Електромагнітна сумісність сучасної апаратури високочастотного зв’язку

Виграш у функціональних характеристиках, простота і гнучкість зумовили широке використання цифрової апаратури на енергооб’єктах. Однак однією з основних проблем в її роботі є необхідність забезпечити електромагнітну сумісність (ЕМС) сучасної цифрової апаратури з жорсткою електромагнітною обстановкою (ЕМО) на енергооб’єктах.

Актуальна ця проблема з двох причин. По-перше, висока частота і низький рівень сигналів, що використовується сучасною цифровою апаратурою, роблять її дуже сприйнятливиою до перешкод, особливо – високочастотних. По-друге, переважна більшість об’єктів в електроенергетиці проектувалися задовго до масового розповсюдження цифрової апаратури, а отже, без урахування ЕМС. Крім того, відхилення від проектної документації, старіння заземлювальних пристроїв, різні реконструкції тощо часто погіршують ЕМО. Як наслідок, рівні перешкод на багатьох об’єктах перевищують рівні стійкості апаратури, у тому числі виконаної з урахуванням найжорсткіших вимог.

Не слід, однак, вважати що проблема ЕМС є бар’єром на шляху впровадження сучасної цифрової апаратури в електроенергетиці. Нині вже накопичений значний досвід для її успішного вирішення як за кордоном, так і у нашій державі. Однак для цього необхідно докласти значних зусиль як виробникам, так і організаціям, що експлуатують та реконструюють об’єкти.

Розглянемо питання, пов’язані з контролем і покращенням ЕМО на енергооб’єктах. Оцінюють ЕМО на діючих об’єктах, зазвичай, шляхом випробувань та вимірювань, за допомогою деяких здійснюють:
– 100-відсотковий контроль опорів основ електроапаратів і конструкцій, приєднаних до заземлювальної установки;
– вимірювання опору розтікання заземлювальної установки;
– розрахунково-експериментальну оцінку потенціалів на елементах заземлювальної установки і перешкод у вторинних кабелях при коротких замиканнях і грозових розрядах;
– вимірювання рівнів перешкод у вторинних колах при комутаційних операціях;
– оцінку рівнів імпульсних і постійно діючих полів у широкому діапазоні частот.

За результатами оцінки розробляють і реалізують комплекс захисних заходів, спрямованих на приведення ЕМО у відповідність до вимог сучасної мікропроцесорної апаратури. Ці заходи, зазвичай, передбачають:
– покращення стану заземлювальної установки шляхом прокладання додаткових заземлювачів і встановлення порушених зв’язків;
– захист кіл вторинних кабелів шляхом екранування, зміни схем заземлення елементів вибухозахисту, прокладання «бар’єрних» заземлювачів, зміна способів і трас прокладання на окремих ділянках тощо;
– оптимальне (за умовами ЕСМ) розміщення мікропроцесорної апаратури, робочих місць, обслуговуючого персоналу і кабелів між машинного обміну;
– правильну організацію заземлення і живлення мікропроцесорної апаратури, в тому числі встановлення джерела безперебійного живлення, засобів обмеження перенапруг, фільтрів тощо.

Такі заходи заходів дають змогу уникнути появи перешкод, що перевищують рівні, вказані у діючих стандартах і нормах на апаратуру. Однак рівні перешкод все ж залишаються на значними через природу енергооб’єктів. Можна, наприклад, показати, що опір основи фільтра приєднання на великому енергооб’єкті має величину порядка 0,1 Ом навіть при ідеальному стані заземлювального пристрою. При струмі замикання «фаза-земля» 20 кА потенціал на основі фільтра може становити 2 кВ. Внаслідок цього цей потенціал буде прикладеним до кабелю ВЧ-зв’язку і впливатиме на вхід апаратури. Ситуація з блискавковими імпульсами аналогічна. Тому галузеві норми, державні і міжнародні стандарти на апаратуру для електроенергетики передбачають достатньо жорсткі вимоги зі стійкості до перешкод. У ряді випадків на апаратуру зв’язку для енергетики також розповсюджуються й вимоги загальні стандарти ЕМС.

Типові відмови апаратури при випробуваннях на ЕМС
- мікросекундні імпульсні перешкоди: перегорання плавких запобіжників, порушення інтерфейсних елементів (трансформаторів, оптронів, перетворювачів тощо), перекриття між колами вводу-виводу і внутрішніми колами апаратури, що призводить до виходу з ладу основних логічних елементів;
- наносекундні імпульсні перешкоди: хибне спрацювання індикаторів через вимірювання стану відповідних логічних схем під дією перешкод, перезавантаження через спрацювання таймерів та інших засобів самоконтролю, «зависання» апаратури через появу фатальних помилок у програмах і даних, тимчасовий (до 3–5 хвилин) вихід з ладу схем на основі КМОП-логіки, пошкодження інтегральних схем, які неможливо відновити;
- електростатичні розряди: перезавантаження через спрацювання сигнальних таймерів та інших засобів самоконтролю, «зависання» апаратури через виникнення фатальних помилок у програмах і даних, тимчасовий (до 3–5 хвилин) вихід з ладу схем на основі КМОП-логіки;
- магнітні поля промислової частоти, імпульсні магнітні поля: порушення роботи електронно-променевих дисплеїв (час відновлення – до кількох годин).

До основних методів підвищення завадостійкості апаратури належать:

- оптимізація конструкції електронних вузлів: урахування вимог електромагнітної сумісності при виборі елементної бази, розділене розташування цифрових блоків, чутливих аналогових кіл, інтерфейсних елементів і блоків живлення, мінімізація довжини швидкісних цифрових шин і площі утворюваних ними контурів;
- оптимізація схеми заземлення вузлів апаратури: використання заземлювальної площини для високочастотних і цифрових блоків, «Землі» на платі об’єднуються у одній точці, «Землі» різних плат приєднують до спільної точки на корпусі;
- організація електроживлення: живлення апаратури, що використовується системами РЗА, лише для мережі власних потреб без ДБЖ забороняється, входи живлення потрібно захищати за допомогою пристроїв обмеження перенапруг і додаткових фільтрів;
- вимоги до корпусу апаратури: апаратуру треба оснащувати екрануючим корпусом із пов’язаних одна з одною металевих панелей, площа і розміри отворів в екрануючому корпусі повинні бути мінімальними, усі невикористані при нормальній роботі роз’єми, індикатори тощо закривають спеціальною кришкою або заглиблюють у корпус апаратури;
- кола вводу-виводу: вимоги до під’єднання і захисту кіл вводу-виводу залежать від призначення кіл, наприклад, до кіл, що йдуть до фільтра приєднання, або виходять за межі енергооб’єкта, ставляться вищі вимоги, ніж до абонентських кіл у межах об’єкта. Залежно від призначення кіл використовуються різноманітні методи боротьби з перешкодами. До них належать обмежувачі перенапруги, оптронні розв’язки, фільтри тощо;
- моніторинг стану апаратури: апаратуру треба оснащувати вбудованими засобами самодіагностування. Найпростішим варіантом є використання апаратних сигнальних таймерів. Дані моніторингу апаратури слід негайно записувати в енергонезалежну пам’ять із вказанням точного часу;
- резервування: з точки зору електромагнітної сумісності ефективним є резервування шляхом паралельного вмикання неідентичних каналів. При цьому резервний канал може реалізовувати примітивніший алгоритм. Якщо головний канал цифровий, резервний канал може бути аналоговим;
- програмні засоби підвищення завадостійкості: використання точок самоконтролю у програмах. Перехід на незайняту адресу або невикористовуване переривання повинен призводити до виклику програми обробки помилок. Перевірка програм і даних при зчитуванні. Контроль діапазону допустимих значень даних. Цифрова фільтрація. Використання стандартних протоколів з корекцією помилок для обміну інформацією з іншими пристроями.
Таким чином, для вирішення проблеми електромагнітної сумісності сучасної апаратури зв’язку потрібні як оцінка і поліпшення електромагнітної обстановки та енергооб’єктах, так і забезпечення високої завадостійкості самої апаратури. Сучасна технологія дає змогу успішно розв’язувати ці завдання. Що до економічного боку проблеми, то витрати на забезпечення електромагнітної сумісності, переважно, є помітними, однак не визначають вартості виробництва і реконструкції енергооб’єкта. Є кілька способів, що дають змогу знизити сумарні витрати:
– урахування питань ЕМС треба закладати на початкових стадіях проекту будівництва або реконструкції об’єктів;
– оцінювання ЕМО до проведення будь-яких робіт з реконструкції;
– використання апробованих типових проектних рішень.
При проектуванні і виробництві апаратури широко використовуються готові уніфіковані вузли з достовірними даними щодо характеристик ЕМС. Особливо це стосується корпусів, засобів поглинання перешкод, інтерфейсних елементів, блоків живлення тощо. Модульна структура апаратури дає змогу проводити випробування на ЕМС найскладнішої конфігурації. Інші отримані модифікації фактично, «викиданням» частин блоків, автоматично мають потрібні характеристики ЕМС.
Досвід свідчить, що для вирішення питань ЕМС часто треба залучати фахівців спеціалізованих організацій. Така ситуація є нормальною, тим більше, що під час такої взаємодії підвищуєьбся кваліфікація власного персоналу. Результатом витрачених зусиль на забезпечення ЕМС є висока надійність роботи цифрових пристроїв на енергооб’єктах. А це, безперечно, компенсує усі зусилля.

Матвєєв М.В., ТзОВ «ЭЗОП», м. Москва, Росія

Втрати електроенергії в електричних мережах

Обсяг втрат електроенергії в електричних мережах – найважливіший показник економічності їхньої роботи, наочний індикатор стану системи обліку електроенергії, ефективності енергозбутової діяльності енергопостачальних організацій. Цей індикатор чітко свідчить про проблеми, які вимагають невідкладних рішень у розвитку, реконструкції й технічному переозброєнні електричних мереж, удосконаленні методів і засобів їхньої експлуатації й керування, у підвищенні точності обліку електроенергії, ефективності збору коштів за спожиту електроенергію тощо.

На думку міжнародних експертів, відносні втрати електроенергії при її передачі й розподілі в електричних мережах більшості країн можна вважати задовільними, якщо вони не перевищують 4 – 5%. Втрати електроенергії на рівні 10% можна вважати максимально припустимими з погляду фізики передачі електроенергії мережами.
Стає усе очевиднішим, що різке загострення проблеми зниження втрат електроенергії в електричних мережах вимагає активного пошуку нових шляхів її вирішення, нових підходів до вибору відповідних заходів, а головне, до організації роботи зі зниження втрат.
У зв’язку з малими інвестиціями у розвиток і технічне переозброєння електричних мереж, в удосконалювання систем керування їхніми режимами, в облік електроенергії, виникла низка тенденцій, що негативно впливають на рівень втрат у мережах, адже йдеться про: застаріле обладнання, фізичне й моральне зношування засобів обліку електроенергії, невідповідність встановленого обладнання передаваній потужності.
На тлі змін що відбуваються у господарському механізмі енергетики проблема зниження втрат електроенергії в електричних мережах не тільки не втратила своєї актуальності, а навпаки висунулася в одне із завдань забезпечення фінансової стабільності енергопостачальних організацій.
Деякі визначення:
Абсолютні втрати електроенергії – різниця електроенергії, відпущеної в електричну мережу й корисно відпущеної споживачам.
Технічні втрати електроенергії – втрати, обумовлені фізичними процесами передачі, розподілу й трансформації електроенергії, визначаються розрахунковим шляхом. Технічні втрати діляться на умовно-постійні й змінні (залежні від навантаження).
Комерційні втрати електроенергії – втрати, що визначаються як різниця абсолютних і технічних втрат.
В ідеальному випадку комерційні втрати електроенергії в електричній мережі, повинні дорівнювати нулю. Однак очевидно, що в реальних умовах відпуск в мережу, корисний відпуск і технічні втрати визначаються з похибками. Різниці цих похибок фактично і є структурними складовими комерційних втрат. Вони повинні бути по можливості зведені до мінімуму за рахунок виконання відповідних заходів. Якщо така можливість відсутня, необхідно внести поправки до показів електролічильників, що компенсують систематичні похибки вимірів електроенергії.
Похибки вимірів відпущеної в мережу й корисно відпущеної електроенергії споживачам
Похибка вимірів електроенергії в загальному випадку може бути розбита на безліч складових, розглянемо найбільш значимі складові похибок вимірювальних комплексів (ВК), у які можуть входити: трансформатор струму (ТС), трансформатор напруги (ТН), лічильник електроенергії (ЛЕ), лінія приєднання ЛЕ до ТН. До основних складових похибок вимірів відпущеної в мережу й корисно відпущеної електроенергії належать:
1) похибки вимірів електроенергії в нормальних умовах роботи ВК, обумовлені класами точності ТС, ТН і ЛЕ;
2) додаткові похибки вимірів електроенергії в реальних умовах експлуатації ВК, обумовлені:
- заниженим проти нормативного коефіцієнтом потужності навантаження (додатковою кутовою похибкою);
- впливом на ЛЕ магнітних і електромагнітних полів різної частоти;
- недовантаженням і перевантаженням ТС, ТН і ЛЕ;
- несиметрією й рівнем підведеної до ВК напруги;
- роботою ЛЕ в неопалюваних приміщеннях з неприпустимо низькою температурою тощо;
- недостатньою чутливістю ЛЕ при їхніх малих навантаженнях, особливо в нічні години;
- системні похибки, обумовлені наднормативними термінами служби ВК;
- похибки, пов’язані з неправильними схемами підключення ЛЕ, ТС і ТН, зокрема, порушеннями фазування підключення лічильників;
- похибки, обумовлені несправними приладами обліку електроенергії;
3) похибки зняття показів електролічильників через:
- помилки або навмисне перекручувань записів показів;
- неодночасність або невиконання встановлених термінів зняття показів лічильників, порушення графіків обходу лічильників;
- помилки у визначенні коефіцієнтів перерахування показів лічильників в електроенергію.
Варто зауважити, що при однакових знаках складових похибок вимірів відпуску в мережу й корисного відпуску комерційні втрати будуть зменшуватися, а при різних – збільшуватися. Це означає, що з погляду зниження комерційних втрат електроенергії необхідно проводити погоджену технічну політику підвищення точності вимірів відпуску в мережу й корисного відпуску. Наприклад, якщо односторонньо зменшувати системну негативну похибку вимірів (модернізувати систему обліку), не міняючи похибку вимірів, то комерційні втрати зростуть.
Комерційні втрати, обумовлені заниженням корисного відпуску через недоліки енергозбутової діяльності. Ці втрати містять дві складові: втрати при виставлянні рахунків і втрати від розкрадань електроенергії.
Втрати при виставлянні рахунків обумовлені:
- неточністю даних про споживачів електроенергії, у тому числі недостатньою або помилковою інформацією про укладені договори на користування електроенергією;
- помилками при виставлянні рахунків, у тому числі невиставленими рахунками споживачам через відсутність точної інформації про них і через відсутність постійного контролю за актуалізацією цієї інформації;
- відсутністю контролю й помилками у виставлянні рахунків клієнтам, що користуються спеціальними тарифами;
- відсутністю контролю й обліку відкоректованих рахунків тощо.
Втрати від розкрадань електроенергії є однією з найбільш істотних складових комерційних втрат. Узагальнення міжнародного й вітчизняного досвіду щодо боротьби з розкраданнями електроенергії показало, що в основному ці розкрадання здійснююить побутові споживачі. Мають місце крадіжки електроенергії, здійснювані промисловими й торговельними підприємствами, але обсяг цих крадіжок не можна вважати визначальним.
Розкрадання електроенергії мають досить чітку тенденцію до зростання, особливо в регіонах з неблагополучним теплопостачанням споживачів у холодні періоди року, а також в осінньо-весняні періоди, коли температура повітря вже сильно понизилася, а опалення ще не ввімкнене чи вже вимкнене.
Існують три основні групи способів розкрадань електроенергії: механічні, електричні, магнітні.
Механічні способи розкрадань електроенергії
Механічне втручання в роботу лічильника, що може набирати різних форм:
- свердлення отворів у доні корпуса, кришці або склі лічильника;
- вставка (в отвір) різних предметів типу плівки шириною 35 мм, голки тощо для того, щоб зупинити обертання диска або скинути покази лічильника;
- переміщення лічильника з нормального вертикального в похиле положення, щоб знизити швидкість обертання диска;
- самовільне зривання пломб, порушення в центруванні осей механізмів (шестірень) для запобігання повної реєстрації електроенергії;
- розкочування скла при вставці плівки, що зупинить дискове обертання.
Звичайно, механічне втручання залишає слід на лічильнику, але його важко виявити, якщо лічильник не буде повністю очищений від пилу й бруду й оглянутий досвідченим фахівцем.
До механічного способу розкрадання електроенергії можна віднести досить широко розповсюджені навмисні ушкодження ЛЕ побутовими споживачами або розкрадання лічильників, встановлених на сходових клітках житлових будинків. Як показав аналіз, динаміка навмисних руйнувань і розкрадань лічильників збігається з настанням холодів при недостатньому опаленні квартир.
Електричні способи розкрадань електроенергії
Найпоширенішим електричним способом розкрадань електроенергії є так зване «накидання» на неізольовані проводи повітряної лінії. Досить широко використовуються такі способи, як:
- інвертування фази струму навантаження;
- застосування різного типу «відмотувачів» для часткової або повної компенсації струму навантаження зі зміною його фази;
- шунтування струмового кола лічильника – встановлення так званих «закорочувачів»;
- заземлення нульового проводу навантаження;
- порушення чергування фазного й нульового проводів у мережі із заземленої нейтраллю.
Якщо лічильники ввімкнені через вимірювальні трансформатори, можуть застосовуватися також:
- відімкнення струмових кіл ТС;
- заміна нормальних запобіжників ТН на перегорілі тощо.
Магнітні способи розкрадань електроенергії
Застосування магнітів із зовнішньої сторони лічильника може вплинути на його робочі характеристики. Зокрема, можна при використанні індукційних лічильників старих типів за допомогою магніту сповільнити обертання диска. Нині виробники намагаються захистити лічильники від впливу магнітних полів. Тому цей спосіб розкрадань електроенергії стає усе більш обмеженим.
Інші способи розкрадань електроенергії
Існує низка інших способів розкрадань електроенергії, наприклад, розкрадання за рахунок частої зміни власників тієї або іншої фірми з перманентним переоформленням договорів на постачання електроенергії. У цьому випадку енергозбут не в змозі встежити за зміною власників і одержати з них плату за електроенергію.
Комерційні втрати електроенергії, обумовлені наявністю безгосподарних споживачів
Кризові явища в країні, поява нових акціонерних товариств призвели до того, що в більшості енергосистем в останні роки з’явилися й уже досить значний час існують житлові будинки, гуртожитки, цілі селища, які не стоять на балансі яких-небудь організацій. Електро- і теплоенергію, що поставляються в ці будинки, мешканці нікому не оплачують. Спроби енергосистем відключити неплатників не дають результатів, тому що жителі знову самовільно підключаються до мереж. Електроустановки цих будинків ніким не обслуговуються, їхній технічний стан загрожує аваріями й не забезпечує життю й майну громадян безпеку.
Комерційні втрати, обумовлені неодночасністю оплати за електроенергію побутовими споживачами – так звана «сезонна складова»
Ця досить істотна складова комерційних втрат електроенергії має місце у зв’язку з тим, що побутові споживачі об’єктивно не в змозі одночасно зняти покази лічильників і оплатити за електроенергію. Як правило, платежі відстають від реального енергоспоживання, що, безумовно, вносить похибку у визначення фактичного корисного відпуску побутовим споживачам і в розрахунок фактичного небалансу електроенергії, тому що відставання може становити від одного до трьох місяців і більше. Зазвичай, в осінньо-зимові й зимово-весняні періоди року мають місце недоплати за електроенергію, а у весняно-літні й літньо-осінні періоди ці недоплати певною мірою компенсуються. Осінньо-зимові й зимово-весняні сезонні недоплати за електроенергію набагато перевищують у більшості випадків сумарну оплату в інші періоди року. Тому комерційні втрати мають місце по місяцях, кварталах і за рік загалом.
Похибки розрахунку технічних втрат електроенергії в електричних мережах
Оскільки комерційні втрати електроенергії не можна виміряти, їх можна з тією чи іншою похибкою обчислити. Значення цієї похибки залежить не тільки від похибок вимірів обсягу розкрадань електроенергії, наявності «безгосподарних споживачів», інших розглянутих вище факторів, а й від похибки розрахунку технічних втрат електроенергії. Що більш точними будуть розрахунки технічних втрат електроенергії, то, точнішими будуть оцінки комерційної складової, то об’єктивніше можна визначити їхню структуру й намітити заходи щодо їхнього зниження.

Василь ЯРЕМА