Электромагнитные воздействия и защита от них оборудования нефтеперекачивающих станций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.12, кандидат наук Исам Мохамед Ахмед Абдельшафи

• Исам Мохамед Ахмед Абдельшафи
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Исам Мохамед Ахмед Абдельшафи

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ДЛЯ НОРМАЛЬНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ (НПС)

1.1 Общая характеристика НПС

1.2 Источники электромагнитных воздействий (ЭМВ) на НПС

1.2.1 Переходные процессы в заземляющих устройствах при коротких замыканиях на подстанциях (ПС) и силовых двигателях

1.2.2 Магнитные поля промышленной частоты, создаваемые силовыми кабелями и оборудованием электропитания двигателей насосов и задвижек, а также других электроприемников

1.2.3 Быстрые переходные процессы при коммутациях в индуктивных цепях низкого напряжения

1.2.4 Переходные процессы при ударах молнии в молниеотводы на НПС или вблизи НПС

1.2.5 Разряды статического электричества

1.2.6 Радиочастотные поля различного происхождения

1.2.7 Электромагнитные помехи в цепях электропитания

1.3 Приемники ЭМВ на НПС

1.3.1 Автоматизированная система управления технологическим процессом НПС

1.3.2 Системы управления, контроля и сигнализации на подстанции НПС

1.4 Каналы передачи помех от источника к приемнику

1.4.1 Упрощенные модели передачи помех от источника к приемнику

1.4.2 Каналы передачи электромагнитных воздействий от источников

к приемникам на НПС

Выводы

ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА И ВЫБОРА МЕТОДОВ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭМВ НА ВТОРИЧНЫЕ ЦЕПИ И ОБОРУДОВАНИЕ НПС

2.1 Общие положения

2.2 Методы расчета распределения напряжений и токов по заземляющему устройству при КЗ и ударах молнии в молниеотводы

2.3 Методы расчета определения наведенных перенапряжений при ударах

молнии

2.3.1 Модель расчета наведенных перенапряжений

2.3.2 Расчет коэффициентов экранирования

2.3.3 Методика экспериментального определения коэффициентов экранирования кабелей

2.3.4 Экспериментальные исследования наведенных напряжений

2.4 Методика расчёта и ограничения накопления зарядов статического

электричества на операторе до допустимого уровня

Выводы

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЕЙ ЭМВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ НПС

3.1 Численное исследование распределений напряжений и токов по заземляющему устройству НПС

3.2 Численное исследование наведенных перенапряжений в кабельных линиях

от молнии

3.3 Результаты расчёта накопления зарядов статического электричества на

операторе

Выводы

ГЛАВА 4. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ АСУ ТП И ОБОРУДОВАНИЯ НПС

ОТ ОПАСНЫХ ЭМВ

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электромагнитные воздействия и защита от них оборудования нефтеперекачивающих станций»

Актуальность работы

Нефтеперекачивающие станции (НПС), являясь одним из основных узлов системы перекачки нефти, представляют собой сложный объект, содержащий весь спектр электромагнитных воздействий (ЭМВ), в том числе, опасных для различных систем, обеспечивающих соблюдение технологического процесса.

В мировой практике (Россия, Республика Судан и др.) имели место не только нарушения технологического процесса, но и большие материальные потери по не выясненным обстоятельствам. Так, например, в 1994 году в результате пожара полностью была уничтожена НПС на трубопроводе из г. Порт-Судан в г. Хартум. Причина аварии заключается в том, что верхний клапан начал закрываться ложным сигналом, что привело к увеличению давления на выходе насоса, пока не разрушилось уплотнение у насоса, и не возник пожар.

Рассматриваемая в данной работе НПС была построена в 1999 году по проекту французских специалистов в Республике Судан для транспортировки легких нефтепродуктов. В процессе эксплуатации были перерывы в работе станции из-за возникших проблем с ложными отключениями насосов по сигналам, поступающим с датчиков. Наиболее вероятной причиной таких нарушений в работе НПС являются электромагнитные воздействия на системы управления технологическим процессом.

Для выяснения роли ЭМВ и предотвращения их опасных проявлений необходимо провести расчетно-экспериментальные исследования по определению уровней ЭМВ в условиях эксплуатации НПС и разработать мероприятия по защите оборудования от их воздействий.

Приведенные примеры технологических нарушений и аварии на НПС свидетельствуют об актуальности темы диссертации.

Степень проработанности темы

Применительно к НПС в комплексной форме проблема опасных проявлений ЭМВ и защите от них не проработана. Электромагнитные воздействия на объектах входят составной частью в проблему под названием электромагнитная совместимость - "молния и молниезащита", "заземление и заземлители", и др.. По направлениям этих проблем внесли существенный вклад ряд Российских и зарубежных ученых. Среди них Борисов Р.К., Дьяков А.Ф., Жуков А.В., Максимов Б.К., Овсянников А.Г., Кармашев В.С., Колечицкий Е.С., Кужекин И.П., Ларионов В.П., Петров С.Р., Бургсдорф В.В., Якобс А.И., Коровкин Н.В., Шишигин С.Л., Хабигер Э., Шваб А., Уильямс Т., Армстронг К., Бутырин П.В. и многие другие. При работе над диссертацией использованы результаты основных работ перечисленных ученых.

В настоящее время имеется большое количество литературы, в которой рассматриваются теоретические и практические вопросы обеспечения ЭМС на объектах промышленности и электроэнергетики [1-4, 63]. В Российской федерации создана нормативно-техническая база по ЭМС для электросетевых объектов [5]. Для НПС проблемы ЭМС решаются не системно, часто просто путем установки устройств защиты от импульсных перенапряжений в большинстве проводных цепей управления и контроля. Нормативные документы [6] носят ограниченный характер, и не соответствую современным взглядам на обеспечение ЭМС.

Объекты исследования. Силовое оборудование напряжением выше 1 кВ, система молниезащиты, АСУ ТП.

Предмет исследования. Обеспечение защиты автоматизированных систем управления технологическим процессом от опасных электромагнитных воздействий.

Цель работы. Определение электромагнитных воздействий на входные цепи АСУ ТП нефтеперекачивающих станций и формирование мероприятий по защите от опасных проявлений этих воздействий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Определение и анализ источников ЭМВ потенциально опасных для нормального функционирования оборудования НПС.

2. Анализ и выбор методов расчетно-экспериментального определения ЭМВ на вторичные цепи и оборудование НПС.

3. Расчетно-экспериментальное определение уровней ЭМВ в условиях эксплуатации НПС.

4. Формулирование мероприятий по защите АСУ ТП и оборудования НПС от опасных ЭМВ.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Результаты выявления и анализа источников ЭМВ, потенциально опасных для нормального функционирования оборудования НПС.

2. Результаты анализа и выбора методов расчетно-экспериментального определения ЭМВ на вторичные цепи и оборудование НПС.

3. Результаты расчетно-экспериментального определения уровней ЭМВ в условиях эксплуатации НПС.

4. Мероприятия по защите АСУ ТП и оборудования НПС от опасных ЭМВ.

Научная новизна

1. Впервые применительно к условиям эксплуатации НПС Республики Судан на основе расчетно-экспериментального анализа выявлен и обоснован состав источников ЭМВ (короткие замыкания в сети выше 1 кВ, удары молнии, разряды статического электричества и магнитные поля 50 Гц), представляющих опасность для нормального функционирования АСУ ТП и технологического оборудования.

2. Разработана и реализована (на примере программы "Interference") экспериментальная методика для верификации компьютерных программ, применяемых при расчете наведенных от молнии перенапряжений в кабельных линиях, отличающаяся

тем, что канал молнии моделируется протеканием тока по вертикальному проводнику.

3. Разработана и реализована на практике новая методика экспериментального определения коэффициентов экранирования с использованием магнитопровода для воздействия электромагнитных полей на испытуемые кабели, которая обеспечила получение более точных результатов, чем расчеты.

4. Предложена уточненная методика расчета потенциала оператора и снижения его до допустимых значений, определяемых из условия соблюдения требования устойчивости АСУ ТП к разрядам СЭ, впервые комплексно учитывающая геометрические и физические параметры напольного покрытия и окружающей среды.

Практическая ценность

1. Разработанная методика экспериментального определения коэффициентов экранирования позволила установить, что для типовых контрольных кабелей: на низких частотах в диапазоне (50-500) Гц заземление резервных жил кабелей более эффективно, чем заземление экранов; на высоких частотах (0,5-10 МГц) и при апериодических импульсах (1,2/50; 8/20) мкс - заземление экранов кабелей более эффективно; при воздействии магнитного поля на частотах (5-10-5 - 10) МГц необходимо заземлять с двух сторон экраны кабелей и резервные жилы.

2. Применительно к НПС Республики Судан определено для наиболее опасных ЭМВ, что:

- разность потенциалов между местом однофазного КЗ на землю в сети электропитания двигателей и заземляющим устройством (ЗУ) технического здания составляет более 10 кВ, что представляет опасность для контрольных кабелей;

- наведенные от молнии перенапряжения в кабелях существенно превышают допустимые значения;

- устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) имеют ограниченную зону действия и не защищают кабели по всей длине.

В учебном центре нефти (Petroleum training center) в г. Хартуме доложены конкретные технико-экономически обоснованные рекомендации по улучшению

электромагнитной обстановки: прокладка горизонтальных и вертикальных заземли-телей для выравнивания потенциалов на заземляющем устройстве; экранирование кабелей при прокладке в стальных трубах; замена напольных покрытий на антистатические, а в отдельных помещениях регулирование климатических условий.

Методология и методы исследования

При выполнении поставленных задач автор использовал фундаментальные положения теории (теория электромагнитного поля, теория цепей), применял методы математического моделирования, методы численного решения задач, использовал компьютерные программы, выполнял лабораторные исследования, результаты которых соответствуют опубликованным в литературе данным.

Соответствие паспорту специальности

Научные положения, отраженные в диссертации, полностью соответствуют формуле специальности 05.14.12 "Техника высоких напряжений". Они входят в пункт 5 области исследований: "Исследование атмосферных и внутренних перенапряжений, разработка методов и устройств для ограничения перенапряжений, изучение проблем электромагнитной совместимости".

Апробация работы

Научные и практические результаты диссертационной работы представлялись в «НИУ «МЭИ» (2015-2017 г.г.), ООО «НПФ ЭЛНАП» (2017 г.) и в Учебном Центре нефти (Petroleum training center) в г. Хартуме (Республика Судан, 2017 г.).

Публикации по теме диссертации

По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ [64-68], из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК РФ [65, 66]. В публикациях статей личный вклад соискателя составляет не менее 50%.

ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ

ДЛЯ НОРМАЛЬНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ (НПС)

1.1 Общая характеристика НПС

НПС с точки зрения обеспечения ЭМС представляет собой сложный объект, содержащий весь спектр источников электромагнитных воздействий и различные системы (электронные и микропроцессорные), обеспечивающие технологический процесс, чувствительные к электромагнитным помехам.

На рисунке 1. 1 представлен план расположения основных зданий, сооружений и оборудования на типовой НПС, выполненной по проекту французских специалистов в Республике Судан.

12

11

7

Рис.1.1 План размещения основных зданий, сооружений и оборудования

на НПС (Республика Судан)

1 - Техническое здание, в котором расположены: распределительное устройство 0,4 кВ; пульт управления технологическим процессом; шкафы управления и сигнализации и другие устройства.

2 - Подстанция 33/6,6/0,4 кВ: здание ЗРУ и три трансформатора наружной установки.

3 - Машинный зал с 5-ю агрегатами.

4 - Машинный зал с 2-мя агрегатами.

5, 6 - Резервуарный парк.

7 - Помещение для системы учета.

8, 9 - Бустерные насосы.

10 - Противопожарная система.

11 - Резервный генератор.

12 - Мастерская и складское помещение.

13 - Административное здание.

Российские НПС, как правило, имеют такие же основные здания, сооружения и оборудование (рис.1.2).

1 - проходная; 2 - административный корпус; 3 - котельная; 4 - граж; 5 -ремотная мастерская; 6 - резервуары; 7 - подземные железобетонные резервуары с водой; 8 - Водонасосная; 9 - склады; 10 - ПС; 11 - пожарное депо; 12 - площадка регулирующих устройств; 13 - основная насосная; 14 - площадка с предохранителями; 15 - площадка фильтров; 16 - узел учета; 17 - подпорная насосная; 18 - площада очистных устройств; 19 -резервуары для нефтепродуктов;

Рис.1.2 План размещения основных зданий, сооружений и оборудования на

российской НПС [6]

На НПС мы имеем дело со сложной электромагнитной обстановкой и большим количеством ответственных за технологический процесс систем и технических средств, чувствительных к ЭМВ [63].

В общем случае мы имеем дело с определенными источниками ЭМВ или электромагнитных помех, которые через различные механизмы или каналы передаются к приемнику: техническому средству (ТС) или биологическому объекту (рис.1.3).

Рис.1.3 Схема электромагнитного воздействия на ТС

Наша задача состоит в том, чтобы рассмотреть все виды ЭМВ, возможных на НПС, все виды приемников (ТС и системы) ЭМВ, которые могут быть восприимчивы к электромагнитным помехам (ЭМП), а также механизмы или каналы передачи ЭМП от источника к приемнику. Если мы в этом разберемся, то тогда будет понятно, как нам оптимальным образом обеспечить ЭМС на НПС: путем снижения уровней ЭМВ от источника или в каналах передачи, а может быть путем повышения помехоустойчивости ТС или систем.

1.2 Источники электромагнитных воздействий (ЭМВ) на НПС

Характерными источниками ЭМВ, которые могут оказывать влияние на ТС НПС, являются следующие процессы и явления.

1. Переходные процессы в заземляющих устройствах при коротких замыканиях на ПС и силовых двигателях.

2. Электрические и магнитные поля промышленной частоты, создаваемые силовыми кабелями и оборудованием электропитания двигателей насосов и задвижек, а также другими электроприемниками.

3. Быстрые переходные процессы при коммутациях в индуктивных цепях низкого напряжения.

4. Переходные процессы при ударах молнии в молниеотводы на НПС или вблизи НПС.

5. Разряды статического электричества.

6. Радиочастотные поля различного происхождения.

7. Электромагнитные возмущения в цепях электропитания.

Дополнительными источниками ЭМВ на НПС, которые могут вызвать сбои в

работе электронных и микропроцессорных устройств, является также такое вспомогательное электрооборудование, как сварочные аппараты, осветительные приборы, мощные тяговые механизмы, бытовые электроприборы, электроинструмент и др.

Кроме того, в системах АСУ ТП могут возникнуть и другие электрические явления, которые могут стать причиной их неправильного функционирования. К таким явлениям относятся [1]: переходные сопротивления в контактных соединениях; шумы активных и пассивных элементов; дрейф параметров элементов; разброс времени коммутации в логических устройствах; исчезновение сигналов при передаче; отражения в линиях; вибрация и микрофонный эффект в контактах; пьезоэлектрическое смещение зарядов при сжатии и изгибах изоляции; контактные напряжения, схемо-электрические и термоэлектрические эффекты в точках соединения проводников из различных материалов.

1.2.1 Переходные процессы в заземляющих устройствах при коротких замыканиях на подстанциях (ПС) и силовых двигателях

Воздействие напряжений и токов промышленной частоты на АСУ ТП наибольшее при КЗ на землю в сети выше 1 кВ с заземленной нейтралью и при двойном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью.

При однофазном КЗ на землю (ОКЗ) часть тока протекает через ЗУ по зазем-лителям (рис. 1.4): в нейтраль трансформатора (Т) и через землю в энергосистему (ЭС) [5]. Распределение напряжения по ЗУ будет неравномерным (рис. 1.5)

А

© Т

О —

Точка КЗ

I О

Зона нулевого потенциала

Рис.1.4 ОКЗ на землю в сети с заземленной нейтралью

а ■ ■

г

V/

Рис. 1.5. Распределение потенциалов на ЗУ 1 - суммарное, 2 - от тока Т, 3 - от тока ЭС

При этом на кабели телемеханики и связи, отходящие от ПС, воздействует напряжение на ЗУ. На изоляцию кабелей, которые используются для управления, сигнализации и измерений, воздействует напряжение равное разности потенциалов на ЗУ между точкой КЗ и техническим зданием.

По экранам кабелей протекает часть тока. Экраны могут нагреваться. Если температура экранов кабелей превысит допустимое значение, то произойдет термическое разрушение изоляции.

На НПС токи КЗ могут составлять более 10 кА и не учитывать возможное влияние на контрольные кабели нельзя.

1.2.2 Магнитные поля промышленной частоты, создаваемые силовыми кабелями и оборудованием электропитания двигателей насосов и задвижек, а также других электроприемников

Находящееся под напряжением силовое оборудование подстанций (шины, силовые кабели, реакторы, трансформаторы и т.д.) и мощных двигателей насосов создает вокруг себя магнитные поля промышленной частоты и гармонических составляющих. Напряженности этих полей зависят от класса напряжения и тока в силовом оборудовании, а, кроме того, и от пространственного положения проводников с током (в частности, от высоты проводников над поверхностью земли, междуфазного расстояния, последовательности фаз и числа цепей). В таблице 1. 1 приведены данные [2] о напряженности магнитных полей для различных условий.

Таблица 1.1. - Ориентировочные значения напряженностей магнитного поля

промышленной частоты

Место измерения Напряженность, А/м

На расстоянии 0,3; 0,5; 1; 1,5 м от сборных шин с током 2,2 кА 36; 22; 12; 6,5

Вблизи трансформатора мощностью 190 МВ-А 6,4

На расстоянии 0,3; 0,5; 1; 1,5 м от ячейки распределительного устройства 6кВ 13; 9; 4,3; 2,4

Место измерения Напряженность, А/м

На расстоянии 0,3; 0,5; 1 м от трансформатора мощностью 0,6 МВА среднего напряжения 14; 9,6; 4,4

На расстоянии 0,3; 0,5; 1 м от двигателя насоса мощностью 6 МВ-А с номинальным током 0,65 кА на стороне кабельного подвода среднего напряжения 26; 15; 7

В приборном помещении на расстоянии 0,3 м от многоканального записывающего устройства 10,7

В диспетчерской на расстоянии 0,3 м от записывающего устройства 0,9

В помещении с релейным оборудованием на расстоянии 0,1; 0,3 м от трансформаторов напряжения 7; 11

Непосредственно в распределительном устройстве До 80

На НПС магнитные поля, создаваемые силовым оборудованием, могут представлять серьезную опасность для систем АСУ ТП из-за наведенных низкочастотных помех в проводных цепях, например, в цепях датчиков давления.

1.2.3 Быстрые переходные процессы при коммутациях в индуктивных цепях низкого напряжения

При отключении индуктивной нагрузки (например, электромеханических реле или приводов выключателей) в цепи возникают быстрые переходные процессы, характеризующиеся малой длительностью фронта импульса напряжения, высокой частотой быстро затухающих колебаний и невысоким уровнем энергии свободных колебаний.

Основными параметрами переходных процессов при рассмотренных коммутациях являются: длительность серии импульсов, определяемая, главным образом, энергией, запасенной в цепи до коммутации; частота повторения одиночных переходных процессов; изменяющаяся амплитуда напряжения при последующих переходных процессах.

Как частота повторения, так и амплитуда напряжения, в основном, определяются скоростью расхождения контактов коммутационных аппаратов, напряжением, выдерживаемым между контактами в открытом состоянии.

В табл. 1.2 приведены результаты измерений параметров переходных процессов [1] при отключении нагрузки, имеющей индуктивность 160 Гн, омическое сопротивление 6 кОм, постоянную времени разряда нагрузки около 26 мс непосредственно через контакты коммутационного аппарата (переключающего реле).

Таблица 1.2.- Параметры электрических переходных процессов с различными

переключающими реле

ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ РЕЛЕ, ТОК, А

Характеристика Ртутное, А, В Обычное, А

импульсов

1 1 1 5 7 10

Диапазон ча- 70 46 1700 12 12 1000

стоты повторе- 16,5 12 11 466 700 8,9

ния импульсов,

кГц

Диапазон дли- 9-35 10-39 0,35-50 0,28-50 0,7-46,4 0,3-70

тельности пач-

ки импульсов,

мкс

Длительность 0,3 0.2 мкс 2.5 мкс 2 мкс 2.4 мкс 2.4 мкс

серии импуль-

сов, мс

Диапазон ам- 1,9 1,8 0,300 0,100 0,207 0,100

плитуд импульсов, кВ 4,2 5,2 2,4 2,0 2,5 2,2

Быстрые электрические переходные процессы происходят и при коммутациях контакторов [1]. В частности, для трехфазных устройств переходный процесс в целом представляет собой набор из нескольких серий пиков, вызываемых различными коммутационными явлениями (рис. 1.6). На этом рисунке приведены примеры осциллограмм переходного процесса при коммутации двигателя напряжением 380 В и мощностью несколько кВт.

а) б)

Рис. 1.6 Пример серии пиков, создаваемых коммутациями двигателя мощностью несколько кВт при помощи контактора: а) общий вид кривой переходного процесса пиков; б) укрупненный вид одной из серии [1]

1.2.4 Переходные процессы при ударах молнии в молниеотводы на НПС или вблизи НПС

Молния является наиболее мощным естественным источником электромагнитных возмущений.

При ударах молнии в территорию НПС следующие воздействия представляют опасность:

- попадание в оборудование и здания;

- воздействие на устройства АСУ ТП импульсных магнитных полей от тока молнии;

- перекрытие с ЗУ через грунт на кабели систем управления, контроля и сигнализации АСУ ТП и электропитания;

- перекрытие с поверхности земли на жилы кабелей;

- индуктированные импульсные перенапряжения в проводных цепях.

Удары молнии в молниеприемники, расположенные на территории НПС, как правило, вызывают нарушения в работе АСУ ТП: повреждения контрольных кабелей и отдельных элементов устройств, входящих в состав АСУ ТП, неправильное функционирование отдельных устройств систем контроля, управления и сигнализации.

При определении типа и мест размещения молниеприемников (стержневой, тросовый или сетка на здании), а также токоотводов и ЗУ молниеприемников необходимо рассчитывать не только зоны защиты от прямого удара молнии, но и уровни воздействий на АСУ ТП НПС (таблица 1.3) [2]. Для рассматриваемой НПС необходимо учитывать, что применяемые резервуары допускают прямой удар молнии (являются молниестойкими) и не защищаются отдельными молниеотводами, в отличие от российских НПС. При определении ЭМВ от молнии необходимо рассматривать возможные удары молнии в резервуары для хранения нефтепродуктов.

Таблица 1.3. -Характеристики воздействия молнии на объекты

Параметр Максимальный ток 1 тах Крутизна тока 8=% Заряд 2= рж Интеграл

Значение 2-200 кА 2-200 кА/мкс 150-300 Ас 2,5-10 МДж/Ом

Воздействие в точке удара Повышение потенциала относительно удаленной земли Индуктированное напряжения в петлях Плавление металла в точках удара Нагрев проводников, по которым протекает ток молнии

Примеры /Шах= 200 кА ЯЕ= 5 Ом; Цтах= 1 МВ 8=200кА/мкс; а = 10 м; Ь= 0,1(10) м; и= 40 В (216 кВ) При Q=300 Кл плавятся алюминиевые стенки толщиной до 5 мм При ШЯ=10 МДж/Ом плавятся медные провода сечением 10 мм и стальные 2 сечением 25 мм

Нормируемые по [53] параметры тока молнии приведены в таблицах 1.4 -1.6.

Таблица 1.4. - Параметры первого импульса тока молнии

Параметры тока Уровень защиты

I II III - IV

Максимум тока, кА 200 150 100

Длительность фронта Ti, мкс 10 10 10

Длительность импульса Т2, мкс 350 350 350

Заряд в коротком импульсе QS, Кл 100 75 50

Удельная энергия W/R, МДж/Ом 10 5,6 2,5

Таблица 1.5. - Параметры второго импульса тока молнии

Параметры тока Уровень защиты

I II III - IV

Максимум тока, кА 50 37,5 25

Длительность фронта Т1, мкс 0,25 0,25 0,25

Длительность импульса Т2, мкс 100 100 100

Средняя крутизна, S, кА/мкс 200 150 100

Таблица 1.6.- Параметры постоянной составляющей тока молнии

Параметры тока У ровень защиты

I II III - IV

Заряд Q, Кл 200 150 100

Длительность Т, с 0,2-0,8 0,2-0,8 0,2-0,8

Амплитудно-частотные характеристики импульсных помех, возникающих в кабелях, изменяются в широком диапазоне и зависят от параметров тока молнии, трассы и длины кабелей, нагрузки на концах кабелей. Частотный спектр изменяется от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Амплитуда импульсных помех может составлять от десятков вольт до десятков киловольт.

1.2.5 Разряды статического электричества

Зарядка человека статическим электричеством обычно имеет трибоэлектриче-скую природу. При этом электростатический заряд человека обусловлен трением двух материалов, один из которых является непроводящим (пластик, синтетика). Типичные источники статического электричества приведены в табл.1.7 [2].

Таблица1.7. - Первичные источники статического электричества

Предмет Материал

Рабочие столы Покрытые пластиком, лакированные или натертые мастикой поверхности

Рабочие стулья Пластик, фибергласс, лакированные деревянные поверхности, дедероновые чехлы, мягкая сбивка на основе пенорезины, незаземленные металлические стулья

Полы Лакированные бетон, натертое дерево, пластиковые покрытия, каменные плиты, ковры из синтетических материалов

Одежда Рабочая и прочая одежда из синтетических материалов, хлопка, не подлежащая глажению, обувь с креповой или резиновой подошвой

Упаковка, тара Коробки, кляссеры, футляры, чехлы, кожухи, сумки, пакеты и упаковочные материалы из пластмассы

Инструмент Инструмент с пластмассовыми ручками, незаземленные работающие паяльники, оксидированные алюминиевые и анодированные металлические поверхности, всасывающие патрубки из пластика, щетки и кисти с синтетической щетиной, изолированные каретки в устройствах поточной пайки, испаряющийся флюс

В общем случае величина заряда статического электричества объекта зависит от следующих факторов:

уровня относительной влажности воздуха в помещении (при повышенной влажности воздуха заряд стекает быстрее);

сопротивления изоляции и диэлектрической проницаемости материала подошвы обуви, ковра, одежды, покрышек колес и т.д., отделяющего заряженный объект от проводящей поверхности;

электрической емкости объекта, включая человека, относительно земли;

• ритмичности шагов при движении и скорости перемещения человека;

• сопротивления кожи человека (с учетом потоотделения);

• поверхностного давления между двумя взаимодействующими материалами.

В зависимости от условий окружающей среды потенциал человека может достигать величин (10-25) кВ, а запасенная энергия - нескольких мДж. Разряд статического электричества с тела человека может вызывать протекание кратковременных импульсов тока (длительность фронта от сотен пикосекунд до нескольких наносекунд) с амплитудой в несколько десятков ампер и длительностью импульса до 100 нс; параметры тока зависят от уровня напряжений и параметров цепи разряда. Такие разряды представляют серьезную опасность для электронной и микропроцессорной техники.

1.2.6 Радиочастотные поля различного происхождения

Радиопередатчики относятся к классу источников преднамеренного излучения. Примерами такого преднамеренного излучения являются радиовещательные передатчики, навигационные средства и устройства дистанционного управления.

В табл. 1.8 [1] приведена информация по некоторым, официально разрешенным источникам преднамеренного излучения с указанием значений излучаемой мощности, типичным расстояниям от радиопередатчика до приемника в населенной местности и расчетной напряженности электрического поля. Для всех диапазонов, кроме диапазона волн ОНЧ (0,014 - 0,5) МГц, напряженность электрического поля дана для расстояний, превышающих зону поля электромагнитной индукции.

Таблица 1.8. - Источники радиочастотного излучения

Источник Частот- Типичное Типич- Напряженность

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Исам Мохамед Ахмед Абдельшафи, 2018 год

Использование

2.2 экранированных кабелей Реализуемое 0.040 0.044 0.012 0.080 0.176

п/п Мероприятие Реализуемость Стоимость в относительных единицах (о.е.)

С1 С2 Сз С4 Итого

3 Улучшение и восстановление заземляющего устройства

3.1 Установка ЗУ в виде сетки Реализуемое 0.050 0.006 0.015 0.010 0.081

3.2 Перемещение молниеотводов и ЗУ Нереализуемое *** *** *** *** ***

4 Ограничение грозовых и коммутационных перенапряжений

4.1 Установка УЗИП Не эффективное & & & & & & & & & & & &

4.2 Перемещение подстанции и силового оборудования Нереализуемое & & & & & & & & & & & &

5 Мероприятия по снижению влияния разрядов статического электричества

5.1 Использование напольных антистатических покрытий Реализуемое 0.040 0.004 0.012 0.008 0.064

5.2 Использование специальной антистатической обуви или ремешков Реализуемое 0.010 0.000 0.003 0.000 0.013

6 Защита от влияния помех при отключении элект эомагнитов

6.1 Установка защитных диодов, варисто-ров и др. Нереализуемое & & & & & & & & & & & &

о.е. - за относительную единицу принята стоимость основного технологического оборудования НПС (примерно 10 млн. $),

С1 - определялась по прейскуранту фирмы, выполняющей строительство НПС, С2 - выбиралась из смет работ, выполняемых при строительстве НПС,

С3 - накладные расходы, принятые в Республике Судан,

С4 - определялась из принятых в Республике Судан процентов на непредвиденные расходы.

Выводы

1. На основании выполненных исследований, анализа нормативно-технических документов и методической литературы выявлены и рекомендованы мероприятия по защите от опасных ЭМВ. Применительно к НПС к ним относятся:

- снижение сопротивления ЗУ до требуемого значения;

- экранирование помещений и микропроцессорных устройств;

- применение контрольных кабелей с высоким экранированием ЭМВ;

- увеличение расстояния между силовым и вторичным оборудованием;

- обоснованное расположение молниеотводов по отношению к кабельным трассам цепей вторичной коммутации;

- применение металлических коробов с высоким экранированием от ЭМВ для прокладки кабелей и УЗИП.

2. Окончательный состав технических мероприятий должен быть осуществлен на основе технико-экономического сопоставления технических решений по защите от опасных проявлений ЭМВ.

3. Выполненные автором исследования позволяют применительно к конфигурациям размещения, составу оборудования и защитных средств определять опасные проявления ЭМВ и мероприятия по защите от них, а применительно к НПС республики Судан получены конкретные результаты и даны рекомендации, которые доложены на НТС в Учебном Центре нефти (Petroleum training center) в г. Хартуме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа на актуальную тему защиты технологического оборудования НПС от опасного проявления ЭМВ выполнена в полном объёме и в соответствии со сформулированными целью и задачами. Получены следующие результаты.

1. Впервые применительно к условиям эксплуатации НПС Республики Судан на основе расчетно-экспериментального анализа выявлен и обоснован состав источников ЭМВ (короткие замыкания в сети выше 1 кВ, удары молнии, разряды статического электричества и магнитные поля 50 Гц), представляющих опасность нарушения функционирования АСУ ТП и технологического оборудования.

2. Разработана и реализована (на примере программы "Interference") экспериментальная методика для верификации компьютерных программ, применяемых для расчета наведенных от молнии перенапряжений в кабельных линиях, отличающаяся

тем, что канал молнии моделируется протеканием тока по вертикальному проводнику.

3. Разработана и реализована на практике новая методика экспериментального определения коэффициентов экранирования с использованием магнитопровода для воздействия электромагнитных полей на испытуемые кабели, которая обеспечила получение более точных результатов, чем расчеты.

Разработанная методика экспериментального определения коэффициентов экранирования позволила экспериментально установить, что для типовых контрольных кабелей:

- на низких частотах в диапазоне (50-500) Гц заземление резервных жил исследуемых кабелей более эффективно, чем заземление экранов;

- на высоких частотах (0,5-10) МГц и при апериодических импульсах (1,2/50 и 8/20) мкс заземление экранов кабелей более эффективно, чем заземление резервных жил кабелей;

- при воздействии магнитного поля на частотах (5 10-5 - 10) МГц наиболее эффективно заземлять с двух сторон экраны кабелей и резервные жилы.

4. Применительно к НПС Республики Судан определено для наиболее опасных ЭМВ, что:

- разность потенциалов между местом однофазного КЗ на землю в сети электропитания двигателей и заземляющим устройством технического здания составляет более 10 кВ, что представляет опасность для контрольных кабелей;

- наведенные от молнии перенапряжения в кабелях существенно превышают допустимые значения;

- устройства защиты от импульсных перенапряжений имеют ограниченную зону действия и не защищают кабели по всей длине.

В учебном центре нефти (Petroleum training center) в г. Хартуме доложены конкретные технико-экономически обоснованные рекомендации:

- прокладка горизонтальных и вертикальных заземлителей для выравнивания потенциалов на заземляющем устройстве;

- экранирование кабелей при прокладке в стальных трубах;

- замена напольных покрытий антистатическими покрытиями, а в отдельных помещениях регулирование климатических условий.

5. Предложена уточненная методика расчета потенциала оператора и снижения его до допустимых значений, определяемых из условия соблюдения требования устойчивости АСУ ТП к разрядам СЭ, впервые комплексно учитывающая геометрические и физические параметры напольного покрытия и окружающей среды.

Получены зависимости потенциала от относительной влажности и геометрии открытых незаземлённых частей напольного покрытия, не обладающего антистатическими свойствами, позволяющие осуществлять оптимально выбор этих параметров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К., Кужекин И.П., Жуков А.В. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. /Под редакцией Дьякова А.Ф. -М. Энергоатомиздат. 2003.

2. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике: Пер. с нем И.П. Кужекина; под ред. Б.К. Максимова/ М.: Энергоатомиздат, 1995.

3. Шваб А. Электромагнитная совместимость: Пер. с нем В.Д. Мазина и С.А. Спектора. 2-е изд., перераб. и доп./ Под ред. Кужекина И.П. М.: Энергоатомиздат, 1998.

4. В.С. Кармашев. Электромагнитная совместимость технических средств. Справочник. - Изд-во Норт. М.: 2001.

5. Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях. СО 34.35.311.2004.

6. 270-00-2376. ОАО «АК «Транснефть». Стандарт компании. АСУ ТП и ПТС Компании. Функциональные требования к заземлению и защите от помех оборудования и элементов АСУ ТП и ПТС. Общие технические требования. 2005 год.

7. РД-91.020.00-КТН-276-07 ОАО «АК Транснефть». Руководящий документ. Нормы проектирования молниезащиты объектов магистральных нефтепроводов и коммуникаций ОАО «АК «Транснефть» и дочерних акционерных обществ. 2007 г.

8. Бургсдорф В.В., Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. -М.: Энергоатомиздат, 1987.

9. Базуткин В.В., Борисов Р.К., Горшков А.В., Колечицкий Е.С. Оценки параметров заземлителей при воздействии импульсных токов. Электричество, №6, 2002.

10. Колечицкий Е.С. Основы расчета заземляющих устройств. Москва. Издательство МЭИ. 2001.

11. Заземляющие устройства электроустановок (требования нормативных документов, расчет, проектирование, конструкция, сооружение) справочник /Борисов и др. - М : Издательский дом МЭИ. 2013.

12. Карякин Р.Н. Заземляющие устройства электроустановок. Москва. Энергосервис. 2006.

13. Шишигин, С.Л. Математические модели и методы расчета заземляющих устройств / С.Л. Шишигин // Электричество. - 2010. - № 1. - С. 16 - 23. (перечень ВАКа).

14. Шишигин, С.Л. Расчет трехмерных электрических полей сложных заземли-телей в однородных средах / С.Л. Шишигин // Сборник науч. трудов ВоПИ.- Вологда, 1997. - С.97-102.

15. Шишигин, С.Л. Расчет электрических полей сложных заземлителей / С.Л. Шишигин // Метод. указ. к расчетно-графическим работам. - Вологда, 1997. - 24 с.

16. Шишигин, С.Л. Влияние формы тока молнии на импульсные характеристики заземлителей / С.Л. Шишигин // Вузовская наука - региону: Материалы пятой Всеросс. науч.-техн. конф. - Вологда: ВоГТУ, 2007. - С. 186 - 188.

17. Шишигин, С.Л. Расчетно-экспериментальные методы определения электромагнитных параметров заземляющих устройств опор ВЛ / С.Л. Шишигин // «Фундаментальные исследования в технических университетах»: материалы 12 Все-рос. конф. по проблемам науки и высшей школы. - СПб.: СПбГТУ, 2008. - С. 190 -191.

18. Коровкин, Н.В. Методы расчета заземляющих устройств в задачах ЭМС электрических станций и подстанций / Н.В. Коровкин, С.Л. Шишигин // Сборник трудов 8-ого международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2009. - С. 81- 82.

19. Петров С.Р., Борисов Р.К., Компьютерные программы для анализа и проектирования устройств заземления и молниезащиты. Первая Российская конференция по заземляющим устройствам. Сб. докладов, Новосибирск, 2002г.

20. Нестеров С.В. Применение интегральных уравнений для расчета заземли-теля произвольной конфигурации в неоднородном грунте. Вторая Российская конференция по заземляющим устройствам: Сб. докл. - Новосибирск: 2005.

21. Кузнецов М.Б., Матвеев М.В. Численное моделирование процесса растекания тока молнии по заземляющему устройству здания: сравнение результатов эксперимента и расчетов. Вторая Российская конференция по заземляющим устройствам: Сб. докл. - Новосибирск: 2005.

22. Петров С.Р., Борисов Р.К., Горшков А.В, Жарков Ю.В., Колечицкий Е.С. Методы и средства контроля заземляющих устройств. Электро №1 2000 г.

23. Демирчан К.С., Чечурин В.Л. Машинные расчеты электромагнитных полей. - М: Высш.школа., 1986, 240 с.

24. Колечицкий Е.С. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1983.

25. Демирчан К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. М.: Высшая школа, 1988, 335 с.

26. Петров С.Р. Расчет импульсных помех в проводах и кабельных линиях. Технологии ЭМС №1, 2006, стр. 19-26.

27. Petrov S.R., Borisov R.K., Kolechitskie Y.S., Lightning protection on open substations, ICLP2000, Int, conf. on Lightning protection. Greece, 18-27 Sept., p629, 2000.

28. Petrov S.R., Fortov V.A., Parfenov V.V., Borisov R.K., Sduhov L.N. A computer code for estimating pulsed electromagnetic disturbances penetrating into building power and earthling circuits.14-th int. Zurichsimp. EMC, 2001.

29. Техника высоких напряжений \ под ред. Д.В. Резевига М., «Энергия», 1976,

488 с.

30. Ларионов В.П., Борисов Р.К., Левитова Л.В. Взаимодействие электромагнитного поля молнии с оборудованием. Отчето НИР по теме 1025900 от 21.01.91г.

31. Rubinstein M., Uman M.A. Review of the University of Florida research on lightning induced voltages on power distribution lines. Proceedings of the 21st International Conference on Lightning Protection. Berlin,1992.

32. СТО 56947007-29.240.044-2010. Методические указания по обеспечению ЭМС на объектах электросетевого хозяйства.

33. Руководство по обеспечению электромагнитной совместимости на электрических станциях и подстанциях. Подготовлено Рабочей группой СИГРЭ 36.04. Апрель 1997г.

34. Максимов Б. К., Обух А. А. Защита от статического электричества. - М.: МЭИ, 1982. - 68 с.

35. Максимов Б. К., Обух А. А. Статическое электричество в промышленности и защита от него. - М.: Энергия, 1978 г.

36. Maksimov B. K.; Zhulikov S. S.; Obukh A. A. Accumulation and dissipation static electricity charges on solid dielectric surface for a wide range of bulk and surface conductivities // 7-th International Symposium on High voltage engineering (ISH'91), Dresden, 1991.

37. ГОСТ 28280-82 (МЭК 1000-5-82). Совместимость технических средств электромагнитная. Испытания на помехоустойчивость. Общие положения.

38. ГОСТ 12.5.125-83 «Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования».

39. ГОСТ Р 51317.4.2-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к ЭСР. Требования и методы испытаний».

40. ГОСТ Р 51317.4 (МЭК 61000-4). Совместимость технических средств электромагнитная. Требования и методы испытаний.

41. ГОСТ Р 51317.6.2 (МЭК 61000-6-2-97). Совместимость технических средств электромагнитная. Помехоэмиссия от технических средств, применяемых в промышленных зонах. Нормы и методы испытаний.

42. ГОСТ Р 51317.6.5 (МЭК 61000-6-5-2001). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанциях. Требования и методы испытаний.

43. ГОСТ Р 51318.22. Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от оборудования информационных технологий. Нормы и методы испытаний.

44. ГОСТ Р 50932. Устойчивость оборудования проводной связи к электромагнитным помехам. Совместимость технических средств электромагнитная. Требования и методы испытаний.

45. ГОСТ Р 50799. Устойчивость технических средств радиосвязи к электростатическим разрядам, импульсным помехам и динамическим изменениям напряжения сети электропитания. Совместимость технических средств электромагнитная. Требования и методы испытаний.

46. ГОСТ Р 50628. Совместимость электромагнитная машин электронных вычислительных персональных. Устойчивость к электромагнитным помехам. Технические требования и методы испытаний.

47. ГОСТ Р 50745. Системы бесперебойного питания приемников переменного тока и устройства для подавления сетевых импульсных помех. Совместимость технических средств электромагнитная. Требования и методы испытаний.

48. ГОСТ Р 51179-98 (МЭК 870-2-1-95). Устройства и системы телемеханики. Ч.2. Условия эксплуатации. Раздел 1. Источники питания и электромагнитная совместимость.

49. СТО 153 - 34. 20.122-2009. «Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ»

50. СТО 56947007-29.240.043-2010. «Руководство по обеспечению электромагнитной совместимости вторичного оборудования и систем связи электросетевых объектов»

51. СТО 56947007-29.240.044-2010 «Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на электросетевых объектах».

52. Борисов Р.К., Колечицкий Е.С., Коломиец Е.В. Новый подход к моделированию импульсных помех во вторичных цепях электрических подстанций. Электричество, №12, 2007г. стр. 51-53.

53. СО 153-34.21.122-2003 Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций.

54. Кечиев Л.Н., Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. - М.: Издательский Дом «Технологии», 2005. - 352 с.,

55. ГОСТ Р 51317.4.2-2010 (МЭК 61000-4-2:2008) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний.

56. ГОСТР 51317.6.5-2006 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанциях. Требования и методы испытаний.

57. Статическое электричество в химической промышленности / Попов Б.Г., Верёвкин В.Н., Бондарь В.А. и др. - Л.: Химия, 1977.

58. ГОСТ 12.4.124-83 Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования.

59. Жуликов С.С. Способы ограничения зарядов статического электричества на операторе при обслуживании оборудования объектов энергетики. «Энергоэксперт», №2, 2014 г., стр. 58-61.

60. ГОСТ 64433.3-71 Материалы электроизоляционные твёрдые. Методы определения электрических сопротивлений при постоянном напряжении.

61. СТО 70238424.27.100.010-2011 Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) ТЭС. Условия создания. Нормы и требования.

62. Проводящая клейкая лента для заземления. Fur Erdung: LeitfahigesK-lebeband. // DE Elektromeister. Elektrohandwerk, 1996, т. 71, № 18.

63. Овсянников А.Г., Борисов Р.К. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Учеб. пособие. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 194 c.

64. Исам М. А. Абдельшафи, инженер, Республика Судан Анализ электромагнитной совместимости на нефтеперекачивающих станциях. Вестник ХПИ 2014. No 50 (1092) с.82-84.

65. Борисов Р.К., Исам М. А. Абдельшафи, Коломиец Е.В. Экспериментальные исследования устройств защиты от импульсных перенапряжений. Вестник МЭИ, №6, 2016, с.11-15.

66. Борисов Р.К., Исам М. А. Абдельшафи, Коломиец Е.В. Экспериментальные исследования экранирующих свойств кабелей. Вестник МЭИ, №6, 2015, с.74-78.

67. Борисов Р.К., Исам М. А. Абдельшафи, Коломиец Е.В. Экспериментальные определение наведённых от молнии импульсных перенапряжений во вторичных цепях. Электричество. №10 (в печати).

68. Глазунов П.С., Жуликов С.С., Исам М. А. Абдельшафи Методика ограничения накопления зарядов статического электричества на операторе при обслуживании автоматизированных систем управления технологическим процессом. Журнал Радиоэлектроники: электронный журнал. 2017. №10. http://jre.cplire.ru.