Оценка электромагнитной обстановки в среде ElectriCS Storm при проектировании ОРУ 220 кВ в ООО «Росэнергопроект» (г.Москва)

Наум Сандлер
К.т.н., «Росэнергопроект»
Александр Салин
Д.т.н., CSoft Иваново
Сергей Словесный
К.т.н., Ивановский государственный энергетический университет
Анатолий Рунцов
Ивановский государственный энергетический университет

В случае, о котором пойдет речь в этой статье, специалисты ООО «Рос­энергопроект» разрабатывали проект реконструкции ОРУ 220 кВ и строительства нового КРУЭ­220 кВ ТЭЦ­20 (филиала ОАО «Мос­энерго»), а также их электромагнитной совместимости (ЭМС).

Особенностью проектирования реконструируемых объектов является необходимость поиска компромисса между стремлением проектировщиков максимально использовать уже существующие инженерные сооружения и точным выполнением требований действующих нормативных документов. На реконструируемых энергообъектах одновременно может использоваться и основное (первичное) и вспомогательное (вторичное) оборудование разных поколений, требования к которому постоянно изменяются в сторону ужесточения.

Рис. 1. Примеры исходных данных для расчета ЭМО в 3D-виде

В первую очередь это относится к устройствам релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗ и ПА), выполняющим наиболее ответственные функции по управлению и информационному обеспечению объектов электроэнергетики. Устройства РЗ и ПА последних поколений отличаются от ранее используемых большей чувствительностью и большим объемом выполняемых функций и, как следствие, — более жесткими требованиями к качеству информационных сигналов и электропитания, а также к уровням электромагнитных излучений, воздействующих на терминалы РЗ и ПА непосредственно в месте их расположения.

Качество информационных сигналов и электропитания определяется наводками в цепях передачи данных и в цепях питания, создаваемыми действующими электроустановками, при этом максимальные электромагнитные помехи в указанных цепях возникают при растекании по элементам заземляющего устройства токов молнии (удар молнии в молниеприемник) и токов короткого замыкания в первичном оборудовании и в системе собственных нужд (двухфазное замыкание).

В этих условиях одной из основных задач проектировщиков является координация характеристик существующей электромагнитной обстановки с соответствующими характеристиками заменяемого или вновь устанавливаемого оборудования.

Рис. 2. Распределение потенциалов (В) при молниевом разряде в молниеотвод М3

Рис. 3. Потенциалы (В) узлов ЗУ ОРУ при молниевом разряде в молниеотвод М3

Рис. 4. Распределение напряженности магнитного поля на территории ОРУ при молниевом разряде в молниеотвод М3

Система ElectriCS Storm предназначена для автоматизированного проектирования молниезащиты, заземления и электромагнитной совместимости промышленных и энергетических объектов. Система ElectriCS Storm 5­й версии состоит из четырех основных подсистем: расчета молниезащит (РМЗ), классического расчета заземляющих устройств (РЗУ), специализированного расчета заземления подстанций (РП) и расчета электромагнитной обстановки (ЭМО).

Подсистема РМЗ системы ElectriCS Storm предназначена для автоматизированного расчета и построения зон защит молниеотводов, а также горизонтальных и вертикальных сечений этих зон. Расчет и построение зон защит производится по СО 153­34.21.122­2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных предприятий», РД 34.21.122­87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений» и СТО Газпром 2­1.11­170­2007 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и коммуникаций ОАО “Газпром”».

Рис. 5. Зоны молниезащиты в 3D-виде

Рис. 6. Горизонтальное сечение зон молниезащиты на высоте 16 м

Подсистема расчета ЭМО системы ElectriCS Storm предназначена для автоматизированного расчета электромагнитной обстановки и решения задач ЭМС. Расчет ЭМО производится по СО 34.35.311­2004
«Методические указания по определению электромагнитной обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях», СТО 56947007­29.240.044­2010
«Методические указания по обес­печению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства» и СТО 56947007­29.130.15.114­2012
«Руководящие указания по проектированию заземляющих устройств подстанций напряжением 6­750 кВ».

Подсистема расчета ЭМО системы ElectriCS Storm выполняет следующие функции:

• ввод естественных и искусственных заземлителей (горизонтальных, вертикальных, фундаментов) как вручную, так и с планов, выполненных в AutoCAD;
• автоматическая закачка заземлителей с чертежей, выполненных в AutoCAD;
• ввод кабельных трасс и кабелей с результатами раскладки: вручную, с чертежей AutoCAD, из системы кабельной раскладки ElectriCS 3D;
• расчет сопротивления растеканию тока заземлителей индивидуально для каждого заземлителя;
• расчет потенциалов и токов по узлам и ветвям ЗУ для ударов молнии и КЗ;
• расчет и построение магнитного поля (распределение напряженности магнитного поля) для указанной зоны. Расчет производится как для полей от заземлителей, так и для полей от токо­ограничивающих реакторов и шин первичных цепей (расположение реакторов при этом произвольное, в том числе ступенчатое);
• расчет наведенных от молнии импульсных напряжений во вторичных цепях (с учетом экранирования кабельных трасс и самих кабелей);
• расчет и построение поля потенциалов для указанной зоны;
• расчет и построение поля напряжения прикосновения для указанной зоны;
• расчет и построение поля напряжения шага для указанной зоны;
• расчет всех указанных видов для точек контроля и кабельных трасс;
• расчет токов в экранах кабелей, допустимых токов и их сравнение;
• расчет допустимых токов в заземлителях и их сравнение с расчетными;
• просмотр результатов расчета для кабельных трасс и кабелей в виде диаграмм;
• вывод результатов расчета в AutoCAD в виде 3D­поверхности;
• вывод результатов расчета в AutoCAD на план в виде как цветового поля, так и изолиний (линии заданного уровня);
• вывод в AutoCAD в 3D­виде и на план заземлителей (естественных и искусственных), узлов заземлителей, кабельных трасс, кабелей, реакторов, проводов, точек контроля, точек входа тока, молниеприемников (стержневых).

Исходными данными при проектировании реконструкции ОРУ 220 кВ являлись:

• компоновка оборудования на территории ОРУ;
• компоновка оборудования внутри КРУЭ;
• компоновка оборудования ГРУ 6 и ГРУ 10 кВ;
• главная схема электрических соединений ТЭЦ­20;
• план расположения заземляющего устройства;
• схема кабельных трасс;
• спецификации оборудования и его технические характеристики (степень жесткости испытания);
• результаты расчета токов КЗ и другие.

В систему ElectriCS Storm для расчета ЭМО вводились следующие данные:

• горизонтальные и вертикальные заземлители — их координаты закачивались с планов, выполненных в AutoCAD, а размеры добавлялись полуавтоматически с помощью макроса. Горизонтальные заземлители закачивались из AutoCAD в два этапа. Это было вызвано тем, что существующие и вновь добавляемые заземлители находились в двух разных слоях чертежа. К тому же у них различались габариты (4×40 мм — у существующих и 5×60 мм — у новых);
• точка измерения удельного сопротивления земли — задавалась одна на подстанцию с указанием параметров многослойного грунта;
• стержневые молниеприемники — их координаты (X и Y) вводились с планов, а парамет­ры (координата Z и высота) — вручную;
• точки входа тока — токи молнии вводились в верхних точках стержневых молниеприемников, токи короткого замыкания вводились в цепи заземления нейтралей (баков) силовых трансформаторов, а также на шинах КРУЭ. Координаты точек входа (X и Y) вводились с планов, а параметры токов (величина входного тока, длительность фронта импульса, частота) и координата Z — вручную;
• провода (гибкие ошиновки) — координаты (X1, Y1, X2, Y2) вводились как линии с планов, а ток и высота — вручную;
• кабельные трассы — координаты (X1, Y1, X2, Y2) вводились как линии с планов, а тип трассы с точки зрения экранирования (ж/б лоток, стальная труба и т.д.) и координаты Z — вручную;
• кабели — сначала они рисовались на планах как полилинии AutoCAD, а затем координаты этих полилиний вводились в ElectriCS Storm. Параметры кабелей (тип, NxS) вводились вручную. Вводились не все кабели, а только потенциально проблемные: уходящие на самые дальние точки ОРУ, проходящие вблизи молниеприемников и т.д.;
• точки контроля — вводились по углам и в центре помещений щитов управления КРУЭ, а также в местах установки шкафов с микропроцессорными терминалами защит в ГРУ 6 кВ и в ГРУ 10 кВ;
• также вводились здание ОРУ и порталы, зона расчета и общие данные.

Примеры исходных данных в 3D­виде приведены на рис. 1.

Для каждого из молниеприемников производились расчеты потенциалов в узлах системы заземлителей, токов в заземлителях, допустимых токов в заземлителях, полей потенциалов, напряженности магнитного поля, полей шагового напряжения, наведенных ЭДС в кабелях с учетом и без учета экранирования. Для отображения распределения был выбран метод цветового поля. На рис. 2 приведено распределение потенциалов (В) при молниевом разряде в молниеотвод М3, на рис. 3 показаны потенциалы (В) узлов ЗУ ОРУ при молниевом разряде в молниеотвод М3, а на рис. 4 представлено распределение напряженности магнитного поля (А/м) на территории ОРУ при молниевом разряде в молниеотвод М3. На рис. 5 показаны зоны молниезащиты в 3D­виде, а на рис. 6 представлено горизонтальное сечение зон молниезащиты на высоте 16 м. На рис. 7 приведено распределение напряженности магнитного поля (А/м) в контрольных точках в здании КРУЭ на высоте 11 м при молниевом разряде в молниеотвод М3, а на рис. 8 показано распределение напряженности магнитного поля вдоль кабеля АТ1­КРУЭ при молниевом разряде в молниеотвод М3.

Рис. 7. Напряженность магнитного поля в контрольных точках в здании КРУЭ на высоте 11 м при молниевом разряде в молниеотвод М3

По каждому из трансформаторов (автотрансформаторов) для однофазных токов КЗ на стороне высшего напряжения производились расчеты потенциалов в узлах системы заземлителей, токов в заземлителях, допустимых токов в заземлителях, полей потенциалов, напряженности магнитного поля, токов в экранах кабелей, допустимых токов в экранах кабелей, полей шагового напряжения. Напряженность магнитного поля при КЗ считалась как от токов в заземлителях, так и от тока в гибких ошиновках.

Рис. 8. Распределение напряженности магнитного поля
вдоль кабеля АТ1-КРУЭ при молниевом разряде в молниеотвод М3

Рис. 9. Распределение потенциалов (В) при однофазном КЗ в сети 220 кВ на шинах КРУЭ

Рис. 10. Распределение напряженности магнитного поля при однофазном КЗ в сети 220 кВ на шинах КРУЭ

Такие же расчеты производились для однофазного КЗ на шинах КРУЭ­220. На рис. 9 приведено распределение потенциалов (В) при однофазном КЗ в сети 220 кВ на шинах КРУЭ, а на рис. 10 показано распределение напряженности магнитного поля (А/м) при однофазном КЗ в сети 220 кВ на шинах КРУЭ. При расчете токов в экранах кабелей в исходные данные точки входа тока вводилась продолжительность действия тока как время срабатывания резервной защиты. Длительность фронта импульса при КЗ задавалась как длительность полупериода тока промышленной частоты, то есть 0,01 с.

По плану реконструкции ОРУ 220 кВ часть микропроцессорных терминалов защит должна размещаться в помещениях ГРУ 6 кВ и ГРУ 10 кВ, поэтому для данных помещений был выполнен расчет магнитных полей от токоограничивающих реакторов, установленных в ячейках на первом этаже ГРУ. Поля считались для реакторов, наиболее близких к шкафам с терминалами и с максимальными токами КЗ. На рис. 11 приведено распределение магнитного поля (А/м) в здании ГРУ 10 кВ на высоте 6 м, а на рис. 12 показано распределение магнитного поля (А/м) в здании ГРУ 6 кВ на высоте 6 м.

Результаты выполненных расчетов характеристик ЭМО сравнивались с допустимыми характеристиками для принятых к установке технических средств и на основании этого делались выводы об электромагнитной совместимости объектов проектирования. В том случае, если расчетные характеристики ЭМО превышали допустимые, разрабатывался комплекс защитных мероприятий, после чего выполнялся новый расчет корректируемого параметра.

Рис. 11. Распределение магнитного поля в здании ГРУ 10 кВ на высоте 6,0 м

Рис. 12. Распределение магнитного поля в здании ГРУ 6 кВ на высоте 6,0 м

Так, например, в результате расчета было установлено, что токи в экранах кабелей, соединяющих КРУЭ с ОРУ 220 кВ, при однофазном КЗ в сети 220 кВ на шинах КРУЭ превышают допустимые по термической устойчивости. Для уменьшения токов в экранах указанных кабелей может быть выполнена прокладка дополнительных металлосвязей между рассматриваемыми объектами (КРУЭ 220 кВ и ОРУ 220 кВ).

Рис. 13. Сертификат ElectriCS Storm

Повторный расчет токов в экранах проблемных кабелей для указанного режима с учетом предложенных рекомендаций показал соответствие расчетных характеристик допустимым.

Программа ElectriCS Storm сертифицирована для расчета и проектирования молниезащиты, заземления и электромагнитной совместимости (сертификат представлен на рис. 13) и позволяет сократить сроки проектирования, повысить производительность труда проектировщиков и качество проектов.

САПР и графика 4`2014