Повышение уровня надежности, электробезопасности и электромагнитной совместимости при вводе современных тэс с гту и аэс icon

Повышение уровня надежности, электробезопасности и электромагнитной совместимости при вводе современных тэс с гту и аэс



Смотрите также:
Темы Содержание 1 Сертификация продукции по электромагнитной совместимости (эмс) Технический...
Цель симпозиума...
Цель симпозиума...
"Стройпрофиль" 6 (36) Вопросы электромагнитной совместимости при использовании статических...
Рабочая программа учебной дисциплины «тэс и аэс» Цикл...
Удк ???? Применение систем искусственного интеллекта в сфере компьютерных технологий при решении...
Применение систем искусственного интеллекта к расчету электромагнитной совместимости спутниковой...
Рабочая программа учебной дисциплины " Численное моделирование термогидродинамических процессов...
Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 02...
Цель симпозиума...
Гост 29254-91
Задача настоящего курса на основе современных достижений науки и практики дать ответ на три...



скачать



На правах рукописи


КОСТРИК АЛЕКСАНДР ГЕННАДЬЕВИЧ


повышение уровня надежности, электробезопасности и электромагнитной совместимости при вводе

современных ТЭС с ГТУ и АЭС


Специальность 05.26.01 –

Охрана труда (энергетика и электротехника)


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук





Москва – 2007



Работа выполнена на кафедре Инженерной экологии и охраны труда ГОУВПО

Московского энергетического института (Технического университета)


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КОЛЕЧИЦКИЙ Егор Сергеевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ШЛЫКОВ Владимир Николаевич,


кандидат технических наук,

ЖУКОВ Юрий Иванович


Ведущая организация: Научно-производственная фирма «Электротехника наука и практика» (НПФ «ЭЛНАП»)


Защита диссертации состоится “ 20 ” апреля 2007 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) в аудитории Е-205 по адресу:

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.


Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан “ ” 2007 г.


Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.15

кандидат технических наук, доцент ______________ СОКОЛОВА Е.М.


^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы. В соответствии с документом «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» в России планируется ввод в сжатые сроки больших мощностей, как на природном, так и на ядерном топливе. Приоритет будет отдан, в том числе и современным компактным газотурбинным установкам (ГТУ) и атомным энергоблокам типа ВВЭР-1000.

Ускоренный ввод станций сопровождается снижением надежности, электробезопасности и электромагнитной совместимости (ЭМС) при их работе из-за ошибок проекта, монтажа, наладки, дефицита квалифицированного персонала и др. Это, как следствие, приводит к понижению уровня охраны труда на энергообъекте из-за аварийных отключений оборудования, увеличения количества ремонтных и профилактических работ, создания негативных производственных факторов для обслуживающего персонала (повышенные магнитные поля (МП), повышенные температуры, наводки и др.). Т.е. рассмотрение вопросов повышения уровня охраны труда на энергообъектах необходимо выполнять в комплексе с вопросами надежности и электромагнитной совместимости оборудования. Особенно это касается энергообъектов, где вводится новое оборудование.

На тепловых электростанциях с ГТУ применено новое техническое решение для выдачи мощности от генераторов на шины РУ в виде одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Эти кабели являются зарубежной разработкой и их внедрению в России не предшествовали научные и исследовательские работы по определению их надежности, электробезопасности и ЭМС в условиях эксплуатации. В ПУЭ и ПТЭ до настоящего времени также не внесены соответствующие дополнения и изменения. Нет четкого определения, как должен быть заземлен экран одножильного силового кабеля, и в каких случаях допускается его эксплуатация с односторонним заземлением. А отсутствие достаточного опыта проектирования, монтажа и наладки одножильных кабелей привело к серьезным проблемам при их эксплуатации. На первых же электростанциях с ГТУ, где были применены одножильные кабели для выдачи мощности от генераторов, возникли проблемы. Через несколько месяцев после начала эксплуатации кабели вышли из строя. Потребовалась полная замена кабелей или отдельных участков. Пришлось изменять трассу и условия прокладки кабелей, переходить на одностороннее заземление их экранов, устанавливать изолирующие кабельные муфты. Неправильная прокладка и размещение одножильных кабелей приводит к созданию напряженностей МП промышленной частоты, превышающих допустимые уровни для обслуживающего персонала и микропроцессорных устройств. Помехи, индуцируемые в контрольных кабелях при определенных условиях расположения одножильных кабелей, могут влиять на работу микропроцессорной аппаратуры.

С помощью одностороннего заземления экранов одножильных кабелей, увеличения межфазного расстояния, прокладки без кабельных коробов можно повысить допустимую нагрузку на одножильные кабели, но при этом созданные магнитные поля в местах работы обслуживающего персонала и в местах установки микропроцессорных устройств, а также наводки на контрольных кабелях значительно увеличатся. И, наоборот, заземлив экраны с двух сторон, уменьшив межфазные расстояния, проложив кабели в стальных коробах, мы добьемся уменьшения внешних влияний от одножильных кабелей, но получим перегретую изоляцию или необходимость ограничения нагрузки. Следовательно, проблема применения одножильных кабелей в сети генераторного напряжения должна рассматриваться в комплексе, а односторонний подход приводил, и будет приводить к их повреждениям.

В связи с этим возникла необходимость разработки комплексной методики расчета характеристик одножильных кабелей, влияющих на их надежность, электробезопасность и ЭМС. К таким характеристикам относятся: токи и напряжения в экранах, температура кабелей, МП, создаваемые одножильными кабелями, наводки на контрольных кабелях. Эти характеристики связаны между собой и, в зависимости от выбранных условий прокладки одножильных кабелей, они могут обеспечить либо повышенную допустимую нагрузку, либо хорошую ЭМС и электробезопасность. В каждом отдельном случае применения одножильных кабелей необходим системный подход и выбор рационального решения.

На АЭС продолжается интенсивное внедрение микропроцессорных устройств в системы контроля и управления (СКУ), но недостаточное внимание и отсутствие опыта проектирования и наладки заземляющих устройств (ЗУ) этих систем на АЭС приводят к понижению их уровня ЭМС и надежности, и как следствие, к ухудшению производственных условий безопасного труда обслуживающего персонала.

ЗУ для СКУ энергоблока АЭС представляет сложную пространственную систему, выполненную в виде «дерева» и заземленную в одной точке, так называемое спецзаземление. Оно охватывает примерно 30 помещений энергоблока и больше сотни шкафов и стоек. В такой системе должны отсутствовать замкнутые контуры и вторые точки заземления. Такое заземление используется на всех атомных энергоблоках типа ВВЭР-1000 в России и зарубежом.

Объем работ, выполняемый при проверках спецзаземления СКУ, не позволял выявить неисправности в нем. В связи с этим возникла необходимость в методе диагностики спецзаземления СКУ, позволяющем выявлять все неисправности, обусловленные проектными, монтажными и наладочными ошибками, с выдачей рекомендаций по устранению этих неисправностей и повышению уровня надежности, электробезопасности и ЭМС СКУ энергоблока АЭС.

Разработанный метод апробировался на ряде энергоблоков АЭС России и зарекомендовал себя пригодным и в настоящее время единственно возможным способом диагностирования спецзаземления СКУ любой сложности. Проведенные по этому методу работы выявили множество неисправностей в спецзаземлении, имеющихся на действующих и вновь вводимых энергоблоках АЭС.

Целью работы является повышение уровня охраны труда на станциях с ГТУ и энергоблоках АЭС путем обеспечения надежности, ЭМС и электробезопасности работы оборудования с помощью применения разработанной комплексной методики расчета характеристик одножильных кабелей генераторного напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена и методики диагностики спецзаземления СКУ на АЭС.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать и научно обосновать комплексную методику расчета характеристик одножильных кабелей в зависимости от условий прокладки, включающую расчет токов и напряжений в экранах, расчет теплового режима кабелей, расчет МП и наводок на контрольных кабелях. Результаты расчетов по разработанной методике подтвердить прямыми измерениями на действующем оборудовании.

2. На основании разработанной методики определить требования к условиям прокладки одножильных кабелей направленные на повышение электробезопасности, передаваемой по ним мощности и ЭМС.

3. Разработать методику диагностики технического состояния устройств спецзаземления СКУ на АЭС.

4. Провести анализ неисправностей устройств спецзаземления по результатам обследования с использованием разработанной методики и сделать выводы о пригодности существующих устройств спецзаземления по требованиям электробезопасности, надежности и ЭМС современных СКУ на АЭС.

5. Предложить основные положения концепции заземления современных СКУ на АЭС.

^ Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:

1. Поставлена в комплексе задача повышения уровня охраны труда, передаваемой мощности и ЭМС при применении одножильных кабелей с изоляцией из СПЭ в сети генераторного напряжения на станциях с ГТУ.

2. Разработана методика расчета характеристик одножильных кабелей, позволяющая определять токи в экранах кабелей, МП, наводки на контрольных кабелях, тепловой режим одножильных кабелей, и в комплексе выработать рациональные условия прокладки для уменьшения негативного влияния производственных факторов на обслуживающий персонал.

3. Определено, что при расчетах МП, создаваемых одножильными кабелями с заземленными с двух сторон экранами, необходимо учитывать фазу тока в экранах кабелей. Угол фазового сдвига между токами в экранах и токами в жилах существенно меньше 180° и зависит от условий прокладки кабелей.

4. Впервые разработана и научно обоснована методика диагностики устройств спецзаземления СКУ на АЭС, позволяющая, в том числе, выявлять и высокочастотные резонансные контуры в схемах спецзаземления.

5. Научно обоснована необходимость перехода на другие принципы устройства спецзаземления на АЭС. Предложены основные положения системы заземления.

^ Практическая значимость результатов диссертации состоит в следующем:

1. Разработана комплексная инженерная методика оценки условий прокладки одножильных кабелей, как для анализа проектных решений, так и по факту после их прокладки или реконструкции. Методика оформлена в виде стандарта организации ОАО «Южный инженерный центр энергетики».

2. На основе расчетов предложены технические решения по прокладке одножильных кабелей, сочетающие максимальную пропускную способность с минимальным уровнем, создаваемых МП и наводок на контрольных кабелях.

3. Определены безопасные расстояния в части влияния МП для обслуживающего персонала и установленных микропроцессорных устройств.

4. Разработана методика диагностики существующих и вновь вводимых устройств спецзаземления СКУ на АЭС, позволяющая выявить все неисправности, обусловленные проектными, монтажными и наладочными ошибками. Методика оформлена в виде стандарта организации ОАО «Южный инженерный центр энергетики».

5. Определено минимальное расстояние точки присоединения устройства спецзаземления СКУ к заземлителю до ОРУ различных классов напряжений в зависимости от удельного сопротивления грунта.

6. Предложена концепция устройств заземления современных СКУ для АЭС, отвечающая требованиям по надежности, электробезопасности и ЭМС.

^ Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Комплексная инженерная методика расчета характеристик одножильных кабелей генераторного напряжения с изоляцией из СПЭ на современных тепловых электростанциях с ГТУ по требованиям надежности, электробезопасности и ЭМС в виде стандарта организации «ЮИЦЭ» НПП «ЮгОРГРЭС» РИ 7 – ЭТО – 11.

2. Рекомендации по прокладке одножильных кабелей с изоляцией из СПЭ.

3. Методика диагностики существующих и вновь вводимых устройств спецзаземления СКУ на АЭС в виде стандарта организации «ЮИЦЭ» НПП «ЮгОРГРЭС» РИ 7 – ЭТО – 12.

4. Выявленные недостатки и типовые неисправности устройств спецзаземления СКУ на АЭС, по результатам обследований.

5. Предлагаемая концепция устройства заземления СКУ на АЭС.

Внедрение результатов работы. Разработанные стандарты организации «Рекомендации по применению и обследованию одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в сети генераторного напряжения на электростанциях» и «Методика определения технического состояния спецзаземления СКУ на АЭС» используются при выполнении работ специалистами НПП «ЮгОРГРЭС».

^ Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на «Первой Российской конференции по заземляющим устройствам» г. Новосибирск, 2002 г., «Второй научно-технической Конференции молодых специалистов электроэнергетики» Москва, 2003 г., «8-й научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности ЭМС-2004» г. Санкт-Петербург, 2004 г., «Всероссийской конференции по итогам конкурса молодых специалистов организаций НПК РАО «ЕЭС России» г. Дивноморск, 2005, «Девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС – 2006» г. Санкт-Петербург, 2006 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ.

^ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Объем работы составляет 184 страницы и содержит 76 рисунков и 30 таблиц. Список литературы содержит 103 наименования, приложения на 53 страницах.
^

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ



Во введении дается оценка современного состояния вопроса, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

^ В первой главе показана взаимосвязь вопросов охраны труда (электробезопасности), надежности и электромагнитной совместимости на энергообъектах, особенно при вводе нового оборудования.

^ Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию методики расчета характеристик одножильных кабелей с изоляцией из СПЭ и проверке результатов расчета в условиях действующего оборудования.

В методику входит расчет индуцированных токов в экранах одножильных кабелей при их двухстороннем заземлении, расчет индуцированных напряжений на концах экранов при одностороннем заземлении, расчет теплового режима одножильных кабелей, расчет МП, создаваемых одножильными кабелями, и расчет наводок на контрольных кабелях.

При двухстороннем заземлении экранов одножильных кабелей, образуются замкнутые контуры, в которых индуцируются токи İab, İbc (рис. 1а). Расчет токов выполнялся по законам Кирхгофа для схемы замещения представленной на рис. 1б.





а) схема расположения кабелей в плоскости; б) схема замещения;


Рис. 1. Расчет токов в экранах одножильных кабелей.


Индуцируемый ток в экранах кабелей зависит от их конструктивных параметров (сечения экрана, радиуса экрана), токов в жилах кабелей (İa, İb, İc) и межфазного расстояния (S1 и S2 на рис. 1а).

Расчет токов в экранах одножильных кабелей позволяет определить зависимость отношения Iэкран/Iжила от расстояния между фазами кабелей. Результаты расчета в программе «Mathcad» приведены на рис. 2. Расчетами определено, что наименьшее значение наведенного тока будет в экранах кабелей, проложенных в плоскости, при расположении их вплотную: 12-27 % от тока в жилах. При прокладке кабелей по треугольнику вплотную, значение наведенного тока в экранах всех фаз составит 17 % тока в жилах.

Необходимо отметить, что согласно РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытания электрооборудования» неравномерность распределения токов по токопроводящим жилам и оболочкам (экранам) кабелей не должна быть более 10 %. На основании проведенных расчетов ток в экранах одножильных кабелей различается более чем на 10 % при любых прокладках одножильных кабелей в плоскости. Соблюсти это требование можно только при расположении кабелей по треугольнику.





Рис. 2. Зависимость отношения Iэкран/Iжила от расстояния между фазами кабелей.


При учете в расчетах сопротивления ЗУ между точками подключения экранов кабелей, оценка тока через него дает значение 3,5 % и 13 % от тока в жиле для межфазного расстояния 0,05 м и 0,5 м соответственно.

Величина угла фазового сдвига между током в жиле и индуцированным током в экране кабеля необходима для расчета МП и наводок, создаваемых одножильными кабелями. Для ее определения рассчитывались фазы токов в экранах и жилах кабелей. Необходимо отметить, что ток в жиле и индуцированный ток в экране кабеля не находятся в противофазе: в среднем это значение 100°–120°. Угол фазового сдвига между током в жиле и экране зависит от расстояния между кабелями, и при малых расстояниях будет наименьшим и различным для ф. А, В и С, а при больших расстояниях будет стремиться к 180 ° и станет одинаковым для разных фаз.

В зависимости от мощности генератора фаза кабеля может состоять более чем из одного одножильного кабеля. Наиболее часто применяется разделение фазы на три кабеля. Проведенные расчеты показывают, что при увеличении расстояния между одинаковыми фазами разных кабельных линий с 0,1 м до 0,5 м ток в экранах уменьшается на 10 %-25 %. Возрастание токов в экранах на 25 %-50 % происходит при увеличении расстояния между кабелями разных фаз одной кабельной линии. Неправильное чередование одножильных кабелей в пучке кабельных линий приводит к увеличению тока в экранах кабелей на 67 %.

Оболочки силовых кабелей заземляются с двух сторон. В процессе эксплуатации одножильных силовых кабелей один конец экрана может быть изолирован для устранения индуцированных токов. При этом необходимо проведение расчета величины напряжения, для сравнения с допустимым значением.

Расчеты индуцированных напряжений на изолированных концах экранов с использованием величины векторного магнитного потенциала и их оценки для реальных одножильных кабелей в сети генераторного напряжения на электростанциях дают значение в нормальном режиме не более 30 В, а в аварийном - не более 600 В.

Согласно ПУЭ, тепловой расчет одножильных кабелей должен проводиться с учетом индуцированных токов в экранах. Тепловой режим зависит от способа заземления экранов, расстояния между кабелями, прокладки на воздухе или в земле. Температура жилы кабелей с изоляцией из СПЭ в нормальном режиме, как правило, не должна превышать 90 °C.

Расчет теплового режима проводился с учетом падения температуры в тепловых сопротивлениях элементов одножильного кабеля. Тепловая схема замещения для одножильного кабеля приведена на рис.3.




Pg, Pe – электрические потери в жиле и экране кабеля;

Sizg, Size – тепловое сопротивление основной изоляции и внешней оболочки экрана;

^ So – тепловое сопротивление окружающего воздуха;

Tg, Tk, To – температура жилы, внешней оболочки кабеля и воздуха;

rg, re, rk – радиус жилы, экрана и кабеля;

δе – толщина экрана.


Рис. 3. Тепловая схема замещения для одножильного кабеля в воздухе.


Тепловое уравнение для приведенной на рис. 3 схемы можно записать в виде:


^ Tg = To + Pg (Sizg+Size+So) + Pe (Sizе+So). (1)


При расчетах прокладки в воздухе и размещении в плоскости тепловые потери в одножильном кабеле ф. С будут больше из-за того, что ток, индуцируемый в его экране, больше токов в экранах ф. А и В. При прокладке кабелей в воздухе по треугольнику температура кабелей будет одинакова, т.к. токи в экранах отдельных кабелей будут одинаковы. Расчетные оценки для реальных кабелей показывают, что заземление экранов одножильных кабелей с двух сторон дает уменьшение допустимой нагрузки на 23 %, а максимально допустимый ток для межфазного расстояния 0,5 м, меньше, примерно на 30 %, чем для расстояния 0,05 м.

Для расчета кабелей в земле используется та же схема замещения, что и для воздуха (рис. 3), но с учетом взаимного теплового влияния кабелей друг на друга через землю. При двухстороннем заземлении экранов одножильных кабелей в земле с увеличением межфазного расстояния величина допустимого тока в кабелях уменьшается, а при одностороннем заземлении экранов - увеличивается.

На рис. 4 приведены зависимости допустимого тока в одножильных кабелях (сечение жилы 500 мм2, сечение экрана 70 мм2) при прокладке в плоскости для земли и для воздуха от межфазного расстояния.





Рис. 4. Расчетная зависимость допустимого тока от межфазного расстояния

одножильных кабелей в воздухе и в земле.


Одной из функций экрана одножильного кабеля является отвод тока короткого замыкания. ^ Сечение экрана рассчитывается из учета кратковременного протекания наибольшего тока короткого замыкания. Значение сечения экрана будет также влиять и на тепловой режим одножильных кабелей, а вместе с ним и на допустимый ток в кабелях в нормальном режиме. Расчетом определено, что увеличение индуцированного тока в экранах одножильных кабелей более чем в три раза может произойти при увеличении сечения экрана с 35 мм2 до 150 мм2. Повышение индуцированного тока в экранах кабелей связано с уменьшением сопротивления экрана при прежнем значении индуцированной ЭДС. Такая картина прослеживается как при прокладке в воздухе, так и в земле.

Согласно нормативным документам, определение напряженности МП в месте установки микропроцессорной аппаратуры и в зоне работы обслуживающего персонала должно выполняться расчетом еще на стадии проектирования.

Величина напряженности МП одножильных кабелей зависит от амплитуды и фазы токов в жилах и экранах, которые определяются условиями прокладки и заземления экранов кабелей. Для удобства проведения расчетов МП, создаваемых одножильными кабелями, была составлена программа на языке программирования «Delphi», которая позволяет по введенной конфигурации проводников с токами определить напряженность в указанной точке, или найти точку в заданной плоскости с наибольшим значением напряженности МП. В программе предусмотрен расчет напряженности МП, как от проводников с однофазным синусоидальным током, так и от проводников трехфазной системы. Для проверки работы программы были решены тестовые задачи, которые подтвердили правильность расчетов.

Расчеты напряженности МП, проведенные для одножильных кабелей, проложенных в плоскости, показали, что:

- напряженность МП больше в вертикальной плоскости над кабелями, чем в горизонтальной плоскости с кабелями;

- при прокладке кабелей с межфазным расстоянием, равным диаметру кабелей (0,1 м), двухстороннее заземление экранов не приводит к уменьшению напряженности МП, наоборот, происходит даже увеличение результирующей напряженности МП в горизонтальной плоскости за счет того, что суммарный ток жил и экранов для ф. А, В, С отличается друг от друга из-за разных токов в экранах одножильных кабелей;

- при прокладке кабелей с межфазным расстоянием 0,5 м, двухстороннее заземление экранов кабелей приводит к уменьшению напряженности МП в вертикальной плоскости на 17 – 33 %, а в горизонтальной плоскости на 9 - 17 %.

При прокладке одножильных кабелей по треугольнику, МП, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, убывает одинаково. При этом МП в два раза меньше, чем поле от кабелей, проложенных в плоскости. Двухстороннее заземление экранов кабелей, проложенных по треугольнику, не сказывается на уменьшении напряженности МП.

С точки зрения превышения допустимых уровней МП, при прокладке одножильных кабелей в плоскости, с межфазным расстоянием, равным диаметру кабеля (0,1 м), микропроцессорные устройства не должны располагаться ближе 1 - 1,5 м от них, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. При прокладке с межфазным расстоянием 0,5 м микропроцессорные устройства не должны располагаться ближе 2 м, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. При прокладке кабелей треугольником эти расстояния в два раза меньше. Расчеты для аварийного режима работы кабелей (например, при трехфазном коротком замыкании), при допустимом значении напряженности МП 300 А/м, дают минимальное расстояние до микропроцессорных устройств равное 2 м.

Для обслуживающего персонала при восьмичасовом периоде работы напряженность МП в зоне работы должна быть не выше 80 А/м. Это соответствует расстоянию до одножильных кабелей 0,5 - 0,7 м при прокладке с межфазным расстоянием 0,1 м. При расположении одножильных кабелей на расстоянии 0,5 м друг от друга место работы должно быть расположено не ближе 0,7 - 1 м от них.

Напряженность МП на расстоянии 0,1 м от одножильных кабелей превышает допустимый уровень 800 А/м при времени пребывания персонала от 1 до 2 часов. Это должно накладывать ограничения на время выполнения таких работ как прокладка новых кабелей, покраска, заделка противопожарными составами и другие, выполняемые в непосредственной близости с работающими одножильными кабелями.

В кабельном помещении на одной полке вместе с одножильными кабелями генераторного напряжения могут оказаться контрольные кабели. Наводка на контрольных кабелях будет зависеть от расстояния до одножильных кабелей, от условий прокладки одножильных кабелей, от коэффициента экранирования контрольных кабелей. Расчеты с использованием векторного магнитного потенциала показывают, что при расположении силовых одножильных кабелей в плоскости на расстоянии 0,5 м друг от друга наводка на контрольном кабеле будет в два и более раз больше, чем при расположении их на расстоянии 0,1 м. Двухстороннее заземление экранов уменьшает наводку на 15 - 30 %. При расположении одножильных кабелей по треугольнику значение наводки на контрольном кабеле будет значительно меньше.

Наводки на контрольных кабелях от одножильных силовых кабелей на электростанциях не будут превышать десяти вольт в нормальном режиме, потому что их совместная прокладка в кабельных помещениях выполнена на небольших длинах (не больше 50 м). Это значение напряжения не опасно для изоляции контрольных кабелей, но может приводить к искажениям полезных сигналов. Например, напряжение цепей трансформаторов напряжения относительно земли равно 58 В, а с учетом наводки оно может быть меньше или больше на несколько вольт, в результате может произойти ложное срабатывание или задержка срабатывания электрических защит.

В аварийном режиме работы одножильных кабелей (например, при трехфазном коротком замыкании) значение наводки не превысит нескольких сотен В. Для вторичных кабелей электрических защит (цепи тока, напряжения, управления, постоянного оперативного тока) напряжение наводки не будет представлять опасность с точки зрения их изоляции, т.к. испытательное значение для контрольных кабелей составляет, как правило, 2 кВ.

Измерения характеристик одножильных кабелей проводились на действующем оборудовании Сочинской ТЭС. Измерялись: токи в экранах при двухстороннем и напряжения на экранах при одностороннем заземлении одножильных кабелей, угол фазового сдвига между током в жилах кабелей и индуцируемым током в экранах, температура поверхности кабелей, МП и наводки, создаваемые кабелями. По результатам измерений можно сделать следующие выводы:

а) Расхождение между экспериментальными и расчетными данными токов и напряжений в экранах в большинстве случаев не превысило 20 %, для угла фазового сдвига между током в экране и током в жиле кабеля это расхождение составило 25 % и связано в основном с теми допущениями, которые были приняты при расчетах: кабели проложены прямолинейно и на одном расстоянии друг от друга, не учтены сопротивления переходных контактов мест присоединения экранов и потери в стальных конструкциях. Проведенные измерения подтвердили, что фаза тока в экране отличается от фазы тока в жиле не на 180°.

б) Измеренная температура поверхности одножильных кабелей была равна 40-42 °С и хорошо сходится с расчетной - 41°С.

в) МП, измеренные как в вертикальной плоскости над одножильными кабелями, так и в горизонтальной плоскости, а также при одностороннем и двухстороннем заземлении их экранов в большинстве случаев отличаются от расчетных не более чем на 20 %. Такое отличие объясняется принятыми допущениями при расчетах токов в экранах кабелей и влиянием на измерения других источников МП.

г) Измерениями была проведена проверка методики расчета наводок на контрольных кабелях от одножильных силовых кабелей. Измерения наводок на 7-метровом отрезке провода, проложенного рядом с одножильными кабелями, проводились в условиях действующего оборудования, и, тем не менее, было получено хорошее сходство результатов: при одностороннем заземлении экранов расчетное значение было 0,26 В, а измеренное - 0,28 В; при двухстороннем заземлении экранов расчетное значение - 0,24 В, а измеренное - 0,2 В.

^ В третьей главе на основе разработанной методики, включающей расчет тока и напряжения на экране, расчет температуры кабеля, расчет напряженности МП от одножильных кабелей, расчет наводки на контрольном кабеле, сформулированы требования к прокладке одножильных кабелей. Эти требования могут быть направлены на повышение электробезопасности и электромагнитной совместимости или допустимой нагрузки на одножильные кабели. Практический интерес представляют сбалансированные требования к прокладке одножильных кабелей:

1. Расположение кабелей вплотную по равностороннему треугольнику по всей трассе. Наводки и МП при такой прокладке примерно в два раза меньше, чем при прокладке кабелей в плоскости.

2. Одностороннее заземление экранов позволит исключить тепловые потери в них и повысить допустимую нагрузку минимум на 23 %. Эта мера не скажется на значительном увеличении наводок и МП, т.к. при расположении кабелей по треугольнику в экранах индуцируются наименьшие токи, и компенсация ими влияния тока жилы будет около 1,6 %.

3. Прокладка на открытом воздухе, без кабельных коробов позволит улучшить тепловой режим работы кабелей за счет лучшей вентиляции и отсутствия потерь от вихревых токов в толще стали.

4. При соблюдении требований по п.п. 1-3 потребуется установка изолирующих муфт на незаземленных концах одножильных кабелей. Микропроцессорные устройства при этом не должны располагаться ближе 0,5 м к одножильным кабелям. Для защиты обслуживающего персонала от МП необходимо только ограничить по времени работы, выполняемые непосредственно на самих кабелях: покраска, покрытие противопожарным составом, прокладка кабелей и пр.

^ В четвертой главе рассматривается существующее положение в вопросе устройства заземления СКУ на АЭС. Это заземление можно разделить на защитное заземление и рабочее (функциональное заземление). Защитное заземление гарантирует низкое полное сопротивление пути, по которому может протекать ток при повреждениях, и оно предотвращает появление опасного напряжения на частях оборудования не находящихся под напряжением. Функциональное заземление для устройств СКУ обеспечивает одинаковую точку отсчета уровня сигнала, т.е. между системами или элементами одной системы должна быть исключена разность потенциалов при нормальном и аварийном режимах работы оборудования или эта разность не должна превышать допустимого значения. Функциональное заземление может делиться на сигнальное (цифровое, аналоговое) и экранное и может быть выполнено в виде одноточечной, многоточечной или комплексной системы.

Одноточечная система заземления образуется при соединении с землей в одной точке цепей питания, заземления аналоговых и цифровых сигналов, экранов кабелей. Каждый модуль схемы, шкаф, экран имеет единственное подключение к заземлению. В такой схеме исключается гальваническое влияние от токов КЗ, молнии, протекающих по металлоконструкциям и защитному заземлению здания, отсутствуют замкнутые контура. Одноточечная схема заземления применялась на ранних стадиях развития электроники. Эта схема хорошо работает до частот мегагерцового диапазона или при небольшой длине заземляющих проводников от шкафов до общей точки заземления. Применение одноточечной схемы функционального заземления накладывает дополнительные требования по электробезопасности.

Более практичной является многоточечная система заземления. Эта система образуется созданием трехмерной клетки, объединяющей строительные металлоконструкции, кабельные короба и экраны, трубопроводы, систему вентиляции, защитное заземление, нейтрали трансформаторов. К такой системе присоединяются и проводники заземления СКУ. Причем, чем больше взаимных связей в такой системе заземления, тем лучше ее эквипотенциальность. Многоточечная система более предпочтительна с точки зрения электробезопасности. У такой системы больше достоинств, чем недостатков и, в отличие от одноточечной системы, она не деградирует со временем при модернизациях. Ее контроль в эксплуатации намного проще. Но многоточечная система заземления требует больших затрат при проектировании, монтаже и наладке оборудования.

Комплексная система функционального заземления объединяет достоинства одноточечного и многоточечного заземления. При этом для особо чувствительной аппаратуры СКУ в пределах одного помещения создается одноточечное заземление, а в целом по зданию выполняется многоточечное.

На АЭС в России для устройств СКУ применено одноточечное заземление, которое получило название спецзаземление. Оно охватывает все пространство энергоблока и состоит из 25 - 35 опорных узлов (это медные или стальные шины в помещениях), 60 – 80 магистральных кабельных линий (медные силовые кабели сечением 3х95 мм²) с длинами от нескольких метров до нескольких сотен метров и порядка сотен шинок спецзаземления в стойках и панелях с присоединенными к ним заземляющими проводниками, экранами кабелей, блоками питания, фильтрами и другими элементами аппаратуры. Вся эта структура согласно проектной документации должна быть присоединена кабелем в одной точке на общем опорном узле к заземлителю, являющимся общим для всех электроустановок блока.

Однако, в действительности, спецзаземление в большинстве случаев имеет неисправности, нарушающие его структуру: вторые точки присоединения к заземляющему устройству, контуры, обрывы связей. Эти неисправности являются источником разнообразных и опасных электромагнитных воздействий на кабели и аппаратуру СКУ. Причины опасности связаны с протеканием токов по элементам металлоконструкций и ЗУ при КЗ и коммутациях мощных нагрузок, при переходных процессах в электроустановках, при перенапряжениях, при работе источников постоянного тока, преобразовательных устройств, электросварки и других. Эти токи создают разность потенциалов не только на ЗУ, но и в системе спецзаземления через вторые точки замыкания. Разность потенциалов, приложенная к разным опорным узлам подсистем СКУ, создаст напряжение помехи, наложенной на полезный сигнал. Например, на рис. 5 приведена осциллограмма помехи и ее спектр, существующие в нормальном режиме на опорных узлах спецзаземления. Эти помехи могли быть созданы как самой аппаратурой СКУ, так и наведены на кабелях спецзаземления от других внешних источников, при этом из-за больших длин кабелей спецзаземления помеха не замыкается на землю. Т.е. настоящей «чистой земли» при высоких частотах одноточечная схема заземления обеспечить не может.





напряжение помехи спектр помехи

развертка: 0,2 мкс/дел; 0,2 В/дел. развертка: 1,25 МГц/дел.


Рис. 5. Осциллограмма напряжения и спектра помехи на опорном узле спецзаземления.

^ Точка присоединения к заземлителю системы спецзаземления выбирается произвольно и, как правило, это ближайший к общему опорному узлу участок заземлителя. При этом не учитывается, что заземлитель блока связан с соседними заземлителями ОРУ и все переходные процессы в них будут влиять и на спецзаземление. К таким переходным процессам относятся короткие замыкания на ОРУ, сопровождаемые высокочастотными (ВЧ) токами, коммутационные перенапряжения, протекание токов молнии по заземлителю. Поэтому точка связи устройства спецзаземления с заземлителем должна выбираться на расстоянии не менее трех размеров скин-слоя земли для рассматриваемой частоты воздействия и удельного сопротивления.

Расчеты, проведенные в программе «PSPIСE» из программного комплекса «ORCAD» показывают, что частотный диапазон ВЧ-составляющей токов короткого замыкания для ОРУ разных классов напряжений на АЭС будет от 100 кГц и до 1 МГц и более. Тогда для АЭС, расположенных в средней части России с ρ примерно равным 200 Ом•м, расстояния от точки заземления спецзаземления СКУ до высоковольтного оборудования ОРУ должно быть больше 66 м. При коммутациях на ОРУ высокочастотные токи, протекающие через емкость высоковольтного оборудования, будут меньше, а частоты больше, чем для случая короткого замыкания. Поэтому выбирать расстояние от места присоединения спецзаземления до заземлителя ОРУ необходимо по частоте для тока короткого замыкания.

Защититься от токов молнии выбором места присоединения общей точки спецзаземления к заземлителю не представляется возможным, потому что эквивалентная частота для фронта тока молнии 10 мкс составляет 25 кГц и тогда тройное значение скин-слоя для грунта с ρ=200 Ом•м будет 135 м, к тому же токоотводы заземлены по всему периметру энергоблока.

^ В пятой главе описываются основные положения методики диагностики спецзаземления СКУ, приводятся результаты обследования и обосновывается необходимость перехода на другие принципы устройства спецзаземления.

В настоящее время существующие способы контроля спецзаземления, а также используемые при этом технические средства, из-за своего несовершенства, не обеспечивают минимума контроля состояния цепей спецзаземления. Контроль спецзаземления вместе с заземлением при наладке и обслуживании подсистем СКУ обычно заключается помимо осмотра и проверки маркировки кабельных линий, в сверке схем, проверке изоляции и прозвонке цепей или отдельных участков устройств СКУ в отдельной подсистеме. Но полное выявление неисправностей таким способом в полностью собранной схеме спецзаземления СКУ на АЭС, к тому же с кабельными гальваническими связями между устройствами, является неразрешимой задачей. По этим причинам невозможно без существенных ошибок составить исполнительные схемы спецзаземления и разработать защитные меры.

В связи с этим был разработан метод диагностики спецзаземления, выполняемый в действующих цепях на работающем оборудовании без отсоединения проводников. Суть метода состоит в следующем. Генератор синусоидального тока (ГСТ) подключался к различным точкам спецзаземления (рис.6). С помощью токоизмерительных клещей определялись токи во всех элементах системы спецзаземления. При этом влияние существующих токов сведено до минимума посредством надежной отстройки полезного сигнала по частоте. Для одноточечной схемы спецзаземления, при полной ее исправности, по магистральным линиям от опорного узла спецзаземления до точки входа в контур заземления блока должно протекать 100 % тока генератора. Уровень тока менее 100 % указывает на необходимость поиска и последующего устранения непредусмотренных гальванических связей в спецзаземлении.


опорные узлы

спецзаземления

магистральные кабели

спецзаземления

заземлитель

Рис. 6. Подключение генератора и направление тока при наличии неисправностей в системе спецзаземления.


При различных вариантах подключения генератора к контуру заземления и оборудованию определялись направления связей заземления, идентифицировались проводники и кабели, не имеющие маркировки, выявлялись несанкционированные гальванические связи и экраны кабелей с двухсторонним заземлением в системах спецзаземления и заземления. На основе полученных результатов составлялись исполнительные схемы спецзаземления СКУ энергоблока, выдавались рекомендации по устранению неисправностей и приведению спецзаземления к проектной схеме. Также в объем работ по диагностике спецзаземления входили следующие работы: визуальная проверка, проверка связи общей точки спецзаземления с заземлителем блока, проверка трассировки кабелей спецзаземления, проверка обеспечения мер безопасности при косвенном прикосновении, проверка контактных сопротивлений заземляющих проводников.

По результатам проведенных обследований энергоблоков АЭС можно выделить типичные неисправности в спецзаземлении СКУ:

- ошибочное подключение магистральных кабелей спецзаземления между опорными узлами;

- двухстороннее заземление экранов кабелей в результате ошибок и некачественного монтажа;

- образование контуров из экранов сигнальных кабелей от различных стоек СКУ в результате их объединения в клеммных коробках датчиков различного назначения и перед гермопроходками;

- при модернизации или замене СКУ в схеме спецзаземления остаются неотключенными от опорных узлов и забытыми кабели, которые являются дополнительными источниками помех (антеннами);

- шины опорных узлов спецзаземления нередко размещены среди плотных потоков кабелей в кабельных каналах помещений и покрыты огнестойким составом, что делает их обслуживание практически невозможным.

Разработанная методика проверки технического состояния спецзаземления выявила многочисленные нарушения в нем, как на уже эксплуатирующихся энергоблоках, так и на вновь вводимых. Эти нарушения значительно понижают уровень надежности, ЭМС и электробезопасности СКУ на АЭС. К тому же, принцип одноточечного заземления в виде «дерева» не отвечает рекомендациям МЭК для современной аппаратуры. Поэтому необходимо применение следующих мер:

1. Внутри здания энергоблока должна создаваться пространственная металлическая клетка из арматуры железобетонных строительных конструкций, трубопроводов водопроводной, канализационной, паропроводной сетей, кабельных металлоконструкций, системы вентиляции. Все эти элементы намеренно или случайно должны быть связаны между собой как можно большим количеством связей. Эта система естественных заземляющих устройств должна закладываться на стадии проектирования и создаваться при монтаже здания и технологических систем.

2. В помещениях блока создается в соответствии с проектом контролируемая сеть защитного заземления. Она представляет собой стальные или медные полосы, проложенные по периметрам помещений, связанные между собой на одной отметке и стояками между отметками здания. К защитному заземлению в нескольких точках присоединяется заземлитель с системой молниезащиты. Внутри помещений к защитному заземлению присоединяются нейтрали трансформаторов, корпуса электрооборудования, броня и экраны силовых кабелей. Также это заземление во многих точках должно быть связано с пространственной металлической клеткой по п.1. Такие связи должны быть предусмотрены проектом и согласованы между организациями, выполняющими строительную часть и монтаж заземления.

3. Заземление в СКУ по возможности должно быть многоточечным, при этом корпуса шкафов должны иметь многочисленные связи между собой и защитным заземлением в помещениях. Экраны кабелей к датчикам, расположенным в пределах здания энергоблока, должны быть заземлены с двух сторон. Для связи между различными удаленными подсистемами должны применяться оптоволоконные кабели. Под стойками с аппаратурой может быть создана хорошо проводящая поверхность в виде сетки с размерами ячеек не более 1/20 от длины волны помех, которые могут воздействовать на входы аппаратуры. Сетка должна состоять из ячеек различных размеров и быть связана в нескольких местах с защитным заземлением помещения. Для особо чувствительной аппаратуры может быть выполнено одноточечное заземление выравнивающей сетки. Но в любом случае не должно применяться бесконтурное, одноточечное заземление в виде «дерева» в объемах всего энергоблока.


ВЫВОДЫ


1. При внедрении современного оборудования в условиях строительства или реконструкции энергообъектов поддержание безопасных условий труда должно проводиться в комплексе с обеспечением надежности и ЭМС работы оборудования.

2. Получены зависимости параметров индуцированных токов и напряжений в экранах одножильных кабелей при различных условиях прокладки. Для случая использования нескольких параллельных кабельных линий определены условия индуцирования наибольших токов в экранах одножильных кабелей.

3. Проведен тепловой расчет при прокладке одножильных кабелей в земле и в воздухе с учетом индуцированных токов в экранах и определены условия, при которых может быть повышена допустимая нагрузка на них в длительном режиме.

4. Определены зависимости напряженности магнитного поля и наводки на контрольном кабеле с учетом рассчитанного значения угла фазового сдвига между током в жиле кабеля и индуцированным током в экране при различных условиях прокладки одножильных кабелей и в различных точках расположения. Определены безопасные расстояния от одножильных кабелей в части влияния МП для обслуживающего персонала и размещения микропроцессорной аппаратуры.

5. Адекватность разработанной методики подтверждена прямыми измерениями на действующем оборудовании токов и напряжений в экранах, угла фазового сдвига между токами в жилах и экранах, температур кабелей, МП, наводок на контрольном проводе. Наибольшее расхождение расчетных и экспериментальных данных в среднем не превышает 20 %, и является достаточным в рамках разработанной инженерной методики с учетом принятых допущений.

6. На основании, разработанной методики были определены наиболее рациональные условия прокладки одножильных кабелей, при которых будут максимально полно соблюдены требования надежности, электробезопасности и ЭМС при их эксплуатации в сети генераторного напряжения электростанций с ГТУ.

7. Проведен анализ и дана сравнительная характеристика применяемых систем функционального заземления для устройств СКУ в отношении их конструктивного исполнения, электробезопасности и ЭМС.

8. Дана характеристика применяемых на блоках АЭС в России устройств спецзаземления для СКУ. Расчетным путем определено минимальное расстояние от общей точки спецзаземления СКУ блока до заземлителей ОРУ различных классов напряжения.

9. Разработана методика диагностики технического состояния устройства спецзаземления СКУ на АЭС, с помощью которой проведено обследование ряда энергоблоков и выявлены множественные дефекты в устройствах их спецзаземления.

10. Разработаны и рекомендованы к применению принципы устройства спецзаземления для СКУ новых энергоблоков на основе многоточечного заземления и создания пространственной эквипотенциальной клетки, значительно повышающие электробезопасность для обслуживающего персонала и ЭМС для устанавливаемых микропроцессорных устройств.

^ СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ


  1. Колечицкий Е.С., Кострик А.Г. Анализ условий работы кабелей на электрических станциях с газотурбинными установками // Вестник МЭИ. – 2006. – № 3. – С. 71-76.

  2. Колечицкий Е.С., Кострик А.Г., Копаев В.Н. Анализ условий работы однофазных кабелей на ГТУ // Сборник докладов девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС – 2006: Санкт-Петербург, 2006. –
    С. 48-52.

  3. Кострик А.Г., Крымский Б.Ф. Практика определения технического состояния внутреннего контура заземления зданий и сооружений на энергообъектах // Первая Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов – Новосибирск: Издательство МОО "Сибирская энергетическая академия", 2002. – С. 193-200.

  4. Кострик А.Г., Журавлев Ю.А. Опыт обследования заземления систем контроля и управления // Вторая научно-техническая Конференция молодых специалистов электроэнергетики – 2003 год: Сборник докладов – Москва: Издательство НЦ ЭНАС, 2003. – С. 269-273.

  5. Спецзаземление и электромагнитная совместимость программно-технических комплексов (ПТК) АСУ ТП современных энергоблоков / Инков С.В., Крымский Б.Ф., Кострик А.Г., Колечицкий Е.С., Доровских Б.В., Люльчак В.В. // Электрические станции. – 2006. – № 1. – С. 56-61.

  6. Колечицкий Е.С., Кострик А.Г. Практика определения технического состояния внутреннего контура заземления зданий и сооружений на энергообъектах. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов в 3-х т. – Москва: Издательство МЭИ, 2003. – Т.2 – С. 174-175.

  7. Колечицкий Е.С., Кострик А.Г. Расчет импульсной составляющей токов короткого замыкания на подстанциях высокого напряжения. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов в 3-х т. – Москва: Издательство МЭИ, 2004. – Т.2. – С. 168-169.

  8. Колечицкий Е.С., Кострик А.Г. Расчет высокочастотной составляющей тока короткого замыкания на подстанциях высокого напряжения // Сборник докладов 8-й научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности ЭМС – 2004: Санкт-Петербург, 2004. – С. 120-125.

  9. Кострик А.Г. Обследование ЭМО внутренних систем РЗА и АСУ ТП зданий и сооружений на энергообъектах // Всероссийская конференция по итогам конкурса молодых специалистов организаций НПК РАО «ЕЭС России» 2005: Сборник докладов – Москва: Издательство ОАО «ВТИ», 2005. – С. 87-94.






Скачать 317,63 Kb.
оставить комментарий
КОСТРИК АЛЕКСАНДР ГЕННАДЬЕВИЧ
Дата26.04.2012
Размер317,63 Kb.
ТипАвтореферат, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх