Нормы и требования к электромагнитной совместимости и качеству электроэнергии в электроэнергетических системах

Электромагнитная совместимость (ЭМС) представляет собой широкое понятие, характеризующее электромагнитное взаимодействие любых электротехнических и радиотехнических устройств. Функционирование таких устройств, как правило, происходит в условиях электромагнитных помех (ЭМП), которые создаются самими же устройствами [83, 84, 152].

Электромагнитные помехи – это нежелательное воздействие электромагнитной энергии, которое может ухудшить показатели качества функционирования электрооборудования [114].

В теории ЭМС различают помехи, распространяемые по проводникам (кондуктивно) и через окружающую среду посредством электромагнитного поля. Для кондуктивных помех средой распространения является электрическая сеть, а также элементы электрооборудования, связанные кондуктивно, т.е. имеющие электрическое соединение. В таком случае электромагнитная среда формируется в результате электроэнергетических процессов, протекающих при производстве, передаче и потреблении электроэнергии. Для полевых помех средой распространения является окружающее пространство [90, 114].

Все электромагнитные помехи оказывают отрицательное влияние на нормальное функционирование электрооборудования, которое в категориях ЭМС можно только условно разделить на источники ЭМП и элементы восприимчивые к ним, так как одно и тоже электрооборудование в большей или меньшей мере можно отнести как к одной группе, так и к другой. Среда, через которую взаимодействует электрооборудование, таким образом, является носителем помех.

Электромагнитная совместимость определяет возможность нормального функционирования электрооборудования в электромагнитной среде при условии ограничения уровня ЭМП вносимых в среду данным электрооборудованием, а также воздействующих на него со стороны среды. Идеальные условия электромагнитной совместимости обеспечены быть не могут, поэтому электромагнитные помехи всегда допустимы, но в определенных пределах. Допустим и определенный уровень эмиссии ЭМП.

Особо актуальным для любых электроэнергетических систем является вопрос качества электроэнергии (КЭ) [51, 133, 184]. Качество электроэнергии – понятие во многом тождественное ЭМС, однако относящееся к кондуктивным помехам и характеризующее только электрическую сеть – кондуктивную среду, через которую взаимодействуют источники и приемники электроэнергии. Установленные для этой среды допустимые уровни ЭМС называют показателями КЭ.

Ведущими организациями, которые определяют стандарты ЭМС и КЭ, являются: Международная электротехническая комиссия (МЭК), Европейский комитет по стандартизации в области электротехники (СЕНЕЛЕК) и Международный специальный комитет по радиопомехам (СИСПР).

Помимо международных, в ряде стран используются, также, и внутригосударственные стандарты, например: IEEE-519 (США), AS 2279 (Австралия), G5/3 (Британия), EN61800 (Центральная Европа), ГОСТ13109-97 (страны СНГ) и др.

Электромагнитная совместимость сети и электрооборудования обеспечивается, если уровень его помехоустойчивости выше предельно-допустимых значений показателей КЭ.

Все одиннадцать показателей, установленные ГОСТ13109-97, могут быть условно разделены на три группы. К первой группе можно отнести отклонения частоты и напряжения, которые связаны с особенностями технологического процесса производства и передачи электроэнергии. Качество регулирования данных параметров определяет их уровень в электроэнергетической системе. Ко второй группе можно отнести показатели, характеризующие несинусоидальность формы кривой напряжения, несимметрию и колебания напряжения. Причинами их ухудшения являются, главным образом, электроприемники. К третьей группе можно отнести показатели, характеризующие случайные электромагнитные явления и электротехнические процессы, неразрывно связанные с технологическим процессом производства, передачи и потребления электроэнергии. К ним относятся провалы напряжения, перенапряжения и импульсы напряжения, которые возникают в ЭЭС в большинстве случаев в результате коммутаций электрооборудования, а также под воздействием разрядов молний [90].

Показатели КЭ первых двух групп нормируются ГОСТ13109-97 и на них устанавливаются два уровня: нормальный и предельный. Показатели третьей группы не нормируются, однако статистическая информация о них имеет большое значение для эксплуатации электроэнергетических систем [44, 90].

Среди всех нормативных показателей КЭ для судовых ЭЭС важнейшим является несинусоидальность напряжения сети, допустимые уровни которой регламентируется требованиями классификационных обществ (DNV, LLOYD, ABS, VERITAS), а также Морским Регистром Судоходства Украины [44, 116]. Соответствие стандартам всех остальных показателей КЭ в условиях судовых ЭЭС сравнительно легко обеспечивается благодаря наличию автоматического регулятора возбуждения и системы регулирования частоты генераторов судовой электростанции, в то время как несинусоидальность напряжения связана с наличием кондуктивных ЭМП, генерируемых в сеть нелинейными нагрузками. Оценка и снижение уровней таких ЭМП требуют детального предварительного исследования схем, состава и режимов работы судовых ЭЭС.

Состав и режимы работы судовых электроэнергетических систем

Среди различных судовых систем особое место занимает электроэнергетическая система (ЭЭС), являющаяся совокупностью устройств, объединенных процессом генерирования, преобразования и распределения электроэнергии. К таким устройствам относятся: генераторные агрегаты (ГА), главные и вторичные распределительные щиты (РЩ), преобразователи электроэнергии, кабельные линии [64, 69, 170].

На специализированных буровых судах и морских сооружениях наибольшее распространение получили электроэнергетические системы переменного и двойного рода тока с повышенным (6,3 кВ; 11 кВ) или нормальным напряжением (400 В), частотой 50 Гц. Суммарные мощности генераторов в таких системах достигают десятков – сотен мегаватт, а протяженность КЛ – сотен километров [12].

Взаимовлияние элементов ЭЭС, сопровождающее процессы производства, передачи и потребления электроэнергии, обусловливает многообразие и многочисленность переходных процессов сопутствующих изменению электромагнитного и электромеханического состояния электрических машин, аппаратов и устройств.

Центральными проблемами судовых электроэнергетических систем являются обеспечение ЭМС и повышение качества электроэнергии [69, 91, 92, 150]. Актуальность этих вопросов объясняется непрерывным ростом в ЭЭС относительного содержания мощных электроустановок с полупроводниковыми преобразователями (ПП): управляемыми выпрямителями (УВ) и преобразователями частоты (ПЧ) [58, 67, 69, 142, 202, 218].

Коммутационные процессы, вызванные работой таких устройств при наличии паразитных параметров в ЭЭС, обуславливают появление кондуктивных низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) электромагнитных помех соответственно в диапазонах 0…2,5 кГц и 2,5 кГц…n10 МГц. Данные помехи значительно ухудшают качество вырабатываемой и потребляемой электроэнергии, а также снижают эффективность характеристик генераторов (источников), потребителей (нагрузок) и судовых электроэнергетических систем в целом [71, 72, 148].

Судовые потребители можно классифицировать по ряду признаков. Среди них особую группу составляют ответственные потребители (ОП), обеспечивающие движение, управление морским объектом и его живучесть в различных режимах.

Весь период эксплуатации бурового судна и его ЭЭС условно разбивают на режимы: стояночные, ходовые, аварийные, специальные [148].

Крайне ответственным для судна являются режимы манев­ров и стоянки (хода) с эксплуатацией технологи­ческого оборудования (режим бурения). Они характеризуется работой мощных ПП, питающих систему динамического позиционирования (СДП) и технологические механизмы бурового комплекса, обуславливающие значительные искажения кривой напряжения в судовой ЭЭС.

Система динамического позиционирования предназначена для удержания судна над скважиной с точностью 1…3 м, как при выполнении работ, так и в режиме штормового отстоя. Интеллектуальная часть СДП содержит датчики положения и внешних возмущений (ДП и ДВ), гироскопы (ГС), GPS, контроллеры, источники бесперебойного питания (ИБП). Силовая часть СДП включает гребные электроустановки (ГЭУ) и мощные подруливающие устройства (ПУ) [69, 166, 170].

Морские регистры четко регламентируют состав и характеристики систем динамического позиционирования. Например, ABS в руководстве «Guide for Thrusters and Dynamic positioning systems» устанавливает следующую классификацию судов с динамическим позиционированием [69, 166, 174]: DPS-0 – наличие централизованной системы ручного позиционирования (РП) судна и автопрокладки курса (АК) без дублирования (рис.1.1,а); DPS-1 – наличие полностью автоматизированной СДП дублируемой системами РП и АК (рис.1.1,б); DPS-2 – наличие двух полностью автоматизированных СДП дублируемых системами РП и АК (рис.1.1,в); DPS-3 – требования DPS-2 дополняются возможностью работы при пожаре или затоплении одного из отсеков (рис.1.1,г). Аналогичные требования к судам с динамическим позиционированием предъявляются Lloyd (DP) и DNV (DYNPOS) [161].

а	в
б	г
Рис.1.1. Структурные схемы СДП: а – DPS-0; б – DPS-1; в – DPS-2; г – DPS-3

Отказы таких систем, обусловленные низким КЭ в судовых ЭЭС, являются причиной ухода с точки бурения и потери технологического инструмента стоимостью до двух млн. долл. США [69, 170].

Примером бурового судна класса DPS-1 является «Газпром-1» (пр.16280, ХСЗ, Украина, 1998г.), предназначенное для выполнения работ на глубинах до 1500 м. Основу его ЭЭС двойного рода тока, показанной на рис.1.2, составляет система шин ГРЩ1 (6,3 кВ) и ГРЩ2 (0,4 кВ), соединенных посредством силовых понижающих трансформаторов. К ГРЩ1 непосредственно подключены шесть главных дизель-генераторов (ДГ), а также синхронные электродвигатели двигатели (СД): два – гребных и пять – водометных ПУ с винтами регулируемого шага (ВРШ). Через понижающие трансформаторы к ГРЩ1 подключены пять комплектных трехфазных мостовых ТП для питания электроприводов постоянного тока технологических механизмов бурового комплекса. К шинам ГРЩ2 подключены потребители собственных нужд. Потребители собственных нужд и ОП (вторичные источники питания, системы автоматики и защиты) питаются от ГРЩ2 [58, 218].

В отличие от «Газпром-1», представитель класса DPS-2 – судно «Discover enterprise» (Верфь Астано, Испания, 1999г.) имеет диапазон рабочих глубин до 3000 м. Схема его ЭЭС показана на рис.1.3. Шесть подруливающих устройств (три в кормовой и три в носовой части) обеспечивают как движение судна в море, так и позиционирование его над скважиной. Все судовые потребители питаются от семи ГА, из которых шесть – основные и один – аварийный. Секции ГРЩ1 высокого напряжения (11 кВ) и ГРЩ2 низкого напряжения (0,48 кВ) коммутируются автоматическими выключателями (АВК). Синхронные двигатели ПУ работают от непосредственных преобразователей частоты (НПЧ), а технологические механизмы подключены к ГРЩ1 через понижающие трансформаторы. Интеллектуальная часть СДП подключена к общим шинам и является приемником ЭМП, обусловленных работой мощных ПП.

На рис.1.4 показана схема ЭЭС бурового судна класса DPS-3, предложенная фирмой «Cegelec». Секционирование ГРЩ (11 кВ) и наличие устройств автоматической коммутации шин обеспечивают резервирование мощности ГА и возможность работы ОП даже при серьезных авариях судовой электростанции, затоплении или пожарах в отсеках [161].

В ЭЭС работают восемь основных ГА (по два на секцию ГРЩ). К ГРЩ подключены непосредственные преобразователи частоты, питающие восемь гребных электродвигателей подруливающих устройств (ПУ1–ПУ8), а также две многоприводные системы цементировочных насосов (ДЦН1–ДЦН4) и брашпилей (БД1–БД8). Устройства гидравлики и понтона соединены с ГРЩ через понижающие трансформаторы (Т8–Т16).

Рис.1.2. Схема электрическая принципиальная ЭЭС бурового судна «Газпром-1» (DPS-1)

	Рис.1.3. Схема электрическая принципиальная ЭЭС бурового судна «Discoverer Enterprise» (DPS-2)
	Рис.1.4. Схема электрическая принципиальная ЭЭС перспективной ЭЭС бурового судна класса DPS-3

Основные типы полупроводниковых преобразователей судовых технологических, гребных и подруливающих электроустановок

Анализ ЭЭС рассмотренных в п.1.2 показывает, что в электроприводах буровых судов наиболее часто используется два класса ПП: управляемые выпрямители (УВ), (НПЧ) и преобразователи частоты с автономными инверторами напряжения (ПЧ с АИН) [69, 153, 154, 155]. УВ обладают рядом существенных недостатков: значительные гармонические искажения напряжения питающей сети в НЧ и ВЧ области, малый коэффициент мощности, значительные эксплуатационные расходы [69, 202].

Широкомасштабное применение ПЧ в гребных электроустановках (ГЭУ) и технологических электроприводах бурового комплекса объясняется рядом их преимуществ: низкие массогабаритные показатели; высокая износоустойчивость и КПД; высокий коэффициент мощности; малый уровень акустических шумов [69, 170, 145, 212, 216].

На рис.1.5 представлены основные типы судовых ПЧ: непосредственные преобразователи частоты, преобразователи частоты с автономными инверторами тока (АИТ) и напряжения (АИН) [21, 24, 202, 89, 128, 173, 176].

Силовая часть трехфазно-трехфазного НПЧ с естественной коммутацией (рис.1.5,а) аналогична структуре реверсивного УВ, содержащей вентильные группы ( – число фаз нагрузки) [15, 218].

Благодаря высокой производительности и устойчивости к значительным перегрузкам НПЧ используются в гребных электроприводах (ГЭП) большой мощности. К примеру, на судне «Discoverer Enterprise» НПЧ работают в электроприводах ПУ. В ПЧ с АИТ (рис.1.5,б) заданный уровень тока в дросселе L поддерживается входным УВ. Нагрузкой таких ПЧ могут быть СД или АД с КЗ ротором. Преимущество установок с СД заключается в естественной коммутации тиристоров АИТ за счет противо-ЭДС двигателя. Использование АД требует дополнительного включения регулируемых источников реактивной мощности на выходе АИТ. ПЧ с АИТ применяют в ГЭП большой мощности буровых судов.

а	б
в	г
д	е
ж
Рис.1.5. Схемы судовых ПЧ: а – трехфазно-трехфазный НПЧ; б – ПЧ с АИТ; в – ПЧ с АИН; г – многоприводная система с АИН и общим УВ; д – ШИМ ПЧ с двухуровневым АИН; е,ж – ПЧ с 18 и 24 - фазным выпрямлением

В ПЧ с АИН (рис.1.5,б) постоянное выходное напряжение неуправляемого выпрямителя (НВ) через LC - фильтр поступает на вход инвертора с ШИМ, который обеспечивает близкий к синусоидальному ток приводного двигателя. Ранее сфера применения таких ПЧ на судах ограничивалась электроприводами средней мощности палубных и вспомогательных механизмов.

Освоение производства IGBT модулей с токами до 2000 А и напряжениями до 4500 В позволило преобразователям частоты с АИН вытеснить НПЧ из состава судовых электроприводов, в том числе и ГЭП мощностью до 3,5 МВт.

На современных буровых судах часто используются многоприводные системы с общей шиной постоянного тока и единым реверсивным УВ (рис.1.5,г). Они обеспечивают эффективную работу технологических механизмов бурового комплекса, экономичны и могут функционировать при провалах напряжения. Эффективность использования низковольтных (до 0,4 кВ) ПЧ с АИН в судовых электроприводах обусловила появление аналогичных преобразователей большей мощности, рассчитанных на входные напряжения до 6,6 кВ (рис.1.5,д). Такие ПЧ используются установках электродвижения, например, на буровом судне «Pride Africa» ПУ VDM5000 (7х4500 кВт).

Одной из главных задач на этапе проектирования судовых ЭЭС является прогнозирование влияния рассмотренных ПП на питающую сеть. Обусловленные ими искажения сетевого тока и напряжения снижают рабочие характеристики и срок службы электрооборудования, подключенного к общему источнику.

Повышение КЭ в судовых ЭЭС с ПП может достигаться следующими способами: оптимизация полных сопротивлений трансформаторов и реактивных сопротивлений генераторов [11, 12]; использование многофазных преобразователей и способов управления ШИМ и амплитудно-импульсной модуляции [129, 48]; фильтрация гармоник. Первый способ малоэффективен и приводит к увеличению массогабаритных показателей электротехнических устройств. Второй способ сложно реализуем технически, но обеспечивает низкие уровни искажений тока и напряжения сети.

Таблица 1.1 Основные характеристики судовых ПЧ	дв. max, об/мин	500	5000	2000	2000	2000	х – параметры зависят от количества используемых АИН.
	Тип приводного двигателя	СД	СД, АД	СД, АД	СД, АД	СД, АД
	fвых max, Гц	0,4fвх	не более fвх	не более 300	не более 300	более 300
	Umax, кВ	4	10	6,9	х	6,6
	Pmax, МВт	30	100	3,5	х	20
	Реверс и рекуперация	+	+	–	+	–
	Диапазон регулирования скоростей двигателей	1000:1	10:1	1000:1	1000:1	1000:1
	Тип вентилей	SCR	SCR	SCR, IGBT	SCR, IGBT	SCR, IGBT
	Фазность выпрямления	6	6	6	6	6, 12, 18, 24
	Тип ПЧ	НПЧ	ПЧ с АИТ	ПЧ с ШИМ АИН низкого напряжения	Много приводная система ПЧ с ШИМ АИН	ПЧ с ШИМ АИН среднего напряжения

Схема ПЧ с 18-фазным выпрямителем (рис.1.5,е) требует наличия специального трансформатора и по сравнению с ПЧ (рис.1.5,ж) имеет ряд недостатков [11, 12].

Минимальные уровни искажений тока, потребляемого ПЧ, обеспечиваются при использовании 24-фазной схемы (табл.Б.2.1). При выходе из строя одной ее части, вторая обеспечивает 50 % мощности, передаваемой в нагрузку, а уровень потребляемых гармоник соответствует случаю 12-фазной схемы.

ПЧ со звеном постоянного тока повышенной фазности позволяют существенно снизить помехи только в НЧ области спектра, но при этом являются генераторами помех в ВЧ области [69].

Особенности электромагнитных процессов, обусловленных паразитными параметрами элементов ээс бурового судна, и влияние искажений напряжения на работу ответственных потребителей

Максимальные преобразовательные нагрузки на буровых судах имеют место в наиболее ответственных режимах – при использовании технологического оборудования. Работа ЭЭС именно в этих режимах представляет особый интерес, так как сопровождается значительными искажениями формы сетевого тока (напряжения) и отказами судовых потребителей. Основной причиной таких искажений (ЭМП) являются коммутационные процессы в силовых цепях, обусловленные ключевым характером работы активных элементов. К другим причинам формирования ЭМП относятся высокочастотные колебания, обусловленные коммутацией силовых вентилей, за счет энергии, запасенной в реактивных элементах цепи, которые образуют резонансные контуры; переходные процессы при подключении и отключении ПП от сети; скачкообразные изменения питающего напряжения и нагрузки; сквозные токи; динамические свойства элементной базы применяемой в ПП.

Для анализа электромагнитных процессов при наличии паразитных параметров ЭЭС показательно использовать реальные данные, полученные при швартовных испытаниях судна «Газпром-1» в условиях максимально приближенных к выполнению буровых работ.

Испытания предусматривали следующий состав основных элементов ЭЭС: один главный дизель-генератор; потребители собственных нужд и общесудовые потребители (освещение, вентиляция и т.д.) суммарной мощностью 10-15% от мощности ГА; технологические насосы (мощностью 1000 кВт) для создания искажений напряжения (ЭМП).

Оценка влияния ЭМП, обусловленных работой ТП электроприводов буровых насосов на работу ОП выполнялась при номинальном выпрямленном токе А, и различных значениях выпрямленного напряжения В; В; В в установившихся и пусковых режимах. Для проверки влияния искажений напряжения на работу потребителей были включены: агрегаты выпрямительные питания системы автоматики ДГ; агрегат выпрямительный ВП питания системы динамической стабилизации (СДС) судна; агрегаты выпрямительные для питания общесудовых потребителей ВАС1...ВАС5; доплер-лаг; гировертикаль; система гидроакустическая система (ГАС) "Сухона"; DIPS системы динамической стабилизации; громкоговорящая связь и трансляция; системы пожарной сигнализации; преобразователи питания системы управления УВ7 и УР7; РЭА. Во всех исследуемых режимах включались секционные автоматы BC5.1–BC5.3 для проверки возможностей их ложного отключения.

Осциллографирование и измерение коэффициента несинусоидальности напряжений ( ) на ГРЩ1 (6,3 кВ), ГРЩ2 (0,4 кВ) и щите питания потребителей комплекса радиосвязи и радионавигации (РЩ РС/РН) до и после штатных помехозащитных фильтров типа ФЕ выполнялось по схеме.

Полученные значения , а также режимные параметры преобразовате­льной нагрузки электроприводов бурового комплекса представлены в табл.1.2..

Таблица 1.2

Результаты измерения коэффициента несинусоидальности напряжений в ээс бурового судна «Газпром–1»

№ режима	Преобразовательная нагрузка бурового комплекса			Общесудовая нагрузка			Суммарная мощность	, %
	Мощность , кВт	Выпрямленное напряжение , В	Выпрямленный ток , А	Мощность , кВт	Напряжение , В	Ток , А		ГРЩ1 (6,3 кВ)	ГРЩ2 (400 В)	РЩ РС/РН (230 В)
1	462	420	1100	430	6300	50	900	13	13	7
2	248	620	400	430	6300	50	680	9,5	9,5	5
3	48	40	1200	430	6300	50	480	15	15	8
4	12	20	600	430	6300	50	450	11,5	11,5	6
5	14	20	700	430	6300	50	450	13	13	7

а	в
б	г
Рис.1.6. Осциллограммы линейных напряжений: а,б – на ГРЩ1 в режиме 1 и 2; в,г – на ГРЩ2 в режиме 1 и 2

а	б
Рис.1.7. Осциллограммы линейных напряжений на РЩ РС/РН: а – в режиме 1; б – в режиме 2

Осциллограммы линейных напряжений на шинах ГРЩ1, ГРЩ2 для режима №1, а также напряжения на шинах РЩ РС/РН для режима №5 представлены на рис.1.6–1.7. Максимальное значение коэффициента несинусоидальности напряже­ний на шинах ГРЩ1 и ГРЩ2 наблюдается в режиме №3 ( А, В). Соответствующее максимальное значение на шинах РЩ РС/РН составляет 8%.

Результаты измерений позволяют сделать следующие основные выводы: 1) значения на шинах ГРЩ1 и ГРЩ2 в эксплуатационных режимах могут существенно превысить предусмотренную Правилами Регистра предельную допустимую величину, равную 10%; 2) в составе напряжений на шинах ГРЩ1 и ГРЩ2 присутствуют значительные ВЧ–колебания, сопровождающие коммутацию вентилей, амплитуды которых соизмеримы с амплитудой основной гармоники. Наличие данных колебаний, существенно влияющих на увеличение результирующего значения , обусловлено паразитными емкостями ЭЭС; 3) наличие штатных помехозащитных фильтров типа ФЕ, подключенных к шинам РЩ РС/РН (230 В) ограничивает максимальное значение коэффициента несинусоидальности соответствующего напряжения в допустимых пределах; 4) превышение на ГРЩ2 допустимого значения приводит к необходимости проверки условий функционирования ответственных потребителей, подключенных к ГРЩ2 в соответствующих режимах.