"Новости Электротехники"Электромагнитная обстановка на объектах определяет ЭМС цифровой аппаратуры

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №2(14) 2002

Электромагнитная обстановка на объектах определяет ЭМС цифровой аппаратуры

В прошлом номере журнала мы обратились к теме комплексного подхода к оценке и улучшению электромагнитной обстановки (ЭМО) на энергетических и промышленных объектах. Такой подход, по мнению автора, позволяет обеспечить надежное решение проблемы электромагнитной совместимости. Публикуем окончание материала.

Михаил Матвеев, заместитель директора ООО ЭЗОП – «Электроэнергетика, Защита От Помех», г. Москва

Контроль ЭМО

В сложившейся ситуации представляется необходимым проводить контроль ЭМО на энергообъектах (а также промышленных предприятиях, узлах управления, связи и т.п.) перед размещением на них современной цифровой аппаратуры защиты, автоматики, АСУ, АСКУЭ и связи. Желательно также периодическое проведение контроля ЭМО с целью выявления неблагоприятных изменений в силу старения заземляющего устройства, реконструкций и т.п. Что касается технического содержания работ по оценке ЭМО, то они (согласно сложившейся практике и мнению автора) должны включать в себя следующие работы:

Оценка состояния заземляющего устройства, включая заземление средств грозозащиты
Помимо классической процедуры проверки сопротивления растеканию заземляющего устройства, имеется необходимость контроля качества электрических связей между элементами больших ЗУ.
В работе авторы использовали следующую методику: в пределах заземляющего контура объекта выбирается опорная точка. Связь остальных точек с опорной проверяется организацией токовой петли между заземлением проверяемого аппарата (конструкции) и опорной точкой. Измеряется потенциал проверяемой точки относительно удаленной земли (потенциального зонда). Частное от деления потенциала на ток прогрузки – это сопротивление, которое можно назвать сопротивлением основания аппарата (конструкции) относительно опорной точки. Величина меньше 0,1 Ом говорит о хорошей связи с опорной точкой. Величины более 0,1 Ом объясняются дефектами ЗУ (малостью эффективного сечения заземлителей вследствие коррозии или конструктивных недоработок, недостаточным количеством или отсутствием металлосвязей). В этом случае должны проводиться мероприятия по улучшению состояния ЗУ. Для подобных измерений сейчас используются специальные цифровые приборы, обеспечивающие высокую селективность измеряемых сигналов на фоне помех, что крайне важно для измерений на объектах со сложной ЭМО. Трассировка коммуникаций ЗУ с помощью специальных трассоискателей может быть полезна на этапе проведения ремонтно-восстановительных работ. При этом надо учитывать, что такие приборы обычно дают лишь приближенное представление о геометрии металлосвязей в пределах ЗУ, не позволяя оценить их качество.

Определение трасс растекания токов при грозовом разряде и КЗ
Опыт анализа причин повреждений аппаратуры и здравый смысл подсказывают, что сопротивление — не единственная характеристика ЗУ. Растекание значительных токов по металлоконструкциям кабельных каналов, экранам кабелей, заземляющим шинам в помещениях с аппаратурой и корпусам оборудования само по себе опасно. Действительно, создаваемые при этом поля и наводки могут приводить к сбоям и отказам аппаратуры даже при том, что все требования нормативных документов к сопротивлению оказываются выполненными. Поэтому часто возникает необходимость определения реальных трасс токов молнии или токов КЗ.

Долговременный мониторинг помех в информационных цепях
Фиксируются постоянно присутствующие помехи в широком диапазоне частот. Кроме того, производится мониторинг нерегулярно появляющихся импульсных помех. Осциллограф с присоединенным компьютером переводятся в режим «черного ящика», позволяющий без участия оператора обнаруживать помехи, фиксировать соответствующие осциллограммы и записывать их в память компьютера. Теоретически время проведения мониторинга не ограничено (реально, как правило, – несколько суток).

Измерение уровней помех в информационных цепях и цепях питания при коммутационных операциях
Осуществляется с помощью современных цифровых осциллографов (типичная частота дискретизации 1 ГГц на канал) с функцией запоминания импульсного сигнала. Выбор уставок триггера осуществляется в зависимости от вида операции и цепи, в которой производятся измерения. Осциллограммы в цифровом представлении передаются на компьютер, что позволяет в дальнейшем осуществлять их обработку с использованием математических пакетов.

Оценка качества напряжения питания от основных и резервных источников
определяется коэффициент гармонических искажений, при необходимости отслеживается изменение действующего значения в течение суток или более. Производится осциллографирование переключения на резервное питание, что позволяет определить длительность бестоковой паузы.

Оценка уровней электромагнитных полей
Для измерения полей используются специальные интегрированные приборы, антенны и т.п. В ряде случаев необходимо применение аналитических методов. Это касается, в частности, определения уровней магнитных полей в местах расположения аппаратуры при КЗ в высоковольтных сетях с заземленной нейтралью.
Проведение указанных работ требует известной квалификации персонала и использования относительно дорогостоящего оборудования. Поэтому представляется целесообразным проведение таких работ силами специализированных организаций или отделов в рамках комплекса проектно-изыскательских работ по реконструкции объекта. Работы должны производиться в тесном контакте с проектировщиками, ведущими общий проект реконструкции. Разумеется, это приводит к некоторому удорожанию проекта, что является, по сути, платой за безопасность и надежность предлагаемого решения.
Что же касается контроля ЭМО в течение срока функционирования объекта между реконструкциями, то здесь представляется целесообразным привлечение к выполнению этих задач эксплуатационного персонала. Основной задачей является выявление внезапно возникших или скрытых проблем. При необходимости для их полной диагностики и решения может быть проведено полное обследование аналогично тому, как это делается при реконструкции.

Улучшение ЭМО
Разумеется, оценка ЭМО не является самоцелью. По ее результатам разрабатываются и осуществляются защитные мероприятия. В зависимости от результатов обследования, они могут включать:
Оптимизацию заземляющего устройства, в том числе:

восстановление поврежденных и прокладку недостающих заземляющих электродов с целью снижения потенциалов при КЗ и грозовом разряде;
установка вертикальных заземлителей для устройств грозозащиты, разрядников и ОПН;
приведение систем заземления и выравнивания потенциалов в зданиях и помещениях УС в соответствие с современными требованиями;
обеспечение растекания тока молнии на безопасном расстоянии от цепей питания и связи, а также мест расположения аппаратуры;
разделение заземляющих проводников для информационной техники и устройств, способных нести значительные помехи, например, вводов кабелей с мачт радиосвязи;
разрыв ненужных связей (например, между элементами грозозащиты и фильтрами присоединения ВЧ-связи, кабельными каналами и т.п.).

Обеспечение правильной прокладки вторичных цепей по условиям ЭМС:

раздельная прокладка информационных и силовых цепей;
организация экранирования (с двух- или односторонним заземлением экранов в зависимости от условий на объекте);
применение информационных кабелей с высокой степенью симметрии («витая пара»);
прокладка трасс кабелей в обход областей с высокими уровнями электромагнитных полей;
применение барьерных заземлителей, шин выравнивания потенциала и т.п.;
использование (там, где это оправдано) оптической развязки.

Оптимизацию систем питания:

разделение цепей заземления и нуля (переход с системы TN-C на системы TN-S и TN-C-S);
уменьшение токов утечки (позволяет снизить уровень магнитных полей и низкочастотных наводок на кабели связи);
установка стабилизаторов, разделительных трансформаторов и устройств резервирования питания;
использование вторичных источников (ИБП, выпрямителей) с высокой помехоустойчивостью;
организация защищенной подсети для устройств связи, АСУ и т.п. (например, отдельная фаза через стабилизатор).

Установка устройств защиты от перенапряжений
В последнее время все интенсивнее стали применяться устройства подавления импульсных перенапряжений в цепях питания и обмена информацией. Такие устройства выполняются на базе силовых элементов с сильно нелинейной вольт-амперной характеристикой: разрядников, варисторов, стабилитронов и т.п. Нелинейность ВАХ позволяет организовать канализацию импульсных помех по схеме «провод-провод» или «провод-земля», не позволяя им достигнуть входов аппаратуры. Отметим, что эффективность использования таких устройств во многом определяется организацией системы заземления.
В настоящее время для максимально эффективного подавления помех в системе питания принято использовать принцип зонной защиты.
Он заключается в установке защитных устройств в несколько каскадов, каждый из которых рассеивает некоторую часть энергии импульса (рис. 6). В результате амплитуда помех снижается до уровней, безопасных для аппаратуры, даже не предназначавшейся специально для размещения на энергообъектах.

Рис. 6. Установка защитных
устройств классов I, II и III
(по классификации МЭК) в сети
TN-C-S 220/380 В

Что же касается устройств защиты линий связи и цифровых интерфейсов, то здесь многокаскадная структура часто реализуется в самом устройстве. Первый каскад производит отвод основной части энергии импульса. При этом высокочастотная составляющая, соответствующая обычно фронту импульса, проникает через первый каскад из-за ограниченного быстродействия последнего. Эта часть шунтируется быстродействующими стабилитронами второго каскада (время срабатывания - порядка 1-10 нс для разных модификаций ). Результаты лабораторного тестирования показали высокую эффективность подобных устройств. Так, например, грозовой импульс амплитудой 4 кВ от стандартного испытательного генератора может быть погашен практически полностью (см. рис. 7).

Рис. 7. Подавление стандартного грозового импульса устройством защиты интерфейса RS485 (типа ТУЗ):
		Tek(THS730A) STO1 200 V 200 uS Форма импульса (реальная амплитуда – 4 кВ, на входе осциллографа использован делитель)
		Tek(THS730A) STO2 20 V 50 uS Импульс на нагрузке, защищенной ТУЗ (амплитуда снижена до15 В)

Экранирование чувствительной аппаратуры

Иногда высокий уровень магнитных полей при КЗ в высоковольтной сети представляет непосредственную угрозу для аппаратуры. В этом случае обычно рассматриваются варианты размещения аппаратуры в специальных экранирующих шкафах.
Разумеется, приведенными методами не исчерпывается все разнообразие решений, направленных на снижение уровней помех, воздействующих на аппаратуру. Более того, специфика энергетических и промышленных объектов, как правило, такова, что уровень действующих на аппаратуру помех не может быть снижен до очень малых значений без больших капитальных затрат. Поэтому для всей микропроцессорной аппаратуры, влияющей на безопасность и надежность работы объекта, должен обеспечиваться высокий уровень собственной устойчивости к помехам. Это подразумевает проведение в рамках сертификации и (или) экспертной оценки испытаний на ЭМС, причем со степенями жесткости, отражающими специфические требования электроэнергетики.