А. А. Косяков, А. Ю. Ершов
Обеспечение электромагнитной совместимости микропроцессорных технических средств на тяговых подстанциях переменного тока
В настоящее время отмечается нечёткость понимания термина «электромагнитная совместимость» предприятиями различных форм собственности, работающих в области электроэнергетики. В соответствии с ГОСТ 30372-95 [1], электромагнитная совместимость технических средств (ЭМС) – это способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средством. При этом данным стандартом, и прочей основной нормативной документацией не уточняется, какие именно технические средства и в какой электромагнитной обстановке должны функционировать с заданным качеством. Данная нечёткость определения приводит к тому, что под термином «электромагнитная совместимость» на объектах электроэнергетики понимают совершенно разные по сути процессы и явления, нередко объясняя неработоспособность оборудования по причинам ЭМС, например:
— из-за неправильного выбора уставок релейной защиты;
— из-за неправильного выбора сечения проводов, кабелей;
— из-за несимметричной нагрузки систем электроснабжения при подключении мощных однофазных нагрузок к трёхфазной системе электроснабжения;
— из-за нелинейной нагрузки систем электроснабжения, в частности, из-за неправильного выбора мощности электродвигателей, трансформаторов.
Из каждого приведённого примера очевидно следует, что неработоспособность оборудования связана с ошибками при выборе основного оборудования, а не из-за влияния высоковольтного сильноточного оборудования на чувствительные к помехам микропроцессорные устройства релейной защиты, автоматики, телемеханики, связи, учёта электроэнергии и пр., что подразумевают нормативные документы по обеспечению электромагнитной совместимости ОАО «ФСК ЕЭС» [5, 6] и ОАО «Газпром» [7], а также общий для всех объектов электроэнергетики нормативный документ РД 34.20.116-93 «Методические указания по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от импульсных помех» [8].
Конечно, если провод разрушится из-за превышения термической стойкости – электромагнитная совместимость обеспечена не будет вследствие разрушения источника помех, но является ли этот вопрос предметом работы специалиста по ЭМС? В соответствии со стандартами по ЭМС ОАО «ФСК ЕЭС», ОАО «Газпром» и РД 34.20.116-93 – не является, однако из-за нечёткости определения электромагнитной совместимости специалисту по ЭМС нередко приходится разбираться во всех аспектах конструирования, проектирования и эксплуатации электрооборудования, быть своеобразным универсальным специалистом.
В системах электроснабжения железных дорог вопрос электромагнитной совместимости традиционно рассматривается в разрезе обеспечения электромагнитной совместимости контактной сети и параллельно следующих линий связи [10, 13]. В конце 90-х годов XX века отмечается расширение применения термина «электромагнитная совместимость» на железных дорогах [12, 14]. К вопросам ЭМС на железных дорогах стали относить проблемы:
— электрохимзащиты подземных сооружений от действия блуждающих токов;
— влияния гармоник тягового тока на работу железнодорожной автоматики и телемеханики, подключенной к рельсовым цепям;
— повышения коэффициента мощности.
В настоящее время к вопросам обеспечения электромагнитной совместимости на железнодорожном транспорте также относят вопросы:
— несимметричной нагрузки трансформаторного оборудования тяговых подстанций переменного тока [15];
— неправильной работы релейной защиты распредустройств 27,5 кВ тяговых подстанций переменного тока при однофазных коротких замыканиях на стороне 110, 220 кВ [16] вследствие неправильного выбора уставок релейных защит.
Следует отметить, что все перечисленные аспекты электромагнитной совместимости являются вопросами линейных объектов (контактной сети, линий электропередачи внешнего электроснабжения) или энергосистемы в целом, но не тяговой подстанции. Вместе с тем вопросы ЭМС как обеспечения допустимых уровней влияния высоковольтного оборудования и системы молниезащиты на низковольтное микропроцессорное оборудование вторичных систем тяговой подстанции в настоящее время возникают, и в перспективе будут возникать всё чаще, что связано с оснащением тяговых подстанций современным микропроцессорным оборудованием, чувствительным к помехам, вместо старого оборудования вторичных систем на базе электромеханических реле.
Вместе с тем, следует признать неготовность ОАО «РЖД» (как крупнейшего собственника тяговых подстанций переменного тока) к решению вопросов ЭМС на тяговых подстанциях вследствие отсутствия каких-либо нормативных документов, аналогичных стандартам ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «Газпром». В связи с чем обследование электромагнитной обстановки и совместимости на тяговых подстанциях приходится выполнять по стандартам ОАО «ФСК ЕЭС», не учитывающим особенности конструкции и режимов эксплуатации тяговых подстанций. Выводы данной статьи основаны на анализе особенностей электромагнитной обстановки на тяговых подстанциях переменного тока, выявленных в ходе обследования подстанций Мысовской дистанции электроснабжения Восточно-Сибирской железной дороги – филиала ОАО «РЖД», выполненного ООО «Альфа ЭМС» в 2013-2014 годах.
Основные источники электромагнитных воздействий на микропроцессорное оборудование тяговой подстанции переменного тока принципиально не отличаются от источников воздействий на подстанциях ОАО «ФСК ЕЭС» [5]. К ним относятся:
— короткие замыкания на шинах подстанции и линиях электропередачи, являющиеся источником кондуктивных помех и токов в экранах контрольных кабелей;
— импульсные наведённые и кондуктивные помехи при коммутациях и коротких замыканиях в первичных цепях;
— импульсные помехи от токов молнии, наведённые с элементов молниезащиты;
— обратное перекрытие с элементов молниезащиты;
— электромагнитные поля промышленной частоты от ошиновки распределительных устройств и однофазных реакторов без ферромагнитных сердечников, в максимальном рабочем режиме и в режиме короткого замыкания;
— электромагнитные поля радиочастотного диапазона, от внешних и внутренних источников радиопередачи различного назначения;
— импульсные магнитные поля от токов молнии, протекающих по элементам молниезащиты;
— разряды статического электричества;
— коммутации в цепях электропитания, несимметрия и несинусоидальность напряжения электропитания.
Вместе с тем, по результатам рассмотрения упрощённой схемы тяговой подстанции [11], рис. 1, и опытным данным обследования электромагнитной обстановки тяговых подстанций Восточно-Сибирской железной дороги – филиала ОАО «РЖД», следует отметить виды помех, имеющих особое значение на тяговых подстанциях переменного тока:
1) несимметрия напряжения электропитания вторичного оборудования, вследствие несимметричной загрузки плеч питания контактной сети;
2) электромагнитные поля промышленной частоты, вследствие несимметрии расположения фаз ошиновки распределительного устройства (РУ) 27,5 кВ в пространстве;
3) несинусоидальность напряжения электропитания вторичного оборудования, вследствие работы выпрямительных преобразователей на электроподвижном составе (ЭПС) и искрения при контакте токоприёмников ЭПС и проводов контактной сети.
Рис. 1. Упрощённая схема тяговой подстанции переменного тока
Источниками несимметрии напряжения электропитания микропроцессорных технических средств на тяговой подстанции переменного тока (рис. 1) являются:
1) однофазная тяговая нагрузка, подключенная со стороны 27,5 кВ;
2) несимметричная линия продольного электроснабжения «два провода – рельс» (ДПР) 27,5 кВ.
Несимметрия токов со стороны 27,5 кВ передаётся на собственные нужды подстанции (электропитание микропроцессорных технических средств) обратной трансформацией через трансформаторы собственных нужд (ТСН).
К тяговой подстанции переменного тока подключаются также симметричные нагрузки:
1) нетяговая нагрузка со стороны 10 (35) кВ;
2) нагрузка собственных нужд, включая линию электроснабжения 10 кВ устройств сигнализации, централизации, блокировки (СЦБ).
В связи с отсутствием стандартов ОАО «РЖД» по оценке передачи несимметрии обратной трансформацией на напряжение электропитания, представляется возможным использовать оценку электромагнитной обстановки и совместимости на подстанции в соответствии со стандартами ОАО «ФСК ЕЭС» [5, 6], предписывающими в части несимметрии токов и напряжений оценивать коэффициенты несимметрии по обратной и нулевой последовательности и сравнивать их с допустимым по ГОСТ 32144-2013 [2] значением 2%.
Коэффициент несимметрии по нулевой последовательности напряжения электропитания на тяговой подстанции переменного тока будет незначителен в связи с подключением ТСН со стороны 27,5 кВ головного трансформатора, соединённой в звезду без нулевого провода или треугольник. Соответственно, для оценки электромагнитной обстановки и совместимости при подключении собственных нужд со стороны 27,5 кВ представляется возможным оценивать коэффициент несимметрии по обратной последовательности K2 по результатам тяговых расчётов загрузки плеч питания А, В и рельсового фидера С:
где 
– токи прямой и обратной последовательностей, определяемые выражениями
где а – оператор поворота, 
– токи прямой и обратной последовательностей фидеров контактной сети А, В и рельсового фидера С.
Для адекватной оценки электромагнитной обстановки и совместимости представляется необходимым выполнить расчёт коэффициента несимметрии по обратной последовательности для нескольких режимов загрузки фидеров, по тяговым расчётам. В случае отсутствия данной информации следует рассмотреть максимальные рабочие режимы одностороннего электроснабжения фидерных зон А и В, а также максимальный рабочий режим двустороннего электроснабжения фидерных зон А и В.
Следует отметить, что типовая схема тяговой подстанции переменного тока (рис. 1) является неоптимальной с точки зрения ЭМС, поскольку собственные нужды (ТСН) подключены непосредственно к несимметричной стороне 27,5 кВ. Если подключить ТСН со стороны 10 (35) кВ, несимметрия напряжения электропитания уменьшится пропорционально доле несимметричной нагрузки в общей нагрузке подстанции,
где KОСЛ – коэффициент ослабления передачи несимметрии электропитания, укрупнённо определяемый выражением
где S27,5, S10(35) – максимальная мощность нагрузки головного трансформатора со стороны 27,5 кВ и 10 (35) кВ;
S110 – максимальная мощность нагрузки, подключенной к РУ 110 кВ, в случае выдачи мощности в сеть 110 кВ, например, при подключении со стороны 10 (35) кВ объектов малой генерации (газотурбинных, газопоршневых электростанций, малых гидроэлектростанций и пр.)
Подключение ТСН со стороны 10 (35) кВ кроме положительного влияния на электромагнитную обстановку и совместимость на подстанции приведёт:
1) к улучшению качества электроснабжения релейных шкафов СЦБ от ВЛ СЦБ 10 кВ, подключаемой через трансформатор СЦБ к собственным нуждам тяговой подстанции;
2) к повышению надёжности электроснабжения релейных шкафов СЦБ от ВЛ СЦБ 10 кВ, поскольку в случае отключения РУ 27,5 кВ и, соответственно, линии ДПР 27,5 кВ, ВЛ СЦБ 10 кВ будет подключена через трансформатор СЦБ и ТСН к обмотке 10 (35) кВ головного трансформатора;
3) к уменьшению стоимости ТСН, в случае подключения ТСН со стороны 10 кВ, поскольку стоимость ТСН на класс напряжения 10 кВ не менее чем 2,5 раза ниже стоимости ТСН на класс напряжения 35 кВ.
В соответствии с п. 5 приложения Г к СТО 56947007-29.240.044-2010 [6], расчёты напряжённости электромагнитного поля для целей оценки электромагнитной обстановки и определения электромагнитной совместимости должны выполняться с использованием программы ЭМП ВЛ. Использование для расчёта напряжённости электромагнитного поля программы ЭМП ВЛ также отвечает требованиям ОАО «Газпром» [9].
Программа ЭМП ВЛ выполняет расчёт напряжённости электромагнитного поля на основе решения системы уравнений Максвелла, позволяет моделировать ошиновку любого РУ, симметричного и несимметричного, потому её можно использовать для оценки напряжённости электромагнитного поля от ошиновки несимметричного РУ 27,5 кВ. Погрешность расчётов, выполненных в программе ЭМП ВЛ, составляет не более 10%.
Для оценки влияния несимметрии расположения фаз ошиновки РУ 27,5 кВ в пространстве на напряжённость электромагнитного поля промышленной частоты в местах расположения микропроцессорных технических средств выполним сравнение напряжённости электромагнитного поля от симметричной ошиновки 35 кВ и от несимметричной ошиновки 27,5 кВ.
Расчётные параметры ошиновок 35 и 27,5 кВ примем одинаковыми (кроме напряжения), соответствующими типовой жёсткой ошиновке:
— максимальные рабочие токи – 1000 А;
— расстояние между фазами – 1 м;
— радиус ошиновки – 0,0108 м;
— высота расположения ошиновки относительно земли – 3,2 м.
Расчётная высота определения напряжённости электромагнитного поля – 1 м, в соответствии с ГОСТ Р 51317.2.5-2000 [3].
Результаты расчётов напряжённости электромагнитного поля в программе ЭМП ВЛ представлены на рис. 2-5 и в таблице 1.
Рис. 2. Результаты расчёта напряжённости электрического поля под ошиновкой РУ 35 кВ и в местах расположения микропроцессорных технических средств в 10 м от ошиновки
Рис. 3. Результаты расчёта напряжённости электрического поля под ошиновкой РУ 27,5 кВ и в местах расположения микропроцессорных технических средств в 10 м от ошиновки
Рис. 4. Результаты расчёта напряжённости магнитного поля под ошиновкой РУ 35 кВ и в местах расположения микропроцессорных технических средств в 10 м от ошиновки
Рис. 5. Результаты расчёта напряжённости магнитного поля под ошиновкой РУ 27,5 кВ и в местах расположения микропроцессорных технических средств в 10 м от ошиновки
Таблица 1
Результаты расчёта напряжённости электрического и магнитного поля частоты 50 Гц
|
№ |
Расчётная точка |
РУ |
Е, кВ/м |
H, A/м |
|
1 |
Под ошиновкой – максимальные значения напряжённости электромагнитного поля |
35 кВ |
1,024 |
47,18 |
|
2 |
27,5 кВ |
1,281 |
70 |
|
|
3 |
В месте расположения микропроцессорных технических средств в 10 м от ошиновки |
35 кВ |
0,07663 |
2,684 |
|
4 |
27,5 кВ |
0,1156 |
15,53 |
Как можно отметить по результатам расчётов, несимметричность конструкции РУ 27,5 кВ (двухфазная ошиновка) оказывает значительное влияние на напряжённость электромагнитного поля в местах расположения микропроцессорных средств:
1. Несмотря на меньшее напряжение (27,5 кВ по сравнению с 35 кВ), напряжённость электрического поля от ошиновки 27,5 кВ будет больше в 1,5 раза, что может иметь существенное значение для выбора уровня помехоустойчивости микропроцессорного оборудования к воздействию электрического поля по ГОСТ Р 51317.2.5-2000 [3]. В приведённом примере при расположении микропроцессорных технических средств в 10 м от ошиновки 35 кВ достаточным является выбор 1 уровня помехоустойчивости к воздействию электрического поля (0,1 кВ/м), а при расположении подобного оборудования в 10 м от ошиновки 27,5 кВ потребуется выбирать оборудование, соответствующее 2 уровню помехоустойчивости к воздействию электрического поля (1 кВ/м).
2. Напряжённость магнитного поля от ошиновки 27,5 кВ будет в 5,8 раз больше напряжённости магнитного поля от ошиновки 35 кВ (при одинаковом токе в ошиновке), что также имеет существенное значение для выбора уровня помехоустойчивости микропроцессорного оборудования к воздействию магнитного поля промышленной частоты по ГОСТ Р 50648-94 [4]. В приведённом примере при расположении микропроцессорных технических средств в 10 м от ошиновки 35 кВ достаточным является выбор 2 уровня помехоустойчивости к воздействию магнитного поля промышленной частоты (3 А/м), а при расположении подобного оборудования в 10 м от ошиновки 27,5 кВ потребуется выбирать оборудование, соответствующее 4 уровню помехоустойчивости к воздействию магнитного поля (30 А/м).
Таким образом, для обеспечения благоприятной электромагнитной обстановки и совместимости на тяговых подстанциях переменного тока необходимо:
1. Разработать нормативный документ ОАО «РЖД» по обеспечению электромагнитной совместимости на тяговых подстанциях при проектировании и эксплуатации, аналогичный стандартам ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «Газпром», учитывающий особенности конструкции и схемно-режимной обстановки на тяговых подстанциях.
2. Для уменьшения несимметрии электропитания вторичных систем, повышения надёжности электроснабжения собственных нужд и ВЛ СЦБ 10 кВ, уменьшения стоимости основного оборудования подстанции при реконструкции и новом строительстве тяговых подстанций переменного тока следует подключать трансформаторы собственных нужд не с несимметричной стороны 27,5 кВ, а со стороны 10 (35) кВ головных трансформаторов.
3. Для обеспечения помехоустойчивости микропроцессорного оборудования тяговых подстанций переменного тока к воздействию электромагнитного поля следует обращать особое внимание на расположение данного оборудования относительно ошиновки 27,5 кВ, по результатам расчётов выбирать соответствующие электромагнитной обстановке уровни помехоустойчивости микропроцессорного оборудования к воздействию электромагнитного поля.
Литература
1. ГОСТ 30372-95. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения.
2. ГОСТ 32144-2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
3. ГОСТ Р 51317.2.5-2000. Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Классификация электромагнитных помех в местах размещения технических средств
4. ГОСТ Р 50648-94. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к магнитному полю промышленной частоты. Технические требования и методы испытаний
5. СТО 56947007-29.240.043-2010. Руководство по обеспечению электромагнитной совместимости вторичного оборудования и систем связи электросетевых объектов.
6. СТО 56947007-29.240.044-2010. Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства.
7. СТО Газпром 2-1.11-290-2009. Положение по обеспечению электромагнитной совместимости производственных объектов ОАО «Газпром».
8. РД 34.20.116-93. Методические указания по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от импульсных помех.
9. Циркуляционное письмо ЦП-0002-11-01 «Об обеспечении требований ЭМС», утверждённое начальником Управления энергетики Департамента по транспортировке, подземному хранению и использованию газа ОАО «Газпром» В.В. Гоголюком от 28.03.2011.
10. Марквардт К.Г. Справочник по электроснабжению железных дорог. Том I. М.: Транспорт, 1980. 257 с.
11. Почаевец В.С. Электрические подстанции. М.: Желдориздат, 2001. 512 с.
12. Бадёр М.П. Электромагнитная совместимость. М.: УМК МПС РФ, 2002. 638 с.
13. Волынцев В.В., Электромагнитная совместимость тяговой сети с воздушными линиями связи при несинусоидальных потребителях электрической энергии и наличии экранированных усиливающих проводов. М.: МИИТ, 2003. 157 с.
14. Бочарников Ю.В. Электромагнитная совместимость системы тягового электроснабжения и аппаратуры рельсовых цепей при воздействии через питающие и сигнальные цепи. М.: МИИТ, 2008. 176 с.
15. Морозов П.В. Повышение электромагнитной совместимости и качества функционирования систем электроснабжения переменного тока скоростных железных дорог. Новосибирск: НГТУ, 2013. 232 с.
16. Афанасьев А.И., Евдокунин Г.А., Дмитриев М.В. и др. Обеспечение электромагнитной совместимости на тяговых подстанциях переменного тока // Электромагнитная совместимость ГЭС и ГАЭС. Санкт—Петербург: ПЭИПК, 2006. С. 18-28.