Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
БЕЗМЕНОВА Надежда Валерьевна
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПО
МАГНИТНЫМ ПОЛЯМ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара - 2012
Работа выполнена на кафедре Автоматизированные электроэнергетические системы в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет (г. Самара).
Научный руководитель | - | САЛТЫКОВ Валентин Михайлович доктор технических наук, профессор кафедры Автоматизированные электроэнергетические системы ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет, г. Самара |
Официальные оппоненты | - | КУЗНЕЦОВ Анатолий Викторович доктор технических наук, профессор кафедры Электроснабжение ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет, г. Ульяновск |
- | КУБАРЬКОВ Юрий Петрович кандидат технических наук, доцент кафедры Электрические станции ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет, г. Самара | |
Ведущая организация | - | ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный технический университет, г. Нижний Новгород |
Защита состоится 9 октября 2012 г. в 13 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: 443100, г. Самара, ул. Первомайская, д.18, корпус №1, аудитория № 4 (учебный центр СамГТУ - Электрощит).
Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; е-mail: aleksbazarov@yandex.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (г. Самара, ул. Первомайская, 18).
Автореферат разослан л06 сентября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д212.217.04, доктор
технических наук, доцент Базаров А.А.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
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 нарушения условий электромагнитной совместимости (ЭМС) являются небольшие расстояния между токоведущими частями силовых установок и чувствительными к магнитным полям промышленной частоты (МППЧ) техническими устройствами (ТС), 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 МППЧ от трехфазных шин с токами до 4000 А в комплектных распределительных устройствах (КРУ) с напряжением 6(10) кВ, содержащих чувствительные к магнитным полям ТС, 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 позволяет сформулировать ее цель.
Целью настоящей работы является совершенствование методов расчета напряженностей магнитного поля промышленной частоты комплекса трехфазных электрических сетей и технических устройств с учетом обеспечения условий электромагнитной совместимости в системах электроснабжения.
Для достижения поставленной цели в работе формулируются и решаются следующие научные и практические задачи:
- анализ электромагнитной обстановки (ЭМО) по электрическим и магнитным полям промышленной частоты в распределительных устройствах подстанций и оценка нормативных требований по обеспечению условий ЭМС;
- проведение экспериментальных исследований изменения напряженности МППЧ для одиночных проводников ограниченной длины, характерной для ячеек КРУ, в зависимости от формы сечения шин, значений рабочего тока и расстояния до исследуемого объекта;
- разработка математической модели определения суммарных напряженностей МППЧ от трехфазных шин круглого и прямоугольного сечения для решения задач обеспечения условий ЭМС ТС, расположенных в плоскости параллельной трехфазным шинам для симметричных и неполнофазных режимов электрической сети;
- разработка математической модели определения суммарных напряженностей МППЧ от трехфазных шин с учетом влияния металлических экранов, характерных для комплектных распределительных устройств, ориентированной на решение задач обеспечения условий ЭМС ТС, расположенных в плоскости параллельной трехфазным шинам;
- выполнение математического обоснования соответствия условиям ЭМС 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 их длины, расстояния до контрольных точек в окружающем пространстве и их расположения;
- разработана математическая модель и метод расчета суммарных напряженностей 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 напряженностей 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 ЭМО на действующих электрических станциях и подстанциях с целью выявления нарушений условий ЭМС 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 их расположения в окружающем пространстве, толщины и магнитных свойств металлических экранов для КРУ различного конструктивного исполнения.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты исследований и эмпирические 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 МППЧ 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 ТМ - Самара. 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, ресурсо- и 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), II-ой молодежной международной научной конференции II-ой молодежной международной научной конференции (Казань, 2007), Х научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности (г. Санкт - Петербург, 2008), четырнадцатой Международной научно- технической 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, 3 приложений, библиографического списка из 104 наименований. Основной текст диссертации изложен на 155 страницах, диссертация содержит 78 рисунков и 22 таблицы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследований. Показана научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы.
Первая глава посвящена анализу литературных источников по решению проблемы ЭМС в электрических сетях открытых и закрытых распределительных устройствах подстанций.
Значительный вклад в решение проблемы ЭМС в электроэнергетических системах внесли Александров Н.Г., Бессонов Л.А., Бинс К., Висящев А.Н., Гринберг Г.А., Гольдштейн В.Г., Дьяков А.Ф., Костенко М.В., Колечицкий Е.С., Кадомская К.П., Кужекин И.П., Купалян С.Д., Таджибаев А. И., Халилов Ф.Х., Шваб А., Хабигер Э. и др. При этом, наибольшее внимание уделялось исследованию импульсных электромагнитных помех, перенапряжений.
Анализ ЭМО, проведенный на 100 действующих объектах ОАО ФСК ЕЭС, показал, что в большинстве случаев ЭМО неблагоприятная. Одним из видов нарушений ЭМС является размещение источников МППЧ вблизи устройств РЗА. Это связано, прежде всего, со слабо изученным влиянием МППЧ от шин КРУ - 6(10) кВ электрических станций и подстанций на ТС, в частности МПРЗ.
В настоящее время современные КРУ, выполняемые в виде ячеек КРУ в закрытых помещениях подстанций и в виде КРУН наружной установки, оснащены современными устройствами МПРЗ, чувствительными к МППЧ, создаваемыми рабочими токами в системе электроснабжения.
Нормирование с позиции устойчивости ТС к воздействию электромагнитных полей (ЭМП) проводятся в соответствие с нормативными документами, т.е. ГОСТами согласованными с требованиями Международной электротехнической комиссии (МЭК). В настоящее время для нормирования МППЧ с учетом класса допустимой ЭМО применяется ГОСТ Р 50648 - 94 (МЭК 1000 - 4 - 8 - 93). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к магнитному полю промышленной частоты. Одновременно для оценки нормирования помехоустойчивости ТС по электромагнитным полям промышленной частоты используется ГОСТ 51317 6.5 - 2006. Требования к помехоустойчивости на физической границе (порт корпуса) технических средств, устанавливаемых на электростанциях и подстанциях, устанавливающий требования к помехоустойчивости ТС на физической границе (порт корпуса), на низковольтных входных и выходных портах электропитания переменного и постоянного тока, на сигнальных портах, на портах функционального заземления. В частности, для ТС в энергетических установках среднего и высокого напряжения нормируемым является класс 5 ЭМО, что допускает значения напряженности непрерывного МППЧ на уровне Н50,норм100А/м. Следует отметить, что для отдельных устройств релейной защиты типа Сириус установлены более жесткие требования по МППЧ (класс 4 ЭМО), т.е. на уровне Н50,норм30А/м.
Проведенный анализ показал, что в настоящее время недостаточно внимания уделяется проблеме влияния трехфазных токов промышленной частоты в виде напряженности МППЧ на помехоустойчивость ТС, в первую очередь, устройств МПРЗ, установленных в ячейках КРУ 6(10) кВ.
Вторая глава посвящена исследованиям напряженности МППЧ от одиночных проводников ограниченной длины в зависимости от значений рабочего тока, формы сечения шин, и расстояния до исследуемого объекта в окружающем пространстве.
Были исследованы МППЧ для проводников ограниченной длины L3,0м, круглой и прямоугольной форм сечения, характерных для ячеек комплектных распределительных устройств.
В результате экспериментальных исследований было получено, что при перемещении в окружающем пространстве контрольной точки (антенны П3-50) вдоль проводника круглого сечения ограниченной длины L, м с током I, А, напряженность МППЧ Hd, А/м изменяется по окружностям с увеличением их радиуса при увеличении расстояния R, м, от проводника до контрольной точки. Также получено, что изменение длины L, м круглого проводника с током I, А при неизменном расстоянии R, м от антенны до проводника, как показано на рис. 1, не приводит к изменению характера напряженности МППЧ Hd, А/м, в окружающем пространстве при перемещении контрольной точки вдоль проводника, а приводит только к уменьшению значений Hd, А/м.
Рис. 1. Напряженность МППЧ Hd, А/м в окружающем пространстве для L = 0,8; 0,6; 0,4; 0,2 м круглого проводника с током I = 16 А на расстоянии R = 0,2 м | Рис. 2. Напряженность МППЧ Hd, А/м в круглом проводнике с током I = 16 А ограниченной длины L = 0,2Е3,0 м с сечениями S = 2,5Е25 мм2 на расстоянии R = 0,2 м |
Из рис. 1 также видно, что наибольшее значение напряженности МППЧ Hd, А/м, в окружающем пространстве находится в точке напротив центра круглого проводника ограниченной длины. Следовательно, при последующих исследованиях изменения напряженности МППЧ Hd, А/м в окружающем пространстве от влияния проводников с током ограниченной длины L, м целесообразно анализировать только максимальные значения Hd, А/м, определяемые напротив центральных точек проводника с током, характер изменения которых от длины круглого проводника, в частности, при R = 0,2 м показан на рис. 2.
Получено, что значения напряженности МППЧ Hd,R=var;L=var в воздушном пространстве, окружающем одиночный круглый проводник ограниченной длины L с током I, для радиуса R могут быть определены по выражению:
, А/м, (1)
При этом следует отметить, что значения напряженности МППЧ от одиночного проводника с током в зависимости от расстояния характеризуются степенью 1,4.
В КРУ шины с рабочими токами, как правило, имеют прямоугольное сечение. По аналогии с (1) для шин прямоугольного сечения получено, что характер изменения напряженности МППЧ Hb,R=var;L=var, А/м в пространстве по оси узкой стороны прямоугольной шины ограниченной длины практически совпадает с характером изменения Нd от проводников круглого сечения:
, А/м, (2)
а по оси широкой стороны шин - напряженность МППЧ Hh,R=var;L=var, А/м определятся в виде:
, А/м, (3)
напряженность МППЧ в пространстве между осями широкой Hh и узкой Hb сторонами шины от центра шины до контрольной точки окружающей среды определяется по выражению:
, (4)
где - угол между радиусом - вектором и полярной осью.
Выражения (1-4) могут быть использованы для оценки ЭМО и условий ЭМС с чувствительными к ним техническими устройствами, что представлено на рис. 3.
| а) | б) |
Рис. 3. Напряженность МППЧ в воздушном пространстве от шин прямоугольного сечения с токами до I = 4000 А: а) для узкой Hb и б) широкой Hh стороны шины
Условия обеспечения ЭМС для ТС (Н50,норм30А/м и Н50,норм100А/м) по допустимым значениям напряженности МППЧ: Hd, Hh, Hb, А/м, создаваемых номинальными токами Iном, А одиночных проводников круглого и прямоугольного сечения могут быть представлены в виде допустимых до корпуса ТС расстояний Rдоп., м, значения которых сведены в табл. 1.
Таблица 1
Допустимые расстояния по условиям ЭМС ТС
по МППЧ для Hd, Hh, Hb от токов одиночных проводников
Iном, А | Допустимые расстояния Rдоп., м при Hd, Hh, Hb=H50,норм30А/м | Допустимые расстояния Rдоп., м при Hd, Hh, Hb=H50,норм100А/м | ||||
Rd,доп., м | Rb,доп., м | Rh,доп., м | Rd,доп., м | Rb,доп., м | Rh,доп., м | |
1000 | 1,6 | 1,6 | 1,9 | 0,7 | 0,7 | 0,8 |
1600 | 2,3 | 2,3 | 2,6 | 1,0 | 1,0 | 1,1 |
2500 | 3,3 | 3,3 | 3,6 | 1,4 | 1,4 | 1,5 |
3150 | 3,8 | 3,8 | 4,1 | 1,6 | 1,6 | 1,7 |
4000 | 4,6 | 4,6 | 4,9 | 1,9 | 1,9 | 2 |
Третья глава посвящена разработке математической модели и метода расчета суммарных напряженностей 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.
Для определения напряженностей МППЧ в окружающем трехфазные шины пространстве, принимаются мгновенные значения симметричных трехфазных токов с учетом фазовых сдвигов, обусловленных характером нагрузки электрической сети (ЭС), основным из которых является режим симметричных токов ; ; .
| Рис.4. Геометрическая модель расположения шин (с токами ), направленных к плоскости контрольных точек a, b, c широкой стороной h | Для расчета напряженностей МППЧ как от отдельных шин фаз А, В, С, так и мгновенных значений их суммарных напряженностей в плоскости, параллельной расположению шин, использовалась геометрическая модель, показанная на рис. 4. В представленной на рис. 4 геометрической модели шины с рабочими токами расположены по оси х в точках А, В, С, на расстоянии d, м, друг от друга. Контрольные точки a, b, c, располагаются напротив шин с токами по оси параллельной оси х. Для принятой геометрической мо - |
дели, разработан метод расчета для отдельных шин с токами и суммарных (результирующих) значений напряженностей МППЧ, определяемых по выражениям:
, (5)
, (6)
, (7)
, (8)
где ; ; - токи в шинах А, В, С, А; Ri,A,эл; Ri,B,эл; Ri,C,эл - расстояние между центрами шин A; B; C и контрольной точкой i, м; ; ; - напряженности МППЧ от тока шин A; B; C в контрольной точке i, определяемая по выражению для эллипса поперечного сечения шины относительно перпендикулярной оси расположения шин с учетом плоскости стороны шины; cosa,A,эл,пр; cosb,B,эл,пр; cosc,C,эл,пр - коэффициент приведения напряженности магнитного поля ; ; , определяемых в плоскости перпендикулярной векторам Ri,A,эл; Ri,B,эл; Ri,C,эл к плоскости ее проекции на ось контрольной точки i.
При этом для определения значений напряженности в контрольной точке i, произвольно расположенной в окружающем пространстве в плоскости у от токов шин прямоугольного сечения по оси их широкой h стороны, можно использовать следующие выражения:
по оси координаты х:
, А/м, (9)
по оси координаты у:
, А/м, (10)
в плоскости у:
, А/м, (11)
где: Hh,ш,i - напряженность МППЧ в воздушном пространстве по оси широкой стороны h прямоугольной шины, А/м; Hb,ш,i - напряженность МППЧ в воздушном пространстве по оси узкой стороны прямоугольной шины, А/м; Hш,i,эл,h - напряженность МППЧ в воздушном пространстве по оси эллипса, А/м; I- ток шины ш (А, В, С) прямоугольного сечения, А; L- длина прямоугольной шины с током (L1,0 м), м; Ri- расстояние от центра прямоугольной шины до контрольной точки i, м.
При этом целесообразным является приведение полученных значений напряженности МППЧ от трехфазных шин разнесенных друг от друга на определенное расстояние, к плоскости, параллельной расположению шин через cosi,эл,пр, т.е. к плоскости расположения ТС (корпуса предполагаемого устройства МПРЗ).
Характер изменения мгновенных значений напряженностей МППЧ от трехфазных симметричных токов Hh,a,A; Hh,a,B; Hh,a,C в плоскости, параллельной расположению прямоугольных шин в контрольных точках a, b, c для периода t = 0,02 с, показан на рис. 5.
|
Рис. 5. Осциллограммы напряженностей МППЧ при Ra = 0,6 м для токов
IA=IB=IC=1000 A: а) Нh,А, ; б) Нh,В,; в) Нh,С,.
Графическая модель изменения напряженности от трехфазной системы шин с симметричными токами приведена на рис.6. При этом, из рис. 6 и 7 следует, что наибольшие значения напряженности МППЧ наблюдаются напротив крайних фаз А и С, а наименьшие напротив фазы В, где является целесообразным установка устройства МПРЗ.
| Рис. 6. Графическая модель изменения суммарной напряженностей МППЧ от симметричных трехфазных токов прямоугольных шин А, B, С, в плоскости их широких сторон h |
Рис. 7. Характер изменения суммарной напряженности МППЧ от симметричных трехфазных токов прямоугольных шин А, B, С, в плоскости их широких сторон h в точках а, b, с, при Ri = 0,2; 0,4; 0,6 м |
В целом, значения суммарных напряженностей МППЧ Нh,А,,д от симметричных токов при любых расстояниях d между шинами (от широкой стороны) для наибольших значений (напротив крайних шин) могут быть определены по выражению:
, А/м; (12)
а при расположении шин в геометрической модели (рис. 4) узкой стороной или круглого сечения - по выражению:
, А/м. (13)
где RA,а - расстояние от контрольной точки напротив крайней шины до центра прямоугольной шины по оси ее широкой стороны h, d - расстояние между центрами трехфазных шин, м.
Дополнительно были проведены исследования влияния расстояния между шинами на изменение суммарной напряженности МППЧ. В результате было получено, что при увеличении расстояния между шинами напряженность МППЧ увеличивается, в пределе приближаясь к напряженности МППЧ от одиночного проводника.
Совместный анализ напряженности МППЧ от видов проводников трехфазной системы показывает, что наибольшие значения суммарных напряженностей МППЧ в контрольной точке на одинаковом расстоянии от шин присутствуют при направлении шин прямоугольного сечения к плоскости контрольной точки широкой стороной, наименьшие - узкой. Расхождения составляют 35%. Промежуточные значения суммарных напряженностей МППЧ создают шины круглого сечения.
Полученные выражения (12), (13) для определения значений суммарной напряженности МППЧ от трехфазных шин с симметричными токами и с учетом характера их изменения в воздушном пространстве могут быть использованы для оценки ЭМО и условий ЭМС с чувствительными к ним ТС. Условия ЭМС ТС по суммарным значениям напряженностей МППЧ от трехфазных шин с симметричными токами могут быть оценены по табл. 2 величинами допустимых рабочих токов нагрузки для известных между ними расстояний и при отсутствии металлических экранов.
Таблица 2
Условия обеспечения ЭМС ТС по МППЧ от трехфазных шин с симметричными токами
с позиции допустимых рабочих токов нагрузки для известных между ними расстояний
Условия ЭМС ТС | Н50, норм30 А/м | Н50, норм100 А/м | ||||||||
Расстояние от шин до ТС, Rd,доп., м | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 |
Допустимый рабочий ток (без экрана), Iдоп., А | 55 | 118 | 216 | 368 | 574 | 183 | 389 | 712 | 1214 | 1894 |
Для систем электроснабжения (СЭС) весьма часты неполнофазные режимы, характеризующиеся обрывом одной из фаз. При этом изменяется векторная диаграмма токов нагруженных фаз и значения напряженностей МППЧ в окружающем пространстве (в плоскости параллельной расположению шин). На рис. 8 показано изменение напряженности МППЧ в плоскости параллельной расположению шин (на рис. 4) для случая неполнофазного режима с обрывом тока в центральной шине В (рис. 8а) и в крайней шине С (рис. 8б).
| а) | б) |
Рис. 8. Напряженность МППЧ в точках а, b, с, (напротив шин А,В,С)
при Ri = 0,2; 0,4; 0,6 м для неполнофазных режимов: а) IA=IС=750A; IВ=0; б) IA=IB=750 A; IС=0.
Из рис. 8 следует, что неполнофазный режим с обрывом тока в центральной шине В (рис. 8а) приводит к увеличению суммарной напряженности МППЧ в контрольных точках a, b, c по отношению к симметричному режиму в 1,5 раза, а при обрыве тока в шине С (рис. 8б) к увеличению суммарной напряженности МППЧ напротив шины В в 1,7 раза по отношению к симметричному режиму.
Учитывая, что неполнофазные режимы в трехфазных сетях имеют кратковременный характер, предлагается для нормирования МППЧ на корпусах и портах ТС в указанных режимах электрической сети осуществлять по величине энергетической экспозиции:
ЭН = Н2 Т, (14)
где Н - напряженность магнитного поля, А/м; Т - время воздействия за смену, час.
Четвертая глава посвящена разработке математической модели, расчету значений суммарных напряженностей МППЧ от трехфазных шин с симметричными токами с учетом металлических экранов и определению условий обеспечения ЭМС ТС в КРУ - 6(10) кВ различного конструктивного исполнения.
В большинстве конструкций КРУ между трехфазными шинами с рабочими токами промышленной частоты до 4000 А и корпусами МПРЗ, чувствительными к магнитным полям, имеются металлические перегородки, представляющие собой экраны, которые существенно снижают напряженности МППЧ.
Для расчета напряженностей МППЧ в воздушном пространстве за экранами были разработаны математические модели, алгоритмы и программы для ЭВМ, как для одиночных шин с током промышленной частоты и плоским металлическим экраном с использованием геометрической модели, представленной на рис. 9, так и для трехфазных шин с симметричными токами промышленной частоты и замкнутым металлическим экраном с использованием геометрической модели, представленной на рис. 10.
Рис. 9. Геометрическая модель определения напряженности МППЧ в пространстве за плоским (незамкнутым) экраном | Рис. 10. Геометрическая модель расположения шин А, В, С, направленных к плоскости контрольных точек a, b, c широкой стороной для расчета напряженностей МППЧ с учетом металлических экранов |
Поскольку расстояния, существующие в КРУ, существенно меньше длины волны напряженности магнитного поля при промышленной частоте 50 Гц, все зависимости определяются соотношениями, характерными для ближней зоны.
Из рис. 9 и 10 видно, что пространство (расстояние) между шинами и контрольными точками можно разделить на три участка: на расстояние от центра шины до передней стенки экрана R1, м; на расстояние R2=R1+z, м, дополнительно учитывающее толщину экрана z, м, или ее геометрическую составляющую в направлении между центром шины и контрольной точкой; расстоянием от центра шины до контрольной точки Ri, м.
Значение напряженности МППЧ до передней стенки экрана Н1(I) в воздушном пространстве можно определить по выражениям (1Е4) для одиночных проводников ограниченной длины. Значения напряженности МППЧ в металлическом экране и на задней стенке экрана H2 можно определять без учета отраженной волны, которая, по результатам эксперимента для напряженностей промышленной частоты 50 Гц не превышает 2Е4% по отношению к падающей волне по выражению вида:
, (15)
где Н1 - напряженность МППЧ на границе раздела диэлектрик - проводящая среда (падающая волна), z - толщина проводящей стенки (экрана), k - коэффициент распространения в металле:
,
где - круговая частота; - абсолютная магнитная проницаемость металла; - удельная проводимость металла экрана.
Далее без учета экрана, используя выражения (1Е4) и заменяя расстояния от задней стенки экрана R2, м до проводника с током , А на условное расстояние R2,усл=R2+R, м:
, (16)
где R - расстояние между реальным и условным положением проводника с током.
При этом, значения напряженности МППЧ Hi, А/м, включая и нормируемые, в контрольных точках за экраном можно определять по соотношению:
, (17)
где Ri,усл=Ri+R - условное расстояние до контрольной точки в пространстве за экраном, м.
Как правило, в КРУ известными являются толщина внутренних и наружных металлических стенок, т.е. экранов, и значения относительной магнитной проницаемости а, о.е. металлических стенок, как правило, определяемых экспериментальным путем.
В соответствии с этим для определения и обеспечения условий ЭМС предложена методика выбора параметров металлических экранов в виде допустимых значений толщины экрана z, мм или допустимой относительной магнитной проницаемости металла экрана а, о.е.; места расположения экрана R1, м, по отношению к проводнику с током I; места расположения контрольной точки i, м, в частности, корпуса МПРЗ в ячейки КРУ; для принятого нормируемого значения напряженности магнитного поля Ннорм в контрольной точке при заданных значениях одиночного тока нагрузки I, А промышленной частоты, например, при протекании однофазного тока трехфазной нагрузки в одной из трех шин КРУ.
Таким образом, необходимую толщину экранов z, т.е. толщины отдельных стенок КРУ (эквивалентной толщины группы стенок) для обеспечения условий ЭМС: Нik Ннорм, в контрольной точке при известной относительной магнитной проницаемости металла экранов а, о.е., можно определить с помощью выражения:
(18)
Если ставится задача определения необходимой относительной магнитная проницаемости металла экрана а, о.е., для обеспечения условий ЭМС в контрольной точке при известной (заданной) толщине экрана , м, то для ее решения можно воспользоваться аналитическим выражением в виде:
(19)
где kэкр=H2(I)/H1(I) - коэффициент экранирования металлической стенки.
Для примера на рис. 11 приведены значения толщины металлического экрана z, мм и их относительной магнитной проницаемости а, о.е. для обеспечения условий ЭМС по напряженности магнитного поля Ннорм = 100 А/м в контрольной точке i = 0,6 м (расстояние экрана от центра шины r1 = 0,2; 0,4 м) при номинальных однофазных токах нагрузки промышленной частоты I, А ячеек КРУ с напряжением 6, 10 кВ.
| а) | б) | в) |
Рис. 11. Условия обеспечения ЭМС для нормируемой напряженности магнитного поля Ннорм = 100 А/м в контрольной точке i = 0,6 м при заданных номинальных однофазных токах нагрузки промышленной частоты I = 630Е4000 А ячеек КРУ с напряжением 6, 10 кВ:
а) при r1 = 0,2 м, б) при r1 = 0,3 м, при r1 = 0,4 м
Для обеспечения допустимой (нормируемой) напряженности МППЧ составляющей Ннорм = 100 А/м на поверхности корпуса микропроцессорной релейной защиты (МПРЗ), отражающей условие ЭМС в трехфазной электрической сети (рис. 10) определены значения Нh,,д в характерных точках а, в, с (х = 0; 0,2; 0,4 м; R = var) для симметричного режима в зависимости и с учетом толщины экрана z = 1Е8 мм (сталь a = 100); расстояния до экрана R1 = 0,2 м; IA=IB=IC=1000A и от расстояния до контрольной точки i (R2 = 0,6 м) (см. рис. 12Е13).
Рис. 12. Напряженность МППЧ Нh,,д с у четом экрана при R = 0,2 м. | Рис. 13. Напряженность МППЧ Нh,,д при R = 0,6 м в точках а, в, с. |
Для определения условий обеспечения ЭМС на корпусах ТC (МПРЗ) в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51317.6.5-2006 с позиции помехоустойчивости к нормируемым значениям напряженности МППЧ на уровне Ннорм = 100 А/м были выполнены расчеты значений суммарных напряженностей МППЧ для ряда ячеек КРУ различного конструктивного исполнения.
Для примера на рис. 14 показано конструктивное исполнение ячейки КРУ СЭЩ - 63, а на рис. 15 - геометрическая модель расположения в КРУ шин, экранирующих металлических стенок и положения корпуса МПРЗ.
Рис. 14. Конструктивное исполнение КРУ СЭЩ - 63 | Рис.15. Геометрическая модель расположения шин, экранирующих металлических стенок и корпуса МПРЗ в КРУ 6 (10) кВ |
Результаты расчетов характера изменения напряженности МППЧ в корпусах для ряда ячеек КРУ и условия их допустимости на корпусах МПРЗ приведены в табл. 3.
Таблица №3.
Значения напряженности МППЧ в корпусах ряда ячеек КРУ с учетом
влияния металлических стенок (экранов) и условия их допустимости на корпусах МПРЗ
Расстояние, R, м; Напряженность, Н, А/м | КРУ СЭЩ-63, Iном=1600А | КРУ СЭЩ-61М, Iном=3150А | КРУ с шинами по оси y, Iном=1000А | КРУ с экраном напротив шины В, Iном=1000А | |
Экран 1 z=2мм, =350, kэкр=4,7 | R1, м | 0,271 | 0,271 | 0,271 | 0,271 |
Н1, А.м | 2857 | 5142 | 731 | 800 | |
R2, м | 0,273 | 0,273 | 0,273 | 0,273 | |
Н2, А.м | 608 | 1094 | 169 | 310 | |
Экран 2 z=2мм, =350, kэкр=4,7 | R3, м | 0,403 | 0,403 | ||
Н3, А.м | |||||
R4,м | 0,405 | 0,405 | |||
Н4, А.м | 148 | 148 | |||
Экран 3 z=1,5мм, =280, kэкр=2,8 | R5, м | ||||
Н5, А.м | |||||
R6, м | |||||
Н6, А.м | |||||
Корпус МПРЗ | Rкорп, м | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 |
Нкорп, А.м | 30 | 53,3 | 141 | 130 | |
Выполнение ЭМС по Ннорм = 100 А/м | Вып. | Вып. | Не вып. | Не вып. | |
Требуемый коэффициент kосл. | - | - | 1,41 | 1,3 | |
Выполнение ЭМС по Ннорм = 30 А/м | Вып. | Не вып. | Не вып. | Не вып. | |
Требуемый коэффициент kосл. | - | 1,78 | 4,7 | 4,33 |
Из табл. 3 следует, что нормируемые условия по напряженности МППЧ на корпусах МПРЗ не всегда выполняются, что требует для ряда ячеек КРУ или изменения положений трехфазных шин, или толщины и формы металлических экранов, т.е. изменения коэффициентов экранирования.
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 МППЧ 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 эмпирические 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. Определены 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 эмпирические 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 стороной h - Hh,a,,д, наименьшие - при направлении к контрольным точкам шин прямоугольного сечения узкой стороной b - Hb,a,,д, при этом, расхождения между ними достигает 35 %. Промежуточные значения суммарных напряженностей МППЧ создают шины круглого сечения - Hd,a,,д.
6. Получено, что неполнофазный режим с обрывом тока в центральной шине В приводит к увеличению напряженности МППЧ в контрольных точках a, b, c 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.
Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:
Монография:
1.Безменова Н.В., Салтыков В.М. Электромагнитные поля промышленной частоты в электрических сетях и распределительных установках. - М.: Машиностроение, 2011. - 206 с.
В изданиях по списку ВАК:
2. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.) Анализ электромагнитной обстановки на подстанциях и метод расчета напряженностей магнитного поля в распределительных устройствах // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки. 2009. с. 184 - 191.
3. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Копичникова И.В., Салтыков В.М. Условия обеспечения электромагнитной совместимости по магнитным полям промышленной частоты. Технология ЭМС. №4(31). 2009. с.18-20.
4. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Салтыков В.М. Оценка допустимых расстояний в распределительных устройствах напряжением 6-10 кВ при обеспечении нормируемых уровней магнитных полей промышленной частоты 50 Гц // Технологии ЭМС. №1(36). 2011. с. 14-18.
5. Безменова Н.В., Салтыков В.М., Метод расчета магнитных полей промышленной частоты от трехфазных шин с симметричными токами // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки. №2(30). 2011. с. 139-146.
6. Безменова Н.В., Копичникова И.В., Салтыков В.М. Выбор металлических экранов для обеспечения электромагнитной совместимости по магнитным полям промышленной частоты // Известия ВУЗов. Электромеханика. №3. 2011. с. 57-59.
В других изданиях:
7. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Салтыков В.М. Исследование электромагнитных полей турбогенератора // Сборн. статей VII Междунар. научн.- практ. конф. Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. - Пенза, 2006 - с. 118 - 120.
8. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Салтыков В.М. Анализ электромагнитных полей главной понизительной подстанции 110/35/6 кВ // Сборн. статей VI Всероссийской научн.- практ. конф. Экология, ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства. - Пенза, 2006. - с. 23 - 26.
9. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Салтыков В.М. О целесообразности выделения основных видов электромагнитных помех для измерений их в распределительных устройствах // Известия ВУЗов Электромеханика. Специальный выпуск Электроснабжение. 2007. с. 73.
10. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Муштаков А.И., Салтыков В.М. Исследование электромагнитной обстановки электростанций по электромагнитным полям // Материалы докладов II молодеж. Междунар. научн. конф. Тинчуринские чтения. - Казань, 2007. - с. 36-37.
11. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Булохов Д.В., Муштаков А.И., Салтыков В.М. Диагностика электромагнитной совместимости электроустановок по допустимым уровням электромагнитных полей // Сборн. статей VIII Междунар. научн.- практ. конф. Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. - Пенза, 2007 - с. 104 - 106.
12. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Муштаков А.И., Салтыков В.М. Исследование электромагнитных полей промышленной частоты характерных объектов электростанций и способы их защиты // Сборн. докладов Междунар. науч.-техн. конф. Перенаряжения и надежность эксплуатации электрооборудования. Вып. №10. - СПб.: ПЭИПК, 2008. - с. 164 - 166.
13. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Хусаинов Н.Н. Исследование электромагнитной обстановки в помещении систем автоматизированного управления электрической станции // Сборн. тезисов докл. XIV Междунар. научн.-техн. конф. студ. и асп. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. - М., 2008. Т.3. - с. 376-377.
14. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Салтыков В.М., Салтыкова О.А. Исследование электромагнитных полей распределительных подстанциях офисных зданий // Сборн. статей IX Междунар. научн.- практ. конф. Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. - Пенза, 2008 - с. 299 - 301.
15. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Копичникова И.В., Салтыков В.М., Уточкина О.Н. Возможные условия нарушений электромагнитной совместимости в комплектных распределительных устройствах по магнитным полям промышленной частоты // Известия ВУЗов Электромеханика. Специальный выпуск Электроснабжение. 2009. с. 38 - 39.
16. Сайдова Н.В. (Безменова Н.В.), Ерофеев И. Р., Птичкин М.М., Салтыков В.М. Анализ электромагнитных полей на подстанциях промышленного предприятия // Сборн. тезисов докл. XIV Междунар. научн.-техн. конф. студ. и асп. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. - М., 2009. Т.3. - с. 376-377.
ичный вклад автора: Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработка упрощенной модели [1,4,5,], расчетная часть [3,6] и обработка результатов исследования [7,8,9,10,11,12, 13, 14, 15, 16].
Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04
ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет
(протокол № 13 от 26 июня 2012г.
Заказ № 651. Тираж 110 экз.
Отпечатано на ризографе.
ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет
Отдел типографии и оперативной печати
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям