Функциональное заземление микропроцессорных устройств релейной защиты: насущная необходимость или инерция мышления? - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

2552
Функциональное заземление микропроцессорных устройств релейной защиты: насущная необходимость или инерция мышления?

Современная, правильно спроектированная система заземления МУРЗ выполняется многоточечной с использованием эквипотенциальной поверхности. В качестве эквипотенциальной поверхности могут использоваться металлические элементы конструкций релейных шкафов (рис.1).

Устройство заземления МУРЗ с использованием эквипотенциальной поверхности показано на рис.2, на котором обозначены:

1 – МУРЗ в металлических корпусах;

2 – заземляющие медные шинки;

3 – элемент конструкции металлического шкафа, выполняющего функцию эквипотенциальной поверхности.

Основной функцией МУРЗ является обработка информации, поступающей на его входы (в виде токов, напряжений, логических сигналов), ее запоминание и выдача результатов этой обработки в виде сигналов на его выходе. По этому набору функций МУРЗ входит в область применения стандарта IEC 60950-1 [1]. В соответствии с п. 2.6.2 этого стандарта «цепь функционального заземления должна быть отделена от частей, на которых возможно появление высокого потенциала».

Соблюдается ли основное условие этого требования на заземленном корпусе МУРЗ в реальных условиях эксплуатации РЗ, на подстанциях и электростанциях? По данным, представленным в [2], в ситуации, когда множество электрических аппаратов и отдельных устройств релейной защиты энергообъекта расположены на значительном удалении друг от друга и заземлены в местах их расположения, неизбежно появление высокой разности потенциалов между точками заземления, которая при разрядах молнии может доходить до 10 кВ.

Если два МУРЗ расположены на значительном расстоянии друг от друга и их порты связи соединены между собой через Ethernet посредством витой пары (рис.3), то это напряжение будет прикладываться к этим наименее защищенным от импульсов высокого напряжения узлам МУРЗ. По свидетельству [3]: «чем больше площадь территории защищаемого объекта, тем больший потенциал для проблем». Здесь следует отметить, что использование системы Ethernet с витыми парами многожильного медного кабеля сегодня все чаще приходит на смену дорогой оптоволоконной линии связи в релейной защите. Это общемировая тенденция, направленная на сокращение затрат в электроэнергетике.

По причине низкой защищенности портов связи, они не испытываются (в отличие от остальных входов и выходов МУРЗ) повышенным импульсным напряжением вообще (стандарты IEC 60255-5, 60255-22-5) или испытываются пониженным напряжением (стандарты IEC 60255-22-1, 60255-22-4). По свидетельству [2] уровень импульсных перенапряжений, возникающий при разрядах молнии и приложенный к изоляции цепей электронной аппаратуры, превосходит в несколько раз принятые уровни устойчивости электронной аппаратуры промышленного назначения. И это при протекании тока молнии через систему заземления под действием обычных разрядов молнии. Но разряды молнии не единственный источник мощных электромагнитных воздействий на МУРЗ.

В последнее время стала актуальной проблема защиты электроэнергетических систем от, так называемых, преднамеренных дистанционных деструктивных воздействий [4], наиболее мощным из которых является электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ). Составляющая Е1 ЭМИ ЯВ создает у поверхности земли импульс электрического поля с напряженностью, доходящей до 50 кВ/м [4]. Разветвленная система заземления играет роль огромной антенны для такого импульса, абсорбирующей энергию с большой площади и доставляющей ее через цепи заземления прямо к чувствительной электронной аппаратуре, включая МУРЗ.

С другой стороны, возникает вопрос о том, насколько вообще необходимо функциональное заземление МУРЗ? Ведь совершенно очевидно, что реально существующие системы заземления вовсе не являются эквипотенциальной поверхностью с нулевым потенциалом, который требуется для надежной работы электронных цепей и не играют роль обратного провода, необходимого для возврата каких-то сигналов к МУРЗ. Скорее, наоборот, в самых критических ситуациях, на которые она, собственно, и рассчитана, система заземления становятся источником высоковольтных импульсов, прикладываемых к чувствительной электронной аппаратуре.

В ранних конструкциях МУРЗ, произведенных 20 и более лет тому назад, функциональные модули, расположенные на отдельных печатных платах, имели специальные зачищенные и покрытые слоем серебра участки печатных проводников, увеличенной ширины. Эти участки, при установке платы в корпусе, приходили в соприкосновение со специальными пружинами, обеспечивающими контакт этих печатных проводников с заземленным корпусом МУРЗ.

Печатная плата DPR с зачищенными участками печатного монтажа (1 и 2), контактирующими с заземленным корпусом посредством специальной пружины, показана на рис.4.

В современных конструкциях МУРЗ очень редко можно найти такие специальные ухищрения для выполнения функционального заземления. И это вполне оправдано, поскольку все входные и выходные цепи МУРЗ (за исключением портов связи) хорошо изолированы от земли и от других электроустановок: цепи питания – посредством трансформатора внутреннего источника питания, аналоговые входы – изоляцией внутренних трансформаторов тока и напряжения, логические входы – посредством оптронов, выходная цепь – изоляцией выходных электромеханических реле. К тому же, работоспособность внутренних электронных цепей МУРЗ никак не связана с наличием или отсутствием внешнего заземления.

Что же касается эффективности защиты чувствительных электронных цепей МУРЗ от воздействия внешних электромагнитных полей с помощью металлического корпуса, призванного играть роль, так называемой, «клетки Фарадея», то эта эффективность никак не зависит от наличия или отсутствия заземления. То есть заземление корпуса МУРЗ никак не влияет на эффективность экранирующего эффекта корпуса.

С другой стороны, если сигналы помех поступают на электронные цепи МУРЗ, расположенные внутри корпуса, по кабелям, то каким образом заземление его корпуса предотвратит воздействие этих помех (особенно помех дифференциального типа)? Ответ очевиден: никак! Более того, на основании вышеизложенного можно утверждать, что функциональное заземление корпусов МУРЗ лишь усугубляет ситуацию и снижает помехоустойчивость релейной защиты. Это связано с тем, что реальные уровни перенапряжений, которые могут прикладываться через цепи заземления к различным, даже хорошо изолированным внутренним цепям удаленных друг от друга МУРЗ, могут существенно превышать допустимые уровни, даже без учета портов связи с их ослабленным уровнем изоляции.

По утверждению [5], функциональное заземление невозможно рассматривать в отрыве от защитного заземления, не нарушая стандартов системы безопасности труда.

Позволим себе усомниться в справедливости такого утверждения и рассматривать эти два вида заземления как отдельные и независимые друг от друга. При таком подходе появляется возможность организации заземления МУРЗ на новом принципе, который основан на рекомендации IEC 60364-5-548 [6] о повышении помехоустойчивости оборудования информационных технологий путем отделения этого оборудования от источников возмущения.

Поскольку в рассматриваемом случае таким «источником возмущения» является функциональное заземление, то наше предложение заключается в отделении МУРЗ от него. Предлагаемый принцип компоновки МУРЗ, обеспечивающий повышенную устойчивость ко всем видам электромагнитных воздействий, включая ЭМИ ЯВ, показан на рис.5, где обозначены:

А – «грязный» отсек;

В – «чистый» отсек;

1 – терминал МУРЗ в тщательно изолированном пластмассовом корпусе;

2 – фильтр ЭМИ ЯВ;

3 – стальной корпус;

4 – дверца стального корпуса;

5 – изоляторы;

6 – контрольный кабель с двойным экраном;

7 – проходной изолятор;

8 – металлическая муфта для сочленения оплетки кабеля со стальным корпусом;

9 – оптоволоконная линия связи.

Согласно этому предложению, стальной контейнер 3 (рис.5) с минимальным количеством отверстий разделен внутренней переборкой на две зоны: А – «грязную» и В – «чистую». Терминал МУРЗ в пластмассовом корпусе расположен в чистой зоне, свободной от электромагнитных излучений. Контейнер 3 снабжен дверцей 4, обеспечивающей доступ персонала к лицевой панели МУРЗ во время профилактических работ. Контейнер 3 заземлен с соблюдением всех традиционных норм и правил выполнения заземления, что обеспечивает соблюдение требований техники безопасности. При наличии достаточно большого расстояния между МУРЗ и внутренними стенками заземленного металлического контейнера, например 5...7 см, паразитная емкость электронных цепей МУРЗ на землю будет очень незначительной, и ее влиянием можно пренебречь.

Что касается самого корпуса МУРЗ, то он должен быть тщательно изолированным (выполненным из пластмассы), с принятием дополнительных мер по предотвращению выноса опасного потенциала на поверхность этого корпуса. Такими мерами могут быть: закрытие экрана дополнительной прозрачной пластмассовой панелью; вывод управляющих кнопок на поверхность корпуса через изоляционные проставки; подвод света со светодиодов на световое табло, расположенное на поверхности корпуса, через жесткие пластмассовые световоды; использование изолированного оптического порта для подключения внешнего компьютера к МУРЗ. В общем это такие же простые приемы обеспечения безопасности, которые приняты при отсутствии заземления в ручных электроинструментах с, так называемой, двойной изоляцией и не представляют никакой особой сложности в их практической реализации.

Что касается снятия возможного электростатического заряда, который может накопиться на изолированном корпусе МУРЗ, то эта проблема может быть решена нанесением тонкого высокоомного полупроводящего покрытия на внутреннюю поверхность пластмассового корпуса и соединением ее с заземленным стальным корпусом через специальный высоковольтный (50...100 кВ) высокоомный (около 50 МОм) резистор. Электростатический заряд будет стекать на землю через такой резистор. Технология нанесения таких покрытий хорошо отработана и широко применяется в современной электронной аппаратуре. Компактные высокоомные резисторы на напряжение 50...100 кВ также не являются дефицитом и выпускаются многими компаниями, например: Caddock Electronics, Arcol, Ohmite, Welwyn Components и др.

По нашему мнению, предлагаемое техническое решение позволит обеспечить высокий уровень помехоустойчивости МУРЗ и в реально существующих сегодня естественных условиях эксплуатации, и в экстремальных условиях при воздействии ЭМИ ЯВ или других технических средств деструктивного дистанционного электромагнитного воздействия [4]. При этом затраты на реализацию предложенного технического решения не будут какими-то неподъемными для электроэнергетики. Они могут быть даже существенно меньше, чем затраты на реконструкцию старой системы заземления на многих объектах электроэнергетики, не обеспечивающей нормальное функционирование МУРЗ в существующих условиях эксплуатации.

 

Литература

1. IEC 60950-1: 2013 Information technology equipment – Safety – Part 1: General requirements.

2. Кузнецов М.Б., Матвеев М.В. Защита от вторичных проявлений молнии и обеспечение ЭМС МП аппаратуры на объектах нефтегазовой отрасли // Энергоэксперт. – 2007. – №2. – С.61–65.

3. Whitaker J.C. Electronic Systems Maintenance Handbook, Second Edition – CRC Press (Taylor & Francis Group), Boca Raton – New York – London, 2001.

4. Гуревич В.И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты. Проблемы и решения. – М.: Инфра-Инженерия, 2014.

5. Ильин В.Ф., Ильин Н.В. Заземление в шкафах микропроцессорных защит // Релейная защита и автоматизация. – 2015. – №1. – С.26–30.

6. IEC 60364-5-548: 1999.Electrical installations of buildings – Part 5: Selections and erection of electrical equipment – Section 548: Farthing arrangements and equiponential bounding for information technology installations.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus