напряжение на заземлении не должно превосходить из = 10 кВ. Кроме того, может представлять опасность высокое напряжение, выносимое с подстанции по рельсам, трубопроводам, оболочкам кабелей и другим протяженным металлическим предметам. В местах выхода их за пределы

заземляющего контура подстанции на них необходимо предусмотреть соответствующие изоляционные устройства.

Рис. 2. ЭМС электроэнергетики с биосферой

Специфическую опасность может представить прикосновение человека к крупногабаритному транспорту на резиновом ходу под проводами ЛЭП СВН, особенно УВН, так как под проводами линий СВН и УВН у поверхности земли имеет место повышенная напряженность электрического поля Е даже в нормальном режиме работы. При Е > 20 кВ/м прикосновение человека к крупногабаритному транспортному агрегату на резиновом ходу может быть опасным. Через человека, стоящего на земле, будет протекать значительная часть емкостного тока от проводов ВЛ к этой машине.

Исследования и анализ опыта работы показывают, что в нормальном режиме работы ВЛ оказывает неблагоприятное воздействие на окружающее население, особенно на обслуживающий персонал, вследствие воздействия магнитного и электрического полей, а также акустических помех.

Нормы и правила по охране труда временно (до дальнейшего уточнения) рекомендуют допустимую продолжительность систематического пребывания обслуживающего персонала в электрическом поле, указанную в табл. 1.

Таблица 1

Гигиенические нормативы напряженности электрического поля для персонала, обслуживающего установки СВН

Напряженность Допустимая длительность пребывания

электрического поля Е, кВ/м человека в течение суток, Гдш., мин

До 5 Без ограничения

5-10 180

10-15 90

15-20 10

20-25 5

Свыше 25 Не допустима

Приведенные в табл. 1 значения Е определяются в наиболее неблагоприятном месте возможного пребывания человека при условии, что остальное время он находится в местах, где напряженность электрического поля не превышает 5 кВ/м. Кроме того, должны быть приняты меры, исключающие возможность воздействия кратковременных электростатических разрядов на организм человека в рабочих условиях. Значительно сложнее вопрос о нормировании допустимой напряженности электрического поля вблизи линий электропередачи. Длительное систематическое нахождение людей или животных в пределах полосы отчуждения не предусмотрено. Поэтому в настоящее время в качестве допустимой напряженности под проводами для населенной местности обычно принимается Е < 15 кВ/м и Е < 20 кВ/м — для ненаселенной. За пределами полосы отчуждения, где возможно длительное нахождение детей, напряженность должна быть значительно ниже (Е < 2 кВ/м).

Акустические помехи высокой интенсивности также неблагоприятно сказываются на самочувствии людей. В отдельных элементах электрических аппаратов под влиянием переменных электромагнитных полей возникают электродинамические силы. Они пульсируют с двойной частотой (100 Гц) и создают механическую вибрацию. В последнее время внимание специалистов привлек еще один эффект ВЛ СВН, влияющий на экологическую обстановку. Речь идет о создаваемом линиями шуме. Шум можно слышать при хорошей погоде (без осадков), но особенно он усиливается при дожде. Шум вызывается коронным разрядом на проводах. Согласно СНиП ВЛ, СВН и УВН не должны приближаться к населенным пунктам ближе 300 м.

Наиболее сильные акустические помехи возникают при моросящем дожде или тумане, когда вибрирующими элементами оказываются капли воды, ионизированные коронным разрядом у поверхности провода. В результате такой вибрации ВЛ 110...220 кВ при дожде «шипят», ВЛ 330...500 кВ «гудят», а ВЛ 750 кВ «ревут».

Опасные влияния на промышленной частоте и высоких частотах относятся к сфере вопросов ТЕХНО-ЭМС. На рис. 3. схематически представлены основные проблемы ЭМС электроэнергетики с протяженными металлическими сооружениями.

Опасное влияние — это такое влияние, которое может представлять опасность для здоровья и жизни обслуживающего систему персонала и населения, вызывать повреждение аппаратуры и приборов или ложные срабатывания цепей сигнализации и блокировки, создающие вероятность, например, железнодорожной аварии. Со всем этим приходится считаться при аварийных или ненормальных режимах работы сетей высокого напряжения.

При несимметричных коротких замыканиях в сетях с глухим заземлением нейтрали (ин > 110 кВ) возникают большие токи в земле и сильные магнитные поля, которые могут вызвать опасные магнитные влияния. Они создают ЭДС взаимоиндукции и напряжения относительно земли в воздушных и кабельных линиях связи (ЛС), трубопроводах, транспортных сооружениях и т. п. Высокая напряженность электрического поля вблизи ВЛ может обусловить опасные влияния на воздушные линии связи, находящиеся в непосредственной близости от ВЛ. Под проводами линий

СВН и УВН у поверхности земли имеет место повышенная напряженность электрического поля Е даже в нормальном режиме работы.

Рис. 3. Схематическая структура проблем ТЕХНО-ЭМС

Ряд мер, способствующих снижению опасных влияний, можно осуществить и на ВЛ. К их числу относятся:

• установка на ВЛ хорошо проводящих (сталеалюминевых) заземленных тросов;

• частичное разземление нейтралей трансформаторов для уменьшения токов однофазного к. з.;

• автоматический контроль состояния изоляции ВЛ с изолированной нейтралью и быстрое отключение поврежденного участка, чтобы исключить к. з. в двух точках;

• перевод ВЛ в кабельную в городских условиях, а также в пересечениях с ВЛ.

Под мешающим влиянием следует понимать помехи, которые возникают

в сетях высокого напряжения в условиях длительного (нормального) режима их работы. Они не создают непосредственной опасности для сооружений техносферы, однако ухудшают качество, снижают надежность или создают затруднения для нормального функционирования связи, телевидения, радио и т. д.

Рабочие токи 50 Гц в проводах ВЛ образуют магнитное поле, создающее мешающее влияние в цепях дистанционного питания неуправляемых

усилительных пунктов высокочастотных каналов в кабелях связи, других устройствах связи, использующих землю в качестве обратного провода.

Высшие гармоники токов и напряжений крайне нежелательны: они неблагоприятно сказываются на работе электрических сетей, создают дополнительные потери в проводах и магнитопроводах, местные перегревы, резонансные повышения напряжения и, кроме того, помехи в тональных (звуковых) каналах ЛС. Основная работа связи осуществляется по высокочастотным каналам. Однако каналы связи на звуковых частотах оказываются основными в чрезвычайных условиях, особенно при сильном гололеде на проводах ЛС, когда затухание сигналов в высокочастотных каналах сильно возрастает.

Мешающие влияния токов высокой частоты линий ВН на линии связи возникают вследствие работы высокочастотных (ВЧ) каналов и короны на ВЛ. Импульсы токов короны на проводах ВЛ СВН и УВН и изоляторах ВЛ 35-220 кВ, накладываясь друг на друга со смещением в пространстве (вдоль длины линии) и во времени, создают общий уровень высокочастотных помех в широком диапазоне частот 20...2000 кГц. Одновременно в линиях всех напряжений от 6 кВ и выше работают каналы высокочастотной связи в диапазоне 30...300 кГц. Надежная работа этих каналов может быть обеспечена, если уровень сигналов по ним значительно превышает уровень помех от короны.

ЭЛЕКТРОНО-ЭМС также содержит проблемы в виде мешающих влияний (перенапряжения, скачки напряжения и др.).

Схематически основные проблемы ЭМС электроэнергетики с информационной, компьютерной и радиотехнической электроносферой представлены на рис. 4.

Неу ст о йч ив о е на пряже нпе питан ия, "дребезг", высшие гармоники

Уравнительные токи при раздельных землях элементов электроносферы

Э Д С в з а п м о и н ду кц и и от б ли 'з ко р ас -положенных мощных электрических цепей

ЭДС в з и м о и ндукц и и при коммутациях в. в аппаратов от частот собственных колебаний

Радиопомехи от короны на проводах В Л СВН и УВН и от ВЧ каналов связи по ВЛ СВН и УВН в р ад и о пр н е м ных устройствах

Нарушение условий распространения радиоволн наземными массивными сооружениями ВЛ СВН и УВН

Рис. 4. ЭМС электроэнергетики с информационной, компьютерной

и радиотехнической электроносферой К опасным влияниям относятся перенапряжения в питающей сети. Даже самые кратковременные скачки напряжения в питающей сети могут привести к пробою изоляции или выходу из строя элементов электронной, особенно полупроводниковой, техники и тем самым вывести из строя ЭВМ.

Специфическое опасное влияние может возникнуть вследствие гальванического влияния со стороны заземления при внезапном к. з. в питающей сети на землю. При прохождении по заземляющему устройству токов короткого замыкания значительной силы в высоковольтных сетях в пределах заземляющего устройства возникает разность потенциалов. Кроме того, повышается среднее значение потенциала заземляющего устройства относительно земли. Таким образом, на вторичных кабелях и на входах электронной аппаратуры возникает опасная разность потенциалов.

Неустойчивое напряжение, «скачки» напряжения, а также высшие гармоники источников питания промышленной частоты оказывают мешающие влияния. Как правило, они не опасны для компьютерной электронной техники, но вызывают сбои и нечеткую работу ЭВМ и требуют включения источников питания через соответствующие фильтры. Весьма важно, чтобы совместно работающие блоки электронной техники были заземлены в одной точке, так как уравнительные токи, возникающие между отдельными землями, часто оказываются источником нежелательных помех вследствие емкостных или индуктивных электромагнитных наводок или гальванических влияний на интегральные схемы. Близко расположенные

и недостаточно экранированные мощные электрические цепи могут создавать такие электромагнитные наводки в цепях питания и внутренних цепях ЭВМ, которые существенно затруднят их работу.

Частоты функционирования практически всех устройств электроносферы значительно выше промышленной частоты 50 Гц. Однако всевозможные высокочастотные электромагнитные колебания в цепях электроэнергетики создают нежелательные помехи в указанных устройствах, расположенных вблизи мощных электроэнергетических установок. Повторные зажигания и погасания электрической дуги возникают между контактами высоковольтных аппаратов, особенно разъединителей. Зажигания и погасания дуги возбуждают в коммутируемых контурах электромагнитные колебания, создающие помехи в расположенных вблизи от них электронных схемах.

Токи высокой частоты, возникающие в проводах ВЛ вследствие короны, а также токи каналов ВЧ связи по этим проводам генерируют в окружающем пространстве электромагнитные поля, создающие радиопомехи в расположенных вблизи радиоприемных устройствах. Экологические последствия от крупногабаритных сооружений нарушают условия распространения радиоволн и искажают показания радиомаяков и других направленных радиопередач.

ИНТЕР-ЭМС исследует вопросы нарушения ЭМС между различными подсистемами электроэнергетики.

Нарушения электромагнитной совместимости между различными подсистемами самой электроэнергетики приводят (рис. 5) к крайне нежелательным последствиям для нее: коммутационные, дуговые и квазистационарные перенапряжения в сетях высокого напряжения вызывают повреждения изоляции, короткие замыкания, отключения и погашения потребителей и большой народнохозяйственный ущерб. Необходимо поддерживать достаточно высокий уровень изоляции и предусмотреть установку разрядников или ОПН на линиях СВН и УВН. Благодаря наличию вольт-амперной характеристики с нелинейной зависимостью можно эффективно отводить импульсные помехи по стандартным схемам «проводник — земля» и «проводник — проводник», не доводя помехи до входов в аппаратуру.

Переходные процессы и сопутствующие им перенапряжения присутствуют в любой электроустановке и являются одним из основных источников аварий в сетях ВН, СВН и УВН. 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 аналогичны рассмотренным влияниям на устройства электроносферы и 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.

Рис. 5. Внутренняя ЭМС между подсистемами электроэнергетики

К числу мер, снижающих опасные и мешающие влияния, относятся: контроль и приведение заземляющих устройств и систем выравнивания потенциалов в соответствие с актуальными требованиями МЭК, размещение чувствительной аппаратуры в шкафах с экранирующими поверхностями, прокладка силовых цепей отдельно от информационных цепей, экранирование вторичных цепей с наличием двустороннего заземления, использование информационных кабелей типа «витая пара», избегание областей с высокими уровнями электромагнитных помех, использование безопасной оптической развязки, применение шин для выравнивания потенциалов, установка барьерных заземлителей и др. Выводы

1. Специфика современных сетей ВН, СВН и УВН 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.

2. Современный подход к решению проблемы ЭМС электроэнергетики заключается в строгом нормировании и стандартизации параметров аппаратуры и систем в процессе проектирования и конструирования. Такие требования, с одной стороны, должны обеспечить совместимость разнородного электрооборудования, а с другой — должны быть практически достижимыми.

Литература

1. Титков В. В., Халилов Ф. Х. Электромагнитная совместимость электроэнергетики техносферы и биосферы: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. 254 с.

2. Ефимов Б., Сахаров Я., Селиванов В. Геомагнитные штормы. Исследование воздействий на энергосистему Карелии и Кольского полуострова // Новости электротехники. 2013. № 2 (80). С. 30-33.

3. Александров Г. Н. Установки сверхвысокого напряжения и охрана окружающей среды. М.: Энергоатомиздат, 1989. 360 с.

4. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике / А. Ф. Дьяков, Б. К. Максимов, Р. К. Борисов, И. П. Кужекин, А. В. Жуков; под ред. А. Ф. Дьякова. М.: Энергоатомиздат, 2003. 768 с.

5. Халилов Ф. Х., Егоров В. В., Смирнов А. А. Техника высоких напряжений: учебник. СПб.: БИОНТ, 2007. 540 с.

6. Половой И. Ф., Михайлов Ю. А., Халилов Ф. Х. Внутренние перенапряжения на электрооборудовании высокого и сверхвысокого напряжения. Л.: Энергоатамиздат, 1990. 152 с.

7. Электромагнитная совместимость воздушных, подземных и подводных линий электропередачи высокого напряжения с биосферой и окружающей средой: учеб. пособие / К. П. Кадомская, С. А. Кандаков, Ю. А. Лавров, С. С. Шевченко. Новосибирск: НГТУ, 2007. 150 с.

8. Жгун Д. В. Электромагнитная совместимость высоковольтной техники: учеб. пособие. Томск: ТПУ, 2008. 150 с.

Сведения об авторах

Еремич Яна Эдвардовна,

аспирант кафедры «Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29 Эл. почта: yana.eremich@gmail.com

Пашичева Светлана Александровна,

аспирант кафедры «Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29 Эл. почта: pashicheva.sv@gmail.com

Халилов Фирудин Халилович,

профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, заслуженный деятель науки и техники, действительный член Академии электротехнических наук, д. т. н.

Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29 Эл. почта: firudin-khalilov@yandex.ru