Электромагнитная совместимость в электроэнергетике


А.Г. ОВСЯННИКОВ, Р.К. БОРИСОВ




                ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ





Учебник

НОВОСИБИРСК
2011

УДК 621.311.019.4 (075.8)
      0-345
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Ю.В. Целебровский, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. А.Л. Ивановский

       Овсянников А.Г.

0-345 Электромагнитная совместимость в электроэнергетике : учебник / А.Г. Овсянников, Р.К. Борисов. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2013. -196 с. (Серия «Учебники НГТУ»).
          ISBN 978-5-7782-2199-4
          Приводятся общие представления об электромагнитной совместимости электроэнергетического оборудования, рассматривается классификация видов помех, каналы их проникновения, приводятся методы и средства измерения помех и испытаний на помехоустойчивость. Подробно изложены вопросы обеспечения электромагнитной совместимости и обследования электромагнитной обстановки. Дано описание проблем экологического воздействия электромагнитного поля на человека и методов уменьшения этого воздействия.
          Учебник подготовлен на кафедре «Техника и электрофизика высоких напряжений», соответствует программе дисциплины и предназначен для бакалавров, обучающихся по направлению «Электроэнергетика».
УДК 621.311.019.4 (075.8)
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ

Овсянников Александр Георгиевич Борисов Руслан Константинович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
Учебник

Редактор Л.Н. Ветчакова
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Художественный редактор А.В. Ладыжская
Компьютерная верстка и рисунки С.И Ткачева
Подписано в печать 21.03.2013
Формат 70 х 100 1/16. Бумага офсетная
Уч.-изд. л. 15,8. Печ. л. 12,25
Тираж 3000 экз. (3-й з-д - 351-450 экз.) Изд. № 61. Заказ № 486
Издательство Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 Тел. (383)346-31-87 E-mail: office@publish.nstu.ru
Отпечатано в типографии
Новосибирского государственного технического университета
630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
ISBN 978-5-7782-2199-4                  © Овсянников А.Г., Борисов Р.К., 2010, 2011, 2013
                                        © Новосибирский государственный
                                           технический университет, 2010, 2011, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ


Обозначения и сокращения................................................7
Предисловие.............................................................8

Глава 1. Общая характеристика проблем ЭМС в электроэнергетике...........9

Глава 2. Влияние электрических и магнитных полей на человека...........17
   2.1. Механизмы влияния и нормы на допустимые значения напряженности электрического поля.................................................18
   2.2. Механизмы влияния и нормы на допустимые значения напряженности магнитного поля.....................................................23
   2.3. Влияние короны.................................................28

Глава 3. Электромагнитная совместимость технических средств............29
   3.1. Общие понятия..................................................29
   3.2. Качество электрической энергии.................................31
   3.3. Классификация источников и видов помех.........................41
   3.4. Характеристики помех...........................................53
   3.5. Каналы распространения помех...................................54

Глава 4. Техника и технология измерения помех..............................59
   4.1. Общие методы испытаний источников радиопомех.......................59
   4.2. Измерения радиопомех, излучаемых компонентами электрооборудования.... 67
   4.3. Измерения помех от воздушных линий электропередачи и подстанций.....69
   4.4. Локация источников помех на линиях и подстанциях...................71

Глава 5. Экспериментальное определение помехоустойчивости...............75
   5.1. Выбор видов, степеней жесткости и условий проведения испытаний...75
   5.2. Испытания на устойчивость к кондуктивным помехам................79
   5.3. Испытания на устойчивость к излучаемым помехам..................91
   5.4. Испытания оборудования летательных аппаратов на стойкость к воздействиям токов молнии..................................................99

5.5. Испытания электрооборудования на устойчивость к электромагнитному излучению ядерного взрыва........................................
Глава 6. Технические средства защиты от помех..........................
   6.1. Помехоподавляющие фильтры......................................
   6.2. Ограничители напряжений........................................
   6.3. Разделительные элементы........................................
   6.4. Электромагнитные экраны........................................
Глава 7. Технические решения по обеспечению электромагнитной совместимости на проектируемых и действующих подстанциях..................
   7.1. Общие указания.................................................
   7.2. Ограничение высокочастотных перенапряжений и защита оборудования от них...........................................................
   7.3. Правила проектирования отдельных систем........................
Глава 8. Обследование электромагнитной обстановки на действующих электрических станциях и подстанциях................................
   8.1. Комплексное обследование заземляющего устройства...............
   8.2. Комплексное обследование системы молниезащиты..................
   8.3. Оценка качества электрической энергии..........................
   8.4. Мониторинг кондуктивных помех, электрических и магнитных полей.
   8.5. Рекомендуемые мероприятия по улучшению ЭМО.....................
Глава 9. Стандартизация в области ЭМС..................................
Библиографический список...............................................

101

105
106
114
119
121

129
129

133
138

157
159
171
178
181
187

191

195

    ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АВР - автоматическое включение резервного питания и оборудования АСТУ - автоматизированные системы технологического управления
ВЛ - воздушная линия электропередачи
ВН - высокое напряжение
ВЧ - высокочастотная
ГЩУ - главный щит управления
ЕНЭС - единая национальная электрическая сеть
ЗУ - заземляющее устройство
КЗ - короткое замыкание
КЗП - колебательная затухающая помеха
КР - коронный разряд
КРУЭ - комплектное распределительное устройство с элегазовой изоляцией
КЭ - качество электрической энергии
МП - магнитное поле
МЭК - международная электротехническая комиссия
НИП - наносекундные импульсные помехи
ОПН - ограничитель перенапряжений нелинейный
ОПУ - оперативный пульт управления
ОРУ - открытое распределительное устройство
ПРН - производство ремонтных работ под напряжением
ПС - подстанция
ПУЭ - Правила устройства электроустановок
ПЧР - поверхностные частичные разряды
РЗА - релейная защита и автоматика
РУ - распределительное устройство
РЩ - релейный щит
СИГРЭ - международный комитет по большим энергетическим системам
СОПТ - система оперативного постоянного тока
ТС - техническое средство
УРОВ - устройство резервирования в случае отказа выключателей
XX - холостой ход
щпт - щит постоянного тока
ЭМО - электромагнитная обстановка
ЭМС - электромагнитная совместимость
ЭП - электрическое поле

ПРЕДИСЛОВИЕ


   /Т\ исциплина «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике» ХХ в соответствии с содержанием образовательного стандарта бакалавра по специальности «Электроэнергетика» состоит из трех тем:
   - влияние электрических и магнитных полей на человека;
   - качество электрической энергии;
   - электромагнитная совместимость технических средств.
   Последняя тема раскрыта более полно в соответствии с востребованностью знания ее в проектировании и эксплуатации электрических установок.
   Со времени издания автором учебного пособия, одноименного настоящему учебнику, прошло восемь лет. За это время произошли большие изменения в нормативно-технических документах по электромагнитной совместимости. Принят Федеральный закон «О техническом регулировании», подготовлен и широко обсуждается проект технического регламента «Об электромагнитной совместимости». Некоторые государственные стандарты отменены, но появились новые, в том числе изданные на основе стандартов МЭК. Появился стандарт организации «Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях» [1].
   Утверждены стандарты организации «Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства» [2], «Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок» и «Руководящие указания по проектированию заземляющих устройств подстанций напряжением 6...750 кВ». Поэтому возникла настоятельная необходимость издания учебника с изменениями и добавлениями.
   За основу при работе над настоящим учебником были взяты действующие нормативные документы (ГОСТы, стандарты организации, стандарты МЭК и другие) по ЭМО и ЭМС, а также фундаментальная монография российских авторов [3], монографии зарубежных специалистов Э. Хабигера и А. Шваба [4].

            Глава 1


        ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ ЭМС В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ




    (Т! од электромагнитной совместимостью (ЭМС) понимают нормальное
   */ L функционирование передатчиков и приемников электромагнитной энергии. При обеспечении ЭМС энергия передатчиков достигает только желаемых приемников, которые реагируют на сигналы передатчиков лишь по своему предназначению, а нежелательные взаимные влияния отсутствуют. Понятия «передатчик» и «приемник» в данном случае имеют широкий смысл. К передатчикам относятся любые системы, непреднамеренно излучающие в окружающую среду электромагнитную энергию. Приемниками наряду с теле-и радиоприемниками являются вторичные цепи подстанционного оборудования, измерительные приборы, устройства обработки информации и персонал электрообъектов.
   Начало развития работ по проблемам электромагнитной совместимости в отечественной электроэнергетике относится к второй половине 70-х годов прошлого века. Эти работы выполнялись прежде всего в научноисследовательских институтах Минэнерго СССР. Наиболее видное место в этой области принадлежало исследованиям, проводимым под руководством профессора В.В. Бургсдорфа. На основе этих работ сформировалось отчетливое представление о «паразитных связях и наводках» в электроустановках энергетики.
   В мировой практике с начала 80-х годов XX века создаются как национальные, так и международные нормативные документы: стандарты МЭК, европейские нормы EN и др. С начала 1990-х годов и в России находит понимание

Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ ЭМС В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

настоятельная необходимость развития работ в области ЭМС. Организуется ряд предприятий, в том числе ООО «НПФ ЭЛНАП» [5] и ООО «ЭЗОП» (Электроэнергетика. Защита от помех) [6], занимающихся непосредственно проблемами электромагнитной совместимости. Этими организациями проводится исключительно важная работа по определению электромагнитной обстановки (ЭМО) на предприятиях, обеспечению ЭМС, совершенствованию нормативной базы и т. д.
   Проблемы ЭМС давно перестали быть только научными, они приобрели свою практическую значимость. Это подтверждается тем, что только страны Европейского союза тратят из своих бюджетов на эти цели до миллиарда евро в год. Обеспечение ЭМС невозможно без контроля выполнения предъявляемых требований, который осуществляется с помощью средств измерения (СИ). На рынке европейских товаров и услуг в области ЭМС на СИ приходится около 20 %. В юридической практике популярно выражение: «Незнание законов не освобождает от ответственности за их соблюдение». Это выражение можно перефразировать следующим образом: «Незнание нормативной базы по ЭМС не освобождает от ответственности за недостаточный уровень надежности электроустановок». А любой процесс познания начинается с изучения «азбуки». В нормативных документах по ЭМС используются перечисленные ниже основные понятия (термины по качеству электрической энергии будут приведены в главе 3).
   Внешние устройства молниезагциты - комплекс, состоящий из молние-приемников, токоотводов и заземлителей.
   Внешний контур заземления (здания) - замкнутый горизонтальный заземлитель, проложенный вокруг здания.
   Внутреннее устройство заземления (здания) - совокупность заземляющих проводников, расположенных внутри здания.
   Выносной заземлитель - заземлитель, выполненный за пределами территории энергообъекта.
   Вторичное оборудование - аппаратура (устройства) релейной защиты и электроавтоматики, противоаварийной автоматики; автоматизированные системы управления технологическим процессом; автоматизированные системы диспетчерского управления; системы сбора и передачи информации; автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учета электроэнергии; противопожарные системы; системы охранной сигнализации, видеонаблюдения; системы оперативного постоянного тока; системы собст-

венных нужд переменного тока 0,4 кВ; системы управления и сигнализации вспомогательного оборудования; системы диагностики силового оборудования, контрольные кабели.
   Возмущение электромагнитное - любое электромагнитное явление, которое может ухудшить рабочие показатели ТС либо отрицательно повлиять на живую или неживую материю. Электромагнитное возмущение может представлять собой нежелательное воздействие, электромагнитный шум или изменение среды распространения электромагнитных колебаний.
   Возмущения электромагнитные наведенные кондуктивные (наведенные токи или напряжения') - напряжения или токи в проводнике, возникающие вследствие индуктивной или емкостной связи с близлежащими токоведущими проводами либо вследствие электрических, магнитных или электромагнитных полей в пространстве.
   Заземляющее устройство - совокупность заземлителя и заземляющих проводников.
   3-землитель - проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.
   Заземляющий проводник - проводник, соединяющий заземляемую часть (точку) оборудования с заземлителем.
   Запас помехоустойчивости - отношение предела помехоустойчивости к уровню электромагнитной совместимости.
   Запас эмиссии помех - отношение уровня электромагнитной совместимости к пределу помех.
   Запас электромагнитной совместимости (запас совместимости) - отношение предела помехоустойчивости к пределу помех. Запас совместимости равен произведению запаса помехоэмиссии и запаса помехоустойчивости.
   Защитный проводник (РЕ-проводник) - проводник, предназначенный для целей электробезопасности.
   Излучаемая электромагнитная помеха - электромагнитная помеха, распространяющаяся в пространстве.
   Импульсные (переходные) электромагнитные поля - возмущения, длительность которых не превышает 200 мс, и на протяжении этого времени полярность меняется не более 10 раз. Затухающие колебательные поля с быстрым

Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ ЭМС В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

временем нарастания, имеющие больше чем 10 изменений полярности, могут быть разделены на импульсную и колебательную части.
   Индустриальная радиопомеха - электромагнитная помеха в диапазоне радиочастот, создаваемая электрическими или электронными устройствами.
   Класс (степень) жесткости - соответствующий уровень испытательного электромагнитного воздействия.
   Класс мест размещения ТС - совокупность мест размещения ТС, имеющих общие свойства, относящиеся к типам и особенностям применения ТС, включая условия установки и влияния внешних электромагнитных помех.
   Кондуктивная электромагнитная помеха - электромагнитная помеха, распространяющаяся в проводящей среде.
   Линии питания - линии, отходящие от источника питания переменного или постоянного тока.
   Линии управления - линии, предназначенные для управления, сигнализации и измерений.
   Место размещения ТС - место установки или применения ТС, характеризующееся различаемыми условиями электромагнитной обстановки.
   Напряжение помехи общего вида - напряжение между каждым из проводников и установленным эталоном, обычно землей или металлическим листом.
   Напряжение помехи дифференциального вида - напряжение между любыми двумя проводниками из заданной группы активных проводников.
   Напряжение прикосновения - напряжение между двумя точками цепи тока замыкания на землю (на корпус) при одновременном прикосновении к ним человека.
   Напряжение шага - напряжение между двумя точками земли, обусловленное растеканием тока замыкания на землю, при одновременном касании их ногами человека.
   Обстановка электромагнитная - общая совокупность электромагнитных явлений, существующих в месте размещения ТС.
   Показатель качества электрической энергии - величина, характеризующая качество электрической энергии по одному или нескольким ее параметрам.
   Пользователи ТС - лица и организации, осуществляющие установку, эксплуатацию и техническое обслуживание ТС.

Помехи от электромагнитных излучений - помехи, источником которых являются электромагнитные возмущения в виде электромагнитных полей, распространяющихся в окружающем ТС пространстве.
   Помехи кондуктивные электромагнитные - помехи, источником которых являются электромагнитные возмущения в виде электрических токов в проводящих средах.
   Помеха электромагнитная (ЭМП) - ухудшение рабочих показателей ТС, вызванное электромагнитным возмущением. Возмущение и помеха представляют собой соответственно причину и ее следствие. Допускается применение термина «помеха» в том же значении, что и «возмущение».
   Помеха допустимая - наблюдаемая или прогнозируемая помеха, удовлетворяющая количественным критериям помехи и критериям совместного использования частот.
   Помеха опасная (вредная) - помеха, которая мешает действию радионавигационной службы или других служб безопасности или существенно ухудшает качество, затрудняет или неоднократно прерывает работу службы радиосвязи.
   Помеха приемлемая - помеха с более высоким уровнем, чем та, которая определяется как допустимая и которая согласована между двумя или несколькими администрациями без ущерба для других администраций.
   Порт - граница между ТС и внешней электромагнитной средой (зажим, разъем, клемма, стык связи и т. п.).
   Порт корпуса - физическая граница ТС, через которую могут излучаться создаваемые этим ТС электромагнитные поля или проникать внешние электромагнитные поля.
   Производство работ под напряжением (ПРН) - проведение профилактических или ремонтных работ на линиях электропередачи или подстанционном оборудовании с непосредственным касанием токоведущих элементов, находящихся под рабочим напряжением.
   Предел помех (предел помех от источника возмущений) - максимально разрешенный уровень эмиссии помех.
   Предел помехоустойчивости - минимально необходимый уровень помехоустойчивости.
   Процесс переходный - кратковременный (не более 1 с) процесс перехода от одного стационарного состояния электромагнитного поля в пространстве (или тока или напряжения в проводниках) к другому стационарному состоянию.

Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ ЭМС В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

   Процесс переходный апериодический - переходный процесс, при котором изменение величины поля, тока или напряжения не содержит периодической компоненты.
   Процесс переходный колебательный - переходный процесс, при котором изменение величины поля, тока или напряжения содержит одну или несколько периодических компонент.
   Пульсации напряжения постоянного тока - процесс периодического или случайного изменения постоянного напряжения относительно его среднего уровня в установившемся режиме работы источника, преобразователя электрической энергии или системы электроснабжения.
   Радиоэлектронные средства - это технические средства, предназначенные для передачи и (или) приема радиоволн, состоящие из одного или нескольких передающих и (или) приемных устройств либо комбинации таких устройств и включающие в себя вспомогательное оборудование.
   Разряд статического электричества - импульсный перенос электрического заряда между телами с разными электростатическими потенциалами при непосредственном контакте или при сближении их на некоторое, достаточно малое расстояние.
   Сеть электрическая общего пользования - низковольтная сторона системы электроснабжения, предназначенная для присоединения технических средств одного или нескольких потребителей без согласования с органом энергоснабжения. К данной категории относятся однофазные двух- и трехпроводные сети номинальным напряжением до 240 В и трехфазные трех- и четырехпроводные сети номинальным напряжением до 400 В с номинальной частотой 50 Гц.
   Система электроснабжения промышленного предприятия - система электроснабжения потребителей, не являющаяся электрической сетью общего пользования.
   Совместимость электромагнитная (ЭМС) - способность ТС функционировать без ухудшения рабочих показателей в электромагнитной обстановке, существующей в месте размещения ТС, не оказывая при этом неприемлемых электромагнитных возмущений на любые объекты в этой обстановке.
   Средство техническое (ТС) - изделия, оборудование, аппаратура и (или) их составные части, функционирующие на основании законов электротехники, радиотехники и (или) электроники и содержащие электронные компоненты и (или) схемы.