Электромагнитная совместимость.-2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

С.П. Куксенко

Электромагнитная совместимость: электроэнергетика

Учебно-методическое пособие

Томск – 2017

2

Куксенко С.П.

Электромагнитная совместимость: электроэнергетика. – Томск : Томск. гос. ун- т систем упр. и радиоэлектроники, 2017. – 265 с.

Представлены методические материалы практикума, посвященного изучению особенностей обеспечения и моделирования задач электромагнитной совместимости в электроэнергетике. Работы выполняются в программных продуктах TALGAT и ELCUT.

Предназначено для магистрантов технических вузов, специализирующихся в области электромагнитной совместимости.

1.10Восстановление системы заземления подстанции и последующая

4

Введение

РФ располагает значительными запасами энергетических ресурсов и мощным ТЭК, включающим в себя добывающие отрасли (нефть, газ, уголь) и сектор электроэнергетики (электростанции, электрические сети), который является основой развития экономики и инструментом проведения политики.

Природные топливно-энергетические ресурсы, производственный, научнотехнический и кадровый потенциалы ТЭК являются национальным достоянием, а его эффективное использование создает необходимые предпосылки для устойчивого развития экономики и обеспечивает рост уровня жизни населения. Согласно энергетической стратегии России на период до 2030 г. (распоряжение Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715-р) предполагается замена основных фондов в электроэнергетике, модернизация тепловых, строительство новых атомных и гидрогенерирующих электростанций, а также выполнение работ по реконструкции и техническому перевооружению электрических сетей на основе обеспечивающих их надежное и эффективное функционирование новых электросетевых технологий и современного оборудования, в том числе за счет использования микропроцессорного (МП) оборудования при создании систем управления технологическими процессами, связи, релейной защиты и автоматики (РЗА),

коммерческого учета электроэнергии и пр. В совокупности данные мероприятия направлены на обеспечение энергетической безопасности страны и регионов, удовлетворение потребностей экономики и населения страны в электрической энергии.

В Положении ПАО «РОССЕТИ» о единой технической политике в электросетевом комплексе указано, что защита технических средств (ТС) от воздействия внешних электрических и магнитных полей, а также помех по цепям питания должна быть достаточной для эффективного выполнения ТС своего назначения. Очевидно, что выполнение поставленных задач невозможно без учета требований ЭМС – способности одновременно функционировать в

5

реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии непреднамеренных электромагнитных помех и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим. Согласно стандартам ОАО «ФСК ЕЭС» по обеспечению экологической безопасности электросетевых объектов (СТО

56947007-29.240.043-2010, 56947007-29.240.044-2010) проведение работ по обследованию ЭМС на энергообъектах является обязательным условием на этапах их проектирования и технического перевооружения. Аналогичные стандарты добывающих отраслей – СТО Газпром 2-1.11-172-2007, 2-1.11-290- 2009, 2-6.2-654-2012, ГОСТ Р 55154-2012.

Несмотря на наличие на объектах ТЭК систем молниезащиты, были аварии, вызванные молниевыми разрядами. Помимо прямых ударов молний возможны удары в близлежащие заземленные конструкции и объекты, что приводит к появлению так называемых «вторичных воздействий» молний. Их возможным последствием является выход из строя оборудования, линий связи и объектов в целом, приводящий к существенным материальным затратам.

Известен случай аварийного отключения энергоблока тепловой электростанции из-за влияния на работу технологической защиты носимой коротковолновой радиостанции. Анализ аномалий работы РЗА подстанций показал, что свыше 15% их можно отнести к проблемам ЭМС. Так, при коротких замыканиях на шинах распределительных устройств подстанций и станций происходят повреждение кабелей вторичной коммутации и устройств РЗА, а также неправильная работа защит.

Таким образом, соответствовать требованиям нового времени может только качественно новый ТЭК: финансово устойчивый, экономически эффективный, динамично развивающийся, безопасный и оснащенный передовыми технологиями. Для этого необходима подготовка высококвалифицированных кадров по ЭМС.

7

Трехфазные линии электропередачи (ЛЭП) переменного тока подразделяются на симметричные и несимметричные. На рисунке 1.2 представлены возможные схемы расположения проводов трехфазной ЛЭП в пространстве.

Рисунок 1.2 – Схемы расположения проводов симметричных трехфазных ЛЭП: по вершинам равностороннего треугольника (а); в одной горизонтальной (б)

ив одной вертикальной (в) плоскостях

Всхеме, изображенной на рисунке 1.2а, суммарный вектор магнитной индукции в центре треугольника (точка 0) в любой момент времени (при симметричных токах IA, IB , IC) будет равен нулю. В схемах на рисунке 1.2б и 1.2в это условие не соблюдается ни в одной точке пространства, но при близости расположения проводов друг к другу эта схема практически тоже симметрична. Пример несимметричной ЛЭП трехфазного тока приведен на рисунке 1.3.

Т1 и Т2 – повышающий и понижающий трансформаторы; 1 и 2 – провода ЛЭП; 3 – земля

Рисунок 1.3 – Схема несимметричной трехфазной ЛЭП:

Так как расстояние между каждым проводом 1 и 2 и землей намного больше, чем расстояние между проводами 1 и 2, эта линия относится к несимметричным. Несимметрия такой ЛЭП с точки зрения влияния на смежные сооружения усугубляется тем, что ток, протекающий в земле, может

8

находиться от поверхности земли на глубине нескольких сотен метров.

Для анализа электрического поля ЛЭП и электроустановок промышленной частоты вообще можно применять законы электростатики. Поле создается, по крайней мере, между двумя электродами (телами), которые несут заряды разных знаков и на которых начинаются и оканчиваются силовые линии.

Создаваемое электроустановками поле неравномерно, т.е. напряженность его изменяется вдоль силовых линий несимметрично, поскольку возникает между электродами различной формы, например между токоведущей частью и землей или металлической заземленной конструкцией. Поле ЛЭП можно считать, кроме того, плоскопараллельным, т.е. форма его одинакова в параллельных плоскостях, называемых плоскостями поля. В данном случае плоскости поля перпендикулярны оси линии.

В разных точках пространства вблизи электроустановок промышленной частоты напряженность электрического поля имеет разные значения. Она зависит от ряда факторов: номинального напряжения электроустановки;

расстояния между точкой, в которой определяется напряженность поля, и токоведущими частями; высоты размещения над землей токоведущих частей и интересующей нас точки и т.п. Напряженность может быть измерена с помощью специальных приборов. В некоторых случаях, например вблизи ВЛ, она определяется расчетным путем.

В качестве примера рассмотрим порядок определения напряженности электрического поля, создаваемого трехфазной ВЛ с горизонтальным расположением проводов. Для упрощения примем допущение, что линия не имеет грозозащитных тросов или они изолированы от опор , что позволяет исполь зовать их, например, для отбора мощности. В результате тросы не оказывают существенного влияния на электрическое поле проводов. При этом расчетные значения напряженности поля будут завышенными по сравнению с фактическими, что в итоге ужесточает требования безопасности и поэтому допустимо.

Напряженность электрического поля уединенного бесконечно длинного

9

прямолинейного проводника, заряженного равномерно по длине, выражается зависимостью, В/м:

которой определяется напряженность, м.

Известно также, что вектор напряженности электрического поля Е совпадает с линией, соединяющей интересующую нас точку с проводником по кратчайшему расстоянию. При этом, если проводник несет положительный заряд, то вектор напряженности Е направлен от проводника, а при отрицательном заряде – к проводнику.

Пусть в рассматриваемом примере провода ЛЭП, которые приняты бесконечно длинными прямолинейными проводниками, расположены вблизи

плоской поверхности проводящей среды – земли. Поэтому поле линии будет создаваться не только зарядами проводов, но и зарядами их зеркальных изображений. При этом вектор напряженности суммарного поля будет равен

геометрической сумме векторов напряженностей полей всех зарядов. Рассмотрим вначале одну фазу, например фазу А (рисунок 1.4), приняв

заряд провода положительным +τА, а заряд его зеркального изображения отрицательным –τА. Модуль (т.е. длина, абсолютное значение) вектора

Здесь mА и nA – кратчайшие расстояния от точки Р до провода (фазы) А и его зеркального изображения соответственно, м.

10

A, B, С – фазы (провода) линии; A , B , С – их зеркальные изображения; mА, mВ, mС — кратчайшие расстояния от точки P до фаз линий;

nА, nВ, nС — кратчайшие расстояния от точки P до зеркальных изображений фаз

Рисунок 1.4 – Вычисление напряженности электрического поля вблизи воздушной линии электропередачи в точке Р

Теперь разложим векторы EА(+) и EА(–) на их составляющие по горизонтали EА(+)x, EА(–)x и вертикали EА(+)y, EА(–)y (см. рисунок 1.4). Модули этих векторов, как следует из построения, равны, В/м:

EA( ) x EA( ) cos 1 EA( ) (x d ) ;

mA

EA( ) x EA( ) cos 2 EA( ) (x d ) ;

nA

EA( ) y EA( ) sin 1 EA( ) (H h) ;

mA

EA( ) y EA( ) sin 2 EA( ) (H h) ,

nA

где х – расстояние по горизонтали от оси линии до точки Р; d – расстояние между осями соседних проводов; Н – высота размещения провода над землей (при более точных расчетах – над проводящим слоем грунта); h – высота точки Р над землей (все расстояния в метрах).