Электромагнитная совместимость

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Человечество стоит перед угрозой экологического кризиса. Свою существенную лепту в надвигающийся кризис вносит электроэнергетика, нарушающая естественные природные ситуации в окружающей атмосфере, гидросфере, литосфере и т. д. Все возрастающие электромагнитные поля в пространстве, окружающем мощные электроустановки, увеличение мощности, токов и напряжений электропередачи сверх- и ультравысокого напряжения (СВН и УВН), нарушают их взаимную электромагнитную совместимость (ЭМС) с различными системами ноосферы (экосферы, биосферы или техносферы).

Под ЭМС принято понимать электромагнитную устойчивость технического средства (ТС), т. е. способность ТС сохранять требуемое качество функционирования при воздействии на него электромагнитных помех с регламентированными значениями параметров и не создавать при этом электромагнитных помех другим ТС [1].

В данной работе сделана попытка сформулировать в широком смысле слова понятие «электромагнитной совместимости» двух систем как «обеспеченность нормального уровня функционирования каждой из этих систем практически независимо от процессов в соседней системе с учетом примененных мер и средств, обеспечивающих их нормальное взаимное сосуществование или ЭМС». Учитывая статистический в большинстве случаев характер помех, создаваемых «субъектом», т. е. влияющей системой, и реакции на эти реакции «объекта» (системы, подверженной влиянию), предполагается обеспечение ЭМС в течение длительного времени.

Всякое нарушение ЭМС нежелательно. Однако в зависимости от тяжести последствий такого нарушения (ущерб народному хозяйству, опасности для жизни и здоровья человека или других объектов биосферы, времени восстановления ЭМС и т. д.) все возможные нарушения ЭМС можно разделить на опасные и мешающие.

Под опасными нарушениями ЭМС понимаются такие нарушения, при которых опасность для жизни и здоровья людей, ремонтного или обслуживающего персонала, повреждения оборудования или длительного нарушения нормальной работы системы - объекта. Под мешающими нарушениями ЭМС понимаются такие нарушения, при которых имеет место снижение качества функционирования системы, повышается утомляемость или ухудшается самочувствие людей, ускоряется расходование ресурса, уменьшается срок нормальной информации и межремонтный период ТС. Разделение на опасные и мешающие влияния носит несколько условный характер и четкую границу между ними в ряде случаев провести нельзя.

Поясним это на примерах. Поражение монтера, попавшего под опасное напряжение соприкосновение при КЗ на подстанции высокого напряжения (ВН) следует рассматривать как опасное, а аллергическую несовместимость человека с синтетической одеждой, как мешающее нарушение ЭМС между субъектом техносферы и объектом биосферы. Наоборот, выход из строя платой с интегральной схемой ЭВМ на подстанции вследствие электростатического разряда при прикосновении оператора к ЭВМ [2] следует рассматривать как нарушение ЭМС между субъектом биосферы и объектом техносферы. Электростатический разряд между двумя людьми, находящимися в сухом помещении с пластиковым покрытием является, как правило, мешающим нарушением ЭМС Между субъектом и объектом биосферы, а повреждение телефонного коммутатора на станции вследствие опасной ЭДС взаимной индукции высоковольтной линии (ВЛ) и линии связи (ЛС) - опасным нарушением ЭМС между субъектом и объектом техносферы. Пробой изоляции и аварийное отключение ВЛ при ударе молнии является опасным, а плохое самочувствие или инфаркт у человека вследствие электромагнитной бури является мешающим или опасным нарушением ЭМС между субъектом экосферы и объектами техно- и биосферы соответственно.

Настоящее учебное пособие состоит из трех глав. В первой главе отмечается важность ЭМС для биосферы и техносфеы, дается общая характеристика и классификация экологических проблем ЭМС электроэнергетики с окружающей средой, с биосферой, с элементами техносферы, с информационными, компьютерными и радиотехническими устройствами, а также внутренняя ЭМС между подсистемами электроэнергетики.

Во второй главе рассматривается одно из основных средств обеспечения ЭМС электроэнергетики с техносферой и биосферой - заземление металлических частей электроустановок. Заземление рассматривается с точки зрения его влияния на рабочие режимы энергосистемы и на работу подверженных влиянию технических объектов, а также как средство защиты от грозовых воздействий и защиты от поражения электрическим током людей и животных. Даются методы расчета заземления и правила их эксплуатации. Приводятся способы решения проблемы защиты от выноса потенциала с контура заземления подстанции.

Глава третья посвящена вопросам ЭМС электроэнергетики с электронными устройствами: ЭВМ, средства автоматики и связи, цепи вторичной коммутации подстанций высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения. В ней рассматриваются также требования к устройствам и способам защиты перечисленных видов техносферы.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

1.1 Перерастание биосферы в ноосферу. Экологический кризис ноосферы

Крупнейший русский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) разработал проблему биосферы и ее перерастание в ноосферу, т. е. в сферу разума, понимая под ноосферой пространство обитания и взаимодействия с окружающей природой современного человеческого общества, обладающего огромной силой геологического масштаба - силой научной мысли, с помощью которой человечество рационально преобразует природу земного масштаба в глобальном масштабе: «Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, с его разумом и направленным его разумом его трудом… В геологической истории биосферы перед человечеством открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоуничтожение» [3, 4].

Ноосфера включает в себя также все области деятельности человечества - быт, производство, науку, философию, искусство, религию и т. д. Ноосфера стремится к постоянному расширению, имеется в виду как пространственное, так и интеллектуальное расширение. Это было написано Вернадским еще в 1938 году и подтвердилось во 2-й половине столетия.

Электроника в широком смысле этого слова за послевоенные годы получила колоссальное развитие. В настоящее время следует говорить об особой важной подсистеме техносферы - электроносфере. Без информатики, вычислительной техники, материальной основой которых является электроника, в настоящее время немыслимо ни одно производство и развитие человеческого общества. Дальнейшие успехи электроники сопровождаются увеличением быстродействия, миниатюризацией и усложнением схем и устройств, что чрезвычайно усложняет проблемы ЭМС систем электроэнергетики и электроники. Это объясняется все возрастающей плотностью заполнения земной поверхности установками электроники и электроэнергетики, ужесточением требований к допустимым воздействиям внешних сторонних и электромагнитных полей, токов и напряжений на электронное оборудование и одновременным увеличением мощности, напряжений и токов электропередачи сверхвысокого и ультравысокого напряжения.

Говоря о самоуничтожении, Вернадский имел в виду войны и неблагоприятные экологические последствия деятельности человека для окружающей среды и биосферы, могущие достигнуть глобальных масштабов.

В последней своей работе «Несколько слов о ноосфере», опубликованной в 1944 году, Вернадский пишет: «В истории человечества и биосферы вообще война такой мощности, деятельности и силы - небывалое явление» (имеется в виду вторая мировая война); и далее: «Лик планеты - биосфера химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно… человеком создаются новые виды и расы животных и растений… в будущем нам рисуется, как возможные сказочные мечтания: человек стремится выйти за пределы своей планеты в космическое пространство, и, вероятно, выйдет. Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное изменение биосферы. Мы входим в ноосферу» [4].

Интервал между первой и второй мировыми войнами составил 21 год. После второй мировой войны прошло уже свыше половины столетия. Поэтому можно считать, что «военная» часть прогноза Вернадского в основном выполняется.

Сложнее с проблемой экологии. Вернадский пишет, что в результате деятельности человека воздушная оболочка суши и все ее природные воды деформируются физически и химически, но необходимо сохранять богатства Земного шара для будущих поколений. В то время отрицательные экологические последствия деятельности человека носили еще локальный характер. Однако за прошедшие 50 лет они приобретают глобальный характер.

1.2 Общая характеристика и классификация экологических проблем ЭМС электроэнергетики в ноосфере

В зависимости от характера систем все экологические проблемы ЭМС электроэнергетики с ноосферой можно разделить на 5 групп, учитывая, что в условиях реальной жизни и эксплуатации они в значительной степени переплетаются между собой и частично дублируют друг друга (рис. 1.1.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.1. Основные экологические проблемы ЭМС электроэнергетики и ноосферы.

При этом необходимо учитывать, что в соответствии с основной характеристикой ноосферы по Вернадскому как непрерывно развивающейся и расширяющейся сферы жизнедеятельности человеческого общества создаются все более деликатные, миниатюрные и быстродействующие системы. Они постоянно требуют ужесточения нормативов допустимых внешних воздействий, новых мер защиты и защитных устройств, обеспечивающих ЭМС систем электроэнергетики с другими системами ноосферы.

1.3 ЭМС электроэнергетики с другими системами ноосферы

Схематично основные экологические проблемы ЭМС электроэнергетики с окружающей средой представлены на рис. 1.2. Рассмотрим их краткую характеристику.

Атмосферное электричество. Основными электрическими источниками наиболее тяжелых и частых нарушений нормальной работы электрических систем являются грозовые разряды. Опыт эксплуатации показывает, что каждые 100 км линии электропередачи (ВЛ) в среднем в течение грозового сезона (с мая по октябрь) ударяет несколько разрядов молний, по большей части - отрицательной полярности. Эквивалентное сопротивление молний в первый момент достигает многих десятков кОм, но с увеличением тока молнии и разогревом ее канала сопротивление уменьшается до сотен Ом. Кратковременное напряжение в месте удара молнии может достигать многих миллионов вольт, что вполне достаточно для пробоя изоляции практически любой ВЛ, вплоть до УВН. От места удара по проводам линии распространяются волны перенапряжения. Они, дойдя до электростанции или подстанции, могут повредить изоляцию генератора, трансформатора и другого оборудования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2. ЭМС электроэнергетики с окружающей средой (ЭКО - ЭМС).

Для защиты от прямых ударов молний 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 сопротивлением заземления (до 10 Ом или несколько больше в районах с высоким удельным сопротивлением земли). Для защиты оборудования подстанции применяют специальные разрядники или ограничители перенапряжения (ОПН).

При ударе молнии возникают также индуктированные напряжения вследствие емкостных (электрическая составляющая) и индуктивных (магнитная составляющая) связей между каналом молнии и опорами с проводами ЛЭП. Они представляют опасность для изоляции сетей среднего (6-35 кВ) и низкого напряжения, особенно для сетей промышленной энергетики.

Удары молнии могут вызывать также пожары (пожароопасных сооружений) и даже взрывы (для взрывоопасных емкостей, таких как, например, нефте- и газохранилища электростанций).

Электрохимическая коррозия. Огромное народнохозяйственное значение имеет электрохимическая коррозия подземных сооружений электроэнергетики. Электрическое поле блуждающих токов в земле инициирует протекание уравнительных токов в подземных металлических устройствах (заземляющих устройствах электростанций, подстанций и опор линии электропередачи, оболочках подземных кабелей, трубопроводах, железнодорожных рельсах и т. д.). Электрохимическое разрушение металла происходит в местах выхода ионов из металла в окружающую среду (местном - язвенная коррозия или общем - сравнительно равномерный переход частиц металла в окружающую почву).

При нормальном симметричном режиме работы трехфазной линии электропередачи в земле протекает лишь незначительный уравнительный ток промышленной частоты нулевой последовательности. В несимметричном режиме работы трехфазной линии в земле протекает переменный ток промышленной частоты. Вследствие влияния поверхностного эффекта этот ток концентрируется вблизи поверхности земли и в основном - под проводами линии в пределах полосы с шириной, приблизительно равной

где з - удельное сопротивление земли (Омм);

f - частота (Гц).

Так, например, при з = 100 Омм и f = 50 Гц, b = 1000 м. Кроме того, переменный ток вызывает значительно меньшую электрохимическую коррозию, чем постоянный. Поэтому основным источником электрохимической коррозии является блуждающий постоянный ток, область протекания которого практически не ограничена. Блуждающий ток вызывается несимметричными линиями, работающими на постоянном токе (трамвай, электрифицированная железная дорога, ВЛ постоянного тока, если она работает в несимметричном режиме).

Наиболее интенсивной электрохимической коррозии подвергаются рабочие заземляющие устройства электропередачи постоянного тока высокого напряжения. Особенно интенсивно коррозируют устройства, работающие в анодном режиме, когда ионы металла переходят из электрода в грунтовые воды и окружающую почву. Эти заземления устраивают на значительной глубине и вдали от других подземных сооружений, чтобы уменьшить коррозию последних. В качестве заземлителей используются массивные электроды.

Механизм электрохимической коррозии протяженных подземных оболочек кабелей, трубопроводов и т. п. вследствие воздействия блуждающих постоянных токов (и в значительно меньшей степени переменных) заключается в следующем: блуждающий ток втекает в проводник на катодных участках, где их напряжение оказывается отрицательным по отношению к окружающему грунту. При этом избыточные электроны переходят из металла в электролит грунта. На анодном же участке проводник заряжен положительно, ток вытекает из проводника, ионы металла переходят в грунт и проводник (оболочка кабеля, трубопровод или заземлитель) разрушается. Особую опасность представляет локальная «язвенная» коррозия. При этом происходит местное разрушение всей толщи оболочки кабеля или трубопровода, образуется сквозное отверстие, изоляция кабеля увлажняется, и значительная длина кабеля выходит из строя. В случае трубопровода возможен взрыв выходящего из него через образовавшееся отверстие под давлением газа. Для этого достаточно возникающих от трения газа искр или повышенного блуждающего тока от проходящего в месте пересечения с трубопроводом электропоезда.

Чтобы уменьшить интенсивность коррозии, необходимо удалить подземный проводник от зоны блуждающих токов, устроить «дренаж» - отвод блуждающих токов на специальные электроды, применять анодную защиту (т.е. принудительно сообщить защищаемому проводнику отрицательное напряжение, включив дополнительный источник постоянного напряжения между этим проводником и специально проложенным дополнительным заземлителем).

Под действием агрессивных включений в атмосфере (например, вблизи химических или цементных заводов и т. п.) возникает ускоренная коррозия висящих в воздухе многожильных стальных тросов и в значительно меньшей степени стале-алюминиевых проводов линий электропередачи. Для их защиты рекомендуется соответствующая смазка, которая должна покрывать каждую жилу многожильного провода или троса, а в особо угрожаемых случаях даже перейти на стале-алюминиевые тросы.

Электромагнитные бури. Солнце, наряду с инфракрасным (тепловым), световым и ультрафиолетовым излучением, особенно в годы «активного солнца приблизительно одиннадцатилетнего периода, выбрасывает огромное количество электронов, протонов, нейтронов и альфа частиц. Пролетая мимо Земного шара и взаимодействуя с магнитным полем вращающейся земли, они индуктируют в земной поверхности электродвижущие силы, медленно меняющиеся во времени (порядка секунды и более). Величина ЭДС даже в периоды наиболее интенсивных электромагнитных бурь колеблется от долей до единиц В/км и в северном полушарии ориентирована на меридиональное направление.

В протяженных линиях электропередачи возникают медленно меняющиеся уравнительные токи, которые могут достигать десятков и даже сотен ампер. Протекая через обмотки трансформаторов, они вызывают насыщение магнитопроводов и многократное увеличение тока намагничивания. Кроме того, выход на нелинейный участок кривой намагничивания трансформатора сопровождается протеканием по линии, кроме вышеуказанного уравнительного тока нулевой последовательности, также и токов четных и нечетных гармоник. Это может вызвать ложные отключения дальних линий электропередачи вследствие неверной работы релейной защиты, 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 ущербом. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке релейной защиты дальних электропередач.

Экологические последствия. Линии электропередачи СВН и УВН создают неблагоприятные экологические последствия для окружающей местности вследствие сооружения массивных (высота до 60 м, а в отдельных случаях при пересечении водных преград и до сотен метров) опор и подвески на них трех проводов с расщеплением на 3-4 и до 12 составляющих каждый, расположенных по окружности радиуса до 1-2 м, а также двух грозозащитных тросов.

Эти обстоятельства могут иметь существенное значение при прохождении линии через или вблизи заказников, заповедников, вблизи крупных городов, а также в курортных местностях.

Линии всех классов напряжения, кроме того, требуют соответствующих отчуждений земляных участков и усложняют выполнение сельскохозяйственных работ в местах установки опор.

1.4 ЭМС электроэнергетики с биосферой (БИО - ЭМС)

Схематически основные проблемы ЭМС электроэнергетики с биосферой представлены ан рис. 1. 3. Рассмотрим их краткую характеристику.

Опасные напряжения прикосновения и шага. Главным источником опасности для человека является ток, который протекает через тело человека при прикосновении к частям электроустановки, находящимся под различными потенциалами. Первое ощущение (легкий зуд в ладони, охватывающей электрод - источник тока) возникает уже при токах Iощ = 0,6 - 1,5 мА, при увеличении тока до Iнот = 4 - 6 мА у отдельных людей уже происходит затруднение разжатия руки («эффект неотпускания»), а при токах 20 - 25 мА этот эффект наступает практически у всех людей. Дальнейшее увеличение тока приводит к обмороку и затем к параличу дыхания и гибели человека, попавшего под напряжение. Особую опасность представляет протекание тока в области сердца (могут возникнуть неуправляемые сокращения отдельных групп мышечных волокон с частотой на порядок и выше нормальной (фибриляция), прекращается пульсация сердца и останавливается кровообращение). Это состояние может продолжаться и после того, как ток прекратиться.

Пороговые значения токов ощущения Iощ, неотпускания Iнот и фибриляции Iф имеет большой статистический разброс для различных людей. Статистическое распределение пороговых значений ощутимого тока Iощ и неотпускающего тока Iнот для различных людей в первом приближении подчиняется нормальному закону с плотностью распределения .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. 3. ЭМС электроэнергетики с биосферой (БИО - ЭМС).

с математическими ожиданиями соответственно Iощ = m = 1,1мА и Iнот = m = 14,9 мА и среднеквадратическими отклонениями ощ = 0,15 мА и нот = 3,2 мА соответственно для пороговых значений ощутимого и неотпускающего тока.

Пороговые значения фибриляционных токов Iф подчиняются в первом приближении логнормальному закону с плотностью вероятности .



Причем m lg(Iф) и п существенно зависят от протекания тока в диапазоне 0,1 < t < 1 с. В первом приближении остается постоянным произведение qф = Iфmin·ti = 0,07 К, соответствующее достаточно малой вероятности фибриляции (при lg(Iфmin) = m - 3уп), P = 0,0014.

В реальных условиях величина тока зависит от разности напряжений между точками контактирования рука - нога (напряжение прикосновения) или нога - нога (напряжение шага), а также от сопротивления тела человека (1000 - 10000 Ом) и переходных сопротивлений в местах контактов, которые могут варьировать в весьма широких пределах 100 - 10000 Ом.

Нормы напряжений прикосновения и напряжения шага, исходя из наиболее неблагоприятных значений сопротивлений, принимаются согласно табл. 1. 1. [7, 8].

Таблица 1. 1.

Допустимые напряжения прикосновения и шага для электроустановок высокого напряжения.

Время воздействия ti, с	0,01 - 0,08	0,1	0,3	0,5	1	1
Допустимые напряжения прикосновения и шага Uпр или Uш, В	650	500	165	100	50	36
Uпр? ti, В?с	50	50	50	50	50	-

Наиболее опасные напряжения прикосновения и шага возникают на подстанции 110 кВ и выше в сетях с глухим заземлением нейтрали трансформаторов. В большинстве случаев для обеспечения безопасности обслуживающего персонала на таких подстанциях устанавливают контур защитного заземления сопротивлением растекания не более R = 0,5 Ом. Контур охватывает всю подстанцию. Внутри его для обеспечения безопасности напряжения шага прокладывают в земле полосы, а для безопасного напряжения прикосновения вокруг оборудования прокладывают дополнительные контуры, выравнивающие распределение напряжения на поверхности земли. В местностях с высоким удельным сопротивлением земли допускается некоторое увеличение Rз, но напряжения Uпр и Uш должны быть ограничены путем прокладки дополнительных полос внутри контура.

На мощных подстанциях ток однофазного короткого замыкания , протекающий через контур заземления, может достигать и даже превосходить Iз = 20 кА. При этом напряжение на заземлении не должно превосходить Uз = 10 кВ, но большую опасность может представить вынос опасного напряжения за пределы заземляющего контура протяженными металлическими устройствами (железнодорожные рельсы, трубопроводы, оболочки кабелей и т. п.). В местах выхода их за пределы заземляющего контура подстанции на них необходимо предусмотреть соответствующие изоляционные устройства.

Специфическую опасность моет представить прикосновение человека к крупногабаритному транспорту на резиновом ходу под проводами ВЛ СВН и особенно УВН. Через человека будет протекать ток

где Ui и Сi (i = А, В, С) - соответственно напряжения на фазах А, В, С и емкости между транспортной платформой и фазными проводами.

В случае расположения проводов в одной горизонтальной плоскости наведенное на траспорт напряжение равно в первом приближении [8]

Где Uл - линейное напряжение электропередачи; rэ - эквивалентный радиус расщепленной фазы; rп, rр, n - соответственно радиусы провода, окружности, по которой расположены провода расщепленной фазы, число составляющих проводов; S - расстояние между соседними фазными проводами; h, hтр - высота проводов ВЛ и платформы транспорта над землей.

Длительное воздействие электромагнитного поля на человека по данным ряда биоэлектромагнитных исследований и статистического анализа заболеваемости различных групп людей [9] может способствовать онкологическим заболеваниям, особенно у детей, а также неблагоприятным мутациям с отдаленными генетическими последствиями.

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

Под действием магнитного поля затрудняется движение крови в кровеносных сосудах, что вызывает синюшность рук у монтеров, работающих ан линиях сильного тока под нагрузкой.

На основе многочисленных жалоб обслуживающего персонала, а также по данным исследований ВНИИОТ установлено, что длительное систематическое нахождение человека в электрическом поле с высокой напряженностью (Е = 5 кВ/м и выше при отсутствии человека) отрицательно сказывается на его самочувствии. Нормы и правила по охране труда рекомендуют временно (до дальнейшего уточнения) допустимую продолжительность систематического пребывания обслуживающего персонала в электрическом поле (табл. 1. 2).

Таблица 1.2.

Гигиенические нормативы напряженности электрического поля для персонала, обслуживающего установки СВН [8].

Напряженность электрического поля Е, кВ/м	Допустимая продолжительность пребывания человека в течении сеток Тдоп, мин
До 5	Без ограничений
5 - 10	180
10 - 15	90
15 - 20	10
20 - 25	5
Свыше 25	Не допустима

Приведенные в таблице 1.2 значения Е определяются в наиболее неблагоприятном месте возможного пребывания человека (при его отсутствии) 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 электрических 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. Под влиянием переменных электромагнитных полей возникают электродинамические силы в отдельных элементах. Они пульсируют с двойной частотой (100 Гц) и создают механическую вибрацию. В зависимости от интенсивности эти вибрации воспринимаются человеческим ухом как шорох, гудение или рев. Так, например, у поверхности проводов высокого напряжения может возникнуть коронный разряд, создающий значительные добавочные потери энергии, акустические и радиопомехи. Характер и интенсивность короны существенно зависят от амплитуды напряженности Е электрического поля у поверхности провода и погоды (иней, изморозь, гололед, дождь).

Известна [10] так называемая критическая напряженность короны, кВ/см

где m = 0,82 … 0,85 - коэффициент негладкости провода.

Если Е > Ек, то коронирует весь провод и возникает «общая корона», создающая большие потери энергии. Чтобы избежать этого, применяют расщепленные провода, изобретенные одним из ведущих профессоров ЛПИ академиком В. Ф. Миткевичем еще в 1910 году. На линии 330 кВ используют фазы. Расщепленные на два составляющих провода, на линии 500 кВ - на три, на линии 750 кВ - на четыре - пять проводов. Такое решение обеспечивает Е ? (0,8 … 0,85)Ек и отсутствие общей короны. Однако в точках неоднородности (заусенцы, загрязнения и особенно капли дождя) напряженность оказывается повышенной, и в результате возникает местная корона. Наиболее сильные помехи наблюдаются при моросящем дожде, когда вибрирующими элементами оказываются капли дождя у поверхности провода, поэтому ЛЭП 110 - 220 кВ при дожде «шуршат» и «шипят», ВЛ 330 - 500 кВ «гудят», а ВЛ 750 кВ «ревут».

Большие акустические помехи могут возникать также вблизи мощных трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов СВН. При этом вибрируют стальные листы магнитопроводов и медные провода обмоток, особенно если частота собственных колебаний их элементов близка к 100 Гц.

1.5 ЭМС электроэнергетики с протяженными металлическими сооружениями техносферы

Схематически основные проблемы ЭМС электроэнергетики с протяженными металлическими сооружениями представлены на рис. 1. 4. Рассмотрим их краткую характеристику.

Опасные влияния на промышленной частоте. Под опасным влиянием на протяженные металлические сооружения техносферы будем понимать такое влияние, при котором индуктированные напряжения в цепях линий связи (ЛС), транспортных устройствах или других элементах могут создавать опасность для здоровья и жизни обслуживающего персонала, населения и абонентов ЛС, вызвать повреждения аппаратуры и приборов или ложное срабатывание железнодорожной сигнализации. Со всем этим приходится считаться, прежде всего при наиболее неблагоприятных - аварийных или ненормальных - режимах работы сети высокого напряжения.

При несимметричных коротких замыканиях в сети с эффективным заземлением нейтрали возникают большие токи в земле и сильные магнитные поля. Они могут вызывать опасные магнитные влияния. Возникают ЭДС взаимоиндукции в находящихся вблизи воздушных и кабельных линиях связи, в цепях железнодорожной сигнализации и блокировки. В таких случаях необходимо применять специальные меры для их защиты.

Правила защиты [11] устанавливают нормативные величины допускаемых значений напряжения на проводах ЛС и продольной ЭДС взаимоиндукции. Эти требования учитывают возможные в эксплуатации ЛС различные ситуации. Так, например, в особо неблагоприятных условиях оказываются монтеры, выполняющие ремонтные работы на подземном кабеле связи в стесненных условиях, в кабельном колодце и во влажной земле. При этом допустимо наименьшее напряжение на проводах ЛС, так как сопротивление тела человека может быть минимальным (1000 - 2000 Ом).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. 4. ЭМС электроэнергетики с протяженными металлическими сооружениями. (ТЕХНО - ЭМС).

В значительно более благоприятных условиях оказываются рабочие, ремонтирующие воздушную ЛС на деревянных опорах. При правильной организации труда рабочие должны быть закреплены монтажным поясом. Тогда инстинктивное одергивание руки при ударе током не приведет к падению и к механической травме. Кроме того, ток, который проходит через монтера, существенно ограничен включенным последовательно сопротивлением опоры, составляющим не менее 10 кОм на каждый метр ее длины.

Повреждение аппаратуры и приборов в цепи ЛС может возникнуть в случае, когда суммарное приложенное напряжение окажется выше пробивного напряжения изоляции жил кабеля или аппаратов по отношению к заземленным экранам или к оболочке кабеля.

Электрическая прочность кабеля связи, вводных устройств и аппаратуры при кратковременном воздействии в течение 1 - 2 с несколько выше, чем испытательное одноминутное напряжение. Однако в условиях эксплуатации вследствие старения изоляции ее электрическая прочность снижается. В первом приближении можно считать, что эти два обстоятельства взаимно компенсируют друг друга. Кроме того, на кабельных ЛС предусматривают дистанционное питание неуправляемых усилительных пунктов (НУП). Поэтому правила защиты [11] требуют, чтобы величина кратковременной ЭДС взаимной индукции с учетом возможного неблагоприятного воздействия напряжения дистанционного питания не превышала испытательного напряжения аппаратуры и кабелей связи.

В длительном режиме работы ЭДС взаимоиндукции также с учетом напряжения дистанционного питания НУПов при применении соответствующих мер защиты не должна превосходить допустимого рабочего напряжения между жилами кабеля.

При расчетах опасного влияния на людей на людей и аппаратуру ЛС необходимо учитывать как нормальный режим работы ВЛ, так и наиболее неблагоприятный аварийный режим КЗ в одной точке. Одновременное наложение КЗ в двух различных удаленных друг от друга точках - маловероятное событие. Оно учитывается в исключительных случаях. Так, например, наиболее ответственным является влияние ВЛ на цепи железнодорожной полуавтоматической блокировки с блокмеханизмами. При неблагоприятном стечении обстоятельств влияние может привести к авариям на железной дороге. В этих условиях Правила защиты [11] требуют учитывать даже такую маловероятную возможность, как наложение КЗ на одной ВЛ в двух точках, удаленных друг от друга. Линии 6 - 35 кВ, работающие в сетях с изолированной нейтралью, при одновременном КЗ двух фаз в разных точках, могут создать повышенные индуктивные напряжения в цепях железнодорожной блокировки.

Опасность представляет продольная ЭДС взаимоиндукции Е на длине гальванически неразделенного участка сближения

где Ii, ki, li - соответственно влияющий ток нулевой последовательности ВЛ, коэффициент защитного действия кабеля, тросов и других экранирующих элементов и длина i-го участка эквивалентного параллельного сближения ВЛ и ЛС;

где h0 - эквивалентная комплексная глубина уровня зеркального отражения магнитного поля в земле, а, h1, h2, з - соответственно ширина сближения, высоты ВЛ и ЛС над поверхностью земли и ее удельное сопротивление.

Для уменьшения влияния ВЛ на ЛС устанавливают разделительные линии и редукционные трансформаторы. Аппаратура узла связи оказывается отделенной от линии, а участок сближения ограничен двумя соседними разделительными и редукционными трансформаторами.

Правила защиты [11] устанавливает допустимые значения (табл. 1.3) продольных ЭДС взаимоиндукции для линии связи и цепей железнодорожной блокировки. В тех случаях, когда допустимая продольная ЭДС превышает установленную норму, дополнительно к указанным выше разделительным и редукционным трансформаторам приходится устанавливать разрядники. При этом напряжение на проводе ЛС по отношению к земле, а также падение напряжения на сопротивлении заземлении разрядников при наиболее неблагоприятном КЗ на ВЛ не должно превышать значения, приведенных в табл. 1.3 и 1.4.

Таблица 1.3

Допустимые ЭДС Едоп и напряжения Uдоп для кабельных ЛС и цепей полуавтоматической блокировки

Характеристика цепи	Допустимо, если специальные меры защиты:
	отсутствуют	имеются
	кратковременно	длительно t, ч; Едоп, В	длительно Едоп = Uдоп, В
Кабельные ЛС без дистанционного управления	Едоп < Uисп	< 2 70 > 2 36	Едоп < Uраб
То же с ДП, изолированным от земли	Едоп < Uисп	< 2 70 > 2 36	Едоп < Uраб
То же с ДП и заземленным полюсом источника постоянного тока	Едоп < Uисп -	< 2 70 > 2 36	Едоп < Uраб -
То же с ДП и заземленной средней точкой источника переменного тока	Едоп < Uисп -	> 2 36	Едоп < Uраб -
Цепи полуавтоматической блокировки с блокмеханизмами:
Однопроводные	Едоп < 60 В	> 1 30	-
Двухпроводные	Едоп < 30 В	> 1 30	-

Примечание: Uисп - испытательное полуминутное напряжение, В;

Uраб - рабочее напряжение между жилами цепей кабеля, В;

Uдп - напряжение источника дистанционного питания, В.

При этом КЗ на ВЛ не должно превышать значений, приведенных в таблицах 1.3 и 1.4.

Для снижения опасного влияния на ВЛ устанавливают дренажные растяжки. Можно также вместо железобетонных и стальных опор на ЛС использовать деревянные, для которых допустимые ЭДС и напряжение значительно выше. На участках тесного сближения иногда приходится заменять воздушную ЛС кабельной. В отдельных случаях необходимо перенести ЛС дальше от ВЛ и тем самым существенно уменьшить влияние ВЛ.

Таблица 1.4.

Допустимые ЭДС и напряжения относительно земли для воздушных ЛС.

Характеристика цепи	Допустимо, если:
	отсутствуют	установлены
	кратковременно	длительно	кратковременно
	t, с Едоп, В	t, ч Едоп, В	t, с Едоп, В
Воздушные ЛС на железобетонных и металлических опорах	< 0,15 320	< 2 70	- -
	0,15 - 0,3 240	> 2 36	- -
	0,3 - 0,6 160		- -
	> 0,6 120		- -
Воздушные ЛС на деревянных опорах, в т. ч. с железобетонными приставками	< 0,15 2000	< 2 120	< 0,15 1300
	0,15 - 0,3 1500	> 2 60	0,15 - 0,3 1000
	0,3 - 0,6 1000		0,3 - 0,6 750
	> 0,6 750		> 0,6 500

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

1) Установка на ВЛ хорошо проводящих (стале-алюминиевых) заземленных тросов;

2) Частичное разземление нейтралей трансформаторов для уменьшения токов однофазного КЗ;

3) Автоматический контроль состояния изоляции ВЛ с изолированной нейтралью и быстрое отключение поврежденного участка, чтобы исключить КЗ в двух точках;

4) перевод воздушной линии в кабельную в городских условиях, а также в пересечениях с ВЛ.

В отдельных случаях, когда ЛС находится в непосредственной близости от ВЛ 6 - 35 кВ в сети с изолированной или резонансно заземленной нейтралью, приходится также учитывать возможность опасного электрического влияния ВЛ на ЛС. Такая опасность может возникнуть при замыкании на землю одной фазы 6 - 35 кВ, так как при этом на остальных двух фазах напряжения повышаются до линейных, а сдвиг фаз между ними может быть порядка 60; а в случае дугового замыкания на землю имеют место многократные зажигания и погасания электрической дуги, сопровождающиеся бросками тока и напряжения на здоровых и аварийной фазах линии.

Мешающие влияния электроэнергетики на протяженные металлические сооружения техносферы. Такие влияния могут возникать вследствие помех, которые создаются сетями высокого напряжения в условиях длительного нормального режима их работы. Они не представляют непосредственной опасности для сооружений техносферы, однако ухудшают качество ее работы, снижают надежность или создают затруднения для нормального функционирования связи, телевидения, радио и т. д. [11].

Сети высокого напряжения индуцируют в элементах техносферы токи и напряжения промышленной частоты 50 Гц, а также звуковых частот (высших гармоник 15 - 5000 Гц) и высокой частоты (20 кГц и более).

В кабельных линиях связи функционируют многочисленные высокочастотные каналы связи. Вследствие сильного затухания высокочастотных каналов через каждые 5 - 15 км приходится устраивать неуправляемые усилительные пункты (НУП). На линиях связи одновременно с телефонной связью по схеме «провод - провод» широко применяется для телеграфа схема «два провода - земля» (ДПЗ). При этом удается значительно уменьшить мешающее влияние телеграфа на телефонные каналы. Магнитное поле, образованное рабочими токами 50 Гц ВЛ, обуславливает мешающее влияние на электрические цепи, в которых земля используется в качестве обратного провода. К их числу относятся цепи дистанционного питания НУП, телеуправления и телесигнализации, а также низкочастотный телеграф, работающий по схеме ДПЗ.

Токи и напряжения высших гармоник ВЛ оказывают мешающее влияние на каналы звуковой частоты линии связи. Высшие гармоники в сетях высокого напряжения возникают главным образом вследствие работы полупроводниковых преобразовательных устройств, электроплавильных печей, электросварочных агрегатов и из-за насыщения стали трансформаторов. Токи и напряжения высших гармоник не участвуют в передаче полезной электроэнергии, они создают добавочные потери и понижают КПД электропередачи. Поэтому их стараются по возможности уменьшить. Как правило, они не превышают нескольких процентов от основного рабочего тока или напряжения. Основная работа ЛС осуществляется по высокочастотным каналам, а каналы тональной (звуковой) частоты используются главным образом для служебной связи. Однако тональные каналы могут оказаться основными в чрезвычайных условиях, особенно при сильном гололеде на проводах ЛС, когда сигналы в высокочастотных каналах сильно затухают. В этих условиях мешающее влияние ВЛ на высших гармониках может иметь существенное отрицательное значение и Правила [11] предусматривают соответствующие меры по их ограничению.

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. В воздушных линиях связи также работают многочисленные ВЧ каналы. Правила [11] рекомендуют мероприятия, обеспечивающие достаточно малое влияние ВЧ каналов ВЛ и ВЧ помех от короны на ВЧ каналы ЛС, по которым идет основная работа связи.

За пределами полосы отчуждения должен быть обеспечен достаточно низкий для приемников уровень радиопомех от короны на проводах и от преобразовательных устройств на подстанциях постоянного тока. При этом необходимо учитывать, что частичные разряды и корона на изоляторах создают также телевизионные помехи и области УВЧ.

1.6 ЭМС электроэнергетики с электроносферой

Схематически все основные проблемы ЭМС электроэнергетики с информационной, компьютерной и радиотехнической электроносферой представлены на рис. 1.5.

Рис. 1.5. ЭМС электроэнергетики с информационной, компьютерной и радиотехнической электроносферой (ЭЛЕКТРОНО-ЭМС).

Опасные влияния. Перенапряжения в питающей сети, а также 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, подчас в самый ответственный момент, когда требуется особенно четкая и бесперебойная работа [15]. Опасное влияние может возникнуть вследствие гальванического влияния со стороны заземления при внезапном КЗ в питающей сети на землю.

Мешающие влияния. Неустойчивое напряжение, скачки напряжения, а также высшие гармоники источников питания промышленной частоты, как правило, не опасны для компьютерной и 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 часто оказываются источниками нежелательных помех вследствие емкостных и индуктивных наводок или гальванических влияний на интегральные схемы. Близко расположенные и недостаточно экранированные мощные электротехнические цепи могут создавать такие электромагнитные наводки, в цепях питания и внутренних цепях ЭВМ, которые существенно затрудняют их работу [15].

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 электрической дуги возбуждают в коммутируемых контурах электромагнитные колебания, создающие помехи в расположенных вблизи от них электронных схемах.

Отмеченные в п. 1. 6 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.

Отмеченные в п. 1.1 экологические последствия от крупногабаритных сооружений нарушают условия распространения радиоволн и искажают показания радиомаяков и других направленных радиопередач.

1.7 Внутренняя ЭМС между подсистемами электроэнергетики (ИНТЕР-ЭМС)

Нарушения ЭМС между различными подсистемами самой электроэнергетики приводят к крайне нежелательным последствиям для нее (рис. 1.6): коммутационные, дуговые и квазистационарные перенапряжения в цепях высокого напряжения вызывают повреждения изоляции, короткие замыкания, отключения и погашения потребителей и большой народнохозяйственный ущерб. Необходимо поддерживать достаточно высокий уровень изоляции и предусматривать установку разрядников или ОПН на линиях СВН и УВН.

Аварии и оперативные коммутации вызывают опасные и мешающие влияния цепей ВН «первичной 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 (см. п. 1.6).



Рис. 1.6. Внутренняя ЭМС между подсистемами электроэнергетики (ИНТЕР-ЭМС).

В электроэнергетике очень широко используется ВЧ связь и возникают проблемы, аналогичные рассмотренным в п. 1.5. Кроме того, на подстанциями с мощными трансформаторами возможно возникновение помех между ВЧ каналами на линиях разного класса напряжения вследствие емкостных связей между обмотками всех трансформаторов.

2. Заземление в энергосистемах

2.1 Классификация заземлений. Терминология

Заземление является одним из основных средств, обеспечивающих электромагнитную совместимость электроэнергетики с техносферой и биосферой. Он должно удовлетворять требованиям обеспечения безопасности людей и животных, защиты сильноточных и слаботочных установок, а также обеспечение эксплуатационных режимов работы и грозозащиты.

По своему назначению заземления условно можно подразделять на три основных типа (рис. 2.1):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.1.Классификация заземлений в энергосистемах.

Рабочее заземление обеспечивает необходимое для работы электроустановки распределение напряжений и токов в нормальных и аварийных режимах сети. К такому заземлению относятся заземления нейтралей силовых трансформаторов, автотрансформаторов и генераторов, заземления шунтирующих и дугогасящих реакторов, измерительных трансформаторов напряжения.

Защитное заземление. Металлические и другие проводящие части электроустановок, нормально не находящиеся под напряжением, могут оказаться кратковременно или длительно под напряжением вследствие нарушения изоляции. Прикосновение человека к таким частям может привести к поражению его электрическим током. Опасность поражения человека электрическим током может быть обусловлена стеканием электрического тока с какой-либо части электроустановки в землю и протеканием электрического тока в земле при поврежденной изоляции. Одной из мер защиты от поражения человека электрическим током является защитное заземление (заземление безопасности), т.е. преднамеренное соединение частей электроустановки, нормально не находящейся под напряжением, с заземляющим устройством.

В установках связи, телевидения и телеуправления защитное заземление снижает опасные и мешающие влияния электромагнитных полей линий электропередачи на слаботочные цепи.

Грозозащитные заземления предназначены для защиты от внешних перенапряжений и влияний. Заземление трубчатых и вентильных разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений, молниеотводов, грозозащитных тросов на опорах линии электропередачи уменьшает грозовые перенапряжения и опасные влияния и способствует уменьшению вероятности перекрытия изоляции при грозовых разрядах.

При строительстве линий электропередачи и электроустановках различного назначения функции рабочего заземления, заземления безопасности и грозозащитного заземления зачастую возлагают на общее заземляющее устройство.

Заземляющее устройство - это совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Заземлитель - это проводник (электрод) или совокупность соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в непосредственном соприкосновении с землей. Заземлителями могут служить не только специальные проводники, но и находящиеся в соприкосновении с землей части сооружений и коммуникаций производственного или иного назначения, используемые для целей заземления. В ПУЭ рекомендуются к использованию водопроводные трубы, металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие соприкосновения с землей.

Заземляющий проводник - это проводник, соединяющий заземляемые части с заземлителем.

Заземлители подразделяются на искусственные и естественные. Искусственным заземлителем называется заземлитель, специально выполняемый для целей заземления. Естественный заземлитель - находящийся в соприкосновении с землей электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения, используемые для целей заземления.

Занулением в электроустановках напряжением до 1 кВ называется преднамеренное соединение частей электроустановки, нормально не находящихся под напряжением, с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с глухозаземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока.

С части электроустановки, оказавшейся под напряжением вследствие нарушения изоляции, протекает в земле электрический ток. Напряжения в этой части электроустановки относительно точек зоны растекания электрического тока и относительно точек земли вне зоны растекания будут зависеть от величины тока замыкания на землю и сопротивления растеканию тока. Распределение напряжений в зоне растекания будет зависеть, кроме того, от удельного сопротивления грунта, а также от количества и расположения элементов заземлителя.

При замыкании на землю опасность может представлять напряжение прикосновения (рис.2.2) Uпр, т.е. напряжение между двумя точками при одновременном прикосновении к ним человека. Например, персонал прикоснулся рукой к корпусу электрического аппарата, а ногами стоит на некотором расстоянии от этого корпуса.

Опасность может и представлять напряжение шага Uш, представляющее собой напряжение между двумя точками земли при одновременном касании их ногами человека.

Уменьшение сопротивления заземления, а также градиента напряжения на поверхности земли путем прокладки и рационального размещения элементов заземляющего устройства приводит к снижению напряжений прикосновения и шага. Наибольшие допустимые значения Uпр и Uш зависят от ряда условий: длительности воздействия электрического тока, рода тока, его частоты, сопротивления пути тока через тело человека, сопротивления в месте касания и др.

С учетом указанных условий и зависимостей установлены такие нормы сопротивлений заземления электроустановок различных классов напряжения, при которых напряжения прикосновения и шага будут находиться в допустимых пределах.

U

Uпр

Uз=IRз

Uш