Обеспечение электромагнитной совместимости по магнитным полям промышленной частоты технических средств комплектных распределительных устройств систем электроснабжения

Актуальность темы

Развитие электроэнергетики за последнее время характеризуется активным внедрением микропроцессорной техники, устройств релейной защиты и блоков управления. Электронная аппаратура, как правило, очень чувствительна к помехам, источниками которых являются разряды молний, токи короткого замыкания, коммутационные переходные процессы, рабочие токи в распределительных устройствах. Одной из причин несоблюдения условий электромагнитной совместимости (ЭМС) являются небольшие расстояния между токоведущими частями силовых установок и чувствительными к магнитным полям промышленной частоты (МПГТЧ) техническими устройствами, что также приводит к снижению надежности электронной аппаратуры и резкому возрастанию отказов в работе и ложным срабатываниям.

Анализ показывает, что в настоящее время недостаточно разработаны методы расчета МПГТЧ от трехфазных шин с токами до 4000 А в комплектных распределительных устройствах (КРУ) с напряжением 6(10) кВ, содержащих чувствительные к магнитным полям технические средства, определяющие как проблемы электромагнитной совместимости, так и такие важные показатели конструктивного исполнения КРУ — 6(10) кВ, как компактность и металлоемкость продукции.

Решение этих и сопутствующих задач является важной частью программы обеспечения надежности энергоснабжения и энергосбережения Российской Федерации. Сказанное выше определяет актуальность диссертационной работы и ее цель.

Целью настоящей работы: является совершенствование методов расчета напряженностей магнитного поля промышленной частоты (МППЧ) комплекса трехфазных электрических сетей и технических устройств (ТС) с учетом обеспечения условий электромагнитной совместимости (ЭМС) в системах электроснабжения.

Для достижения поставленной цели в работе формулируются и решаются следующие научные и практические задачи:

— выполнение анализа электромагнитной обстановки по электрическим и магнитным полям промышленной частоты в распределительных устройствах подстанций и оценка нормативных требований по обеспечению условий электромагнитной совместимости;

— проведение экспериментальных исследований характера изменений напряженности магнитного поля промышленной частоты дня одиночных проводников ограниченной длины, характерной для ячеек комплектных распределительных устройств, в зависимости от формы сечения шин, значений рабочего тока и расстояния до исследуемого объекта;

— разработка математической модели определения значений суммарных напряженностей магнитного поля промышленной частоты от трехфазных шин круглого и прямоугольного сечения для симметричных и неполнофазных режимов электрической сети, ориентированной на решение задач обеспечения условий электромагнитной совместимости технических средств, расположенных в плоскости параллельной трехфазным шинам;

— разработка математической модели определения значений суммарных напряженностей магнитного поля промышленной частоты от трехфазных шин с учетом влияния металлических экранов, характерных для комплектных распределительных устройств, ориентированной на решение задач обеспечения условий электромагнитной совместимости технических средств, расположенных в плоскости параллельной трехфазным шинам;

— выполнение математического обоснования соответствия условиям электромагнитной совместимости по магнитным полям промышленной частоты для технических средств ряда эксплуатируемых ячеек КРУ;

— разработка практических мероприятий и рекомендаций по обеспечению условий электромагнитной совместимости по МППЧ от токов трехфазных шин для технических средств с учетом их расположения в окружающем пространстве, режимов электрической сети, толщины и магнитных свойств металлических экранов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— определен характер изменения напряженности МППЧ от проводников с током промышленной частоты в зависимости от формы сечения одиночных проводников с учетом йх длины, расстояния до контрольных точек в окружающем пространстве и их расположения;

— разработана математическая модель и метод расчета суммарных на-пряженностей МППЧ от трехфазных токов шин КРУ — 6(10) кВ в плоскости, параллельной расположению шин круглого и прямоугольного сечения для симметричных и неполнофазных режимов работы электрической сети в плоскости расположения устройств МПРЗ, параллельной расположению шин;

— разработана математическая модель определения суммарных напря-женностей МППЧ от трехфазных шин с токами с учетом влияния металлических экранов КРУ 6(10) кВ;

— предложен метод расчета суммарных напряженностей МППЧ, отличительной особенностью которого является учет расстояния между шинами, сечение шин и расстояние от шины до контрольных точек или месторасположения устройств МПРЗ.

Практическая ценность:

— проведен анализ электромагнитной обстановки на действующих электрических станциях и подстанциях с целью выявления нарушений условий электромагнитной совместимости по электрическим и магнитным полям промышленной частоты;

— разработаны мероприятия и рекомендации по обеспечению ЭМС для ТС в КРУ 6(10) кВ при наличии нарушений, обусловленных МППЧ от трехфазных шин с симметричными и неполнофазными режимами работы;

— разработаны практические рекомендации по обеспечению условий ЭМС по МППЧ от токов трехфазных шин для технических средств с учетом из расположения в окружающем пространстве, толщины и магнитных свойств металлических экранов для КРУ различного конструктивного исполнения.

Основные положения, выносимые на защиту:

— результаты исследований и аналитические выражения определения напряженности МППЧ от одиночных шин круглого и прямоугольного сечения с определением допустимых расстояний до контролируемого объекта по нормируемым значениям напряженности МППЧ на уровне 30 А/м и 100 А/м по условиям ЭМС для ТС;

— математическая модель определения суммарных напряженностей МППЧ от трехфазных шин круглого и прямоугольного сечения для симметричных и неполнофазных режимов электрической сети;

— математическая модель определения суммарных напряженностей магнитного поля промышленной частоты от трехфазных шин с учетом влияния металлических экранов, характерных для комплектных распределительных устройств;

— методика определения условий ЭМС по МППЧ для технических средств КРУ различного конструктивного исполнения;

Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, модельных исследований, и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчета и экспериментальных данных.

Объектом исследования являются комплектные распределительные устройства 6 (10) кВ систем электроснабжения.

Основные методы научных исследований. При проведении работы использованы методы математического анализа и математической статистики, компьютерного моделирования, теорий надежности и ЭМС. Экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики используются в практике проектирования ЗАО «ГК „Электрощит“ ТМСамара». Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» Самарского государственного технического университета.

Апробация работы Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на VI Всероссийской научно — практической конференции «Экология, ресурсои энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (Пенза, 2006), VII Международной научно — практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2006), Н-ой молодежной международной научной конференции П-ой молодежной международной научной конференции (Казань, 2007), X научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности (г. Санкт — Петербург, 2008), четырнадцатой Международной научнотехнической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2008).

Публикации Основные научные результаты диссертации отражены в 16 публикациях, в том числе 1 монографии и 5 публикациях в рецензируемых научных журналах из Перечня, утвержденного ВАК.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, библиографического списка из наименований. Основной текст диссертации изложен на страницах, диссертация содержит рисунков, таблиц.

Выводы:

1. Разработана упрощенная модель определения МППЧ) в контрольной точке за плоским (незамкнутым) экраном.

2. Предложены аналитические выражения для определения коэффициента экранирования, магнитной проницаемости и толщины экрана.

3. Показана связь между напряженностью МППЧ от одиночного проводника с током, расположенного в центре экранированной области Н центра и напряженностью МППЧ от одиночного проводника с током, смещенного от центра Н смещ.

4. Разработана методика расчета суммарных напряженностей МППЧ в трехфазных электрических сетях и в распределительных устройствах, которая позволяет определить суммарную напряженность МППЧ Н ¡-£д, А/м в контрольных точках плоскости, параллельной расположения плоскости шин с трехфазными токами с учетом металлического экрана.

5. Разработан алгоритм расчета напряженностей МППЧ, А/м, при использовании плоских металлических экранов в трехфазных электрических сетях.

6. Получен характер изменения значений А/м в характерных точках а, в, с для симметричного режима в зависимости и с учетом толщины экрана 2, расстояние до экрана с1 и от расстояния до контрольной точки /. стороной к — наименьшие — при направлении к контрольным точкам шин прямоугольного сечения узкой стороной Ь — Нъ, а, Е, д> при этом, расхождения между ними достигает 35%. Промежуточные значения суммарных на-пряженностей МППЧ создают ШИНЫ круглого сечения — Н^аЛд.

6. Получено, что неполнофазный режим с обрывом тока в центральной шине В приводит к увеличению напряженности МППЧ в контрольных точках а, Ь, с по отношению к симметричному режиму в 1,5 раза, а при обрыве тока в шине С к изменению характера напряженности МППЧ в зависимости от расстояния с увеличением напряженности МППЧ напротив шины В в 1,7 раза по отношению к симметричному режиму.

7. Разработана математическая модель определения мгновенных значений суммарных напряженностей МППЧ от трехфазных шин с учетом влияния металлических экранов, характерных для комплектных распределительных устройств. Предложенные аналитические выражения могут использоваться для решения задачи обеспечения условий ЭМС ТС, расположенных в плоскости параллельной трехфазным шинам.

8. Разработана математическая модель определения напряженности МППЧ в контрольной точке за плоским (незамкнутым) экраном. Показано, что погрешность между напряженностью МППЧ от одиночного проводника с током, расположенного в центре экранированной области Нцентра и напряженностью МППЧ от одиночного проводника с током, смещенного от центра Нсмещ. составляет 4%.

9. Разработаны практические рекомендации выбора толщины или магнитных характеристик металлических экранов для обеспечения заданных условий ЭМС ТС.

10. Разработаны практические мероприятия и рекомендации по обеспечению условий ЭМС по МППЧ от токов трехфазных шин для ТС с учетом их расположения в окружающем пространстве, режимов электрической сети, толщины и магнитных свойств металлических экранов. На основании выполненного анализа условий ЭМС ТС для ряда ячеек КРУ различного конструктивного исполнения даны рекомендации по изменению коэффициентов экранирования или способу установки трехфазных шин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведен анализ электромагнитной обстановки по электрическим и магнитным полям промышленной частоты в распределительных устройствах подстанций и оценка нормативных требований по обеспечению условий электромагнитной совместимости. Показано, что наибольшее внимание уделялось исследованию импульсных электромагнитных помех, проблема обеспечения условий ЭМС ТС по М1ШЧ в КРУ остается актуальной.

2. Проведены экспериментальные исследования характера изменений напряженности МППЧ для одиночных проводников ограниченной длины, характерных для ячеек комплектных распределительных устройств, в зависимости от формы сечения шин, значений рабочего тока и расстояния до исследуемого объекта. Получены аналитические выражения для определения напряженности МППЧ от проводников ограниченной длины различных форм сечений. Показано, что напряженность МППЧ от одиночного проводника с током имеет обратно пропорциональную зависимость от расстояния в степени 1,4.

3. Разработаны условия обеспечения ЭМС по принятым для ТС нормируемым напряженностям МППЧ в окружающем пространстве от проводников с номинальными токами ограниченной длины, рассмотренных форм сечений, с позиции допустимых расстояний.

4. Предложена математическая модель для определения мгновенных значений суммарных напряженностей МППЧ от трехфазных шин круглого и прямоугольного сечения для симметричных и неполнофазных режимов электрической сети. Предложенные аналитические выражения могут использоваться для решения задачи обеспечения условий ЭМС ТС, расположенных в плоскости параллельной трехфазным шинам.

5. Показано, что наибольшие значения суммарных напряженностей МППЧ в контрольных точках пространства, расположенных в плоскости параллельной трехфазным шинам с симметричными токами, присутствуют при направлении к контрольным точкам шин прямоугольного сечения широкой.