Требования к портам оперативного питания

в технических условиях цифровых устройств релейной защиты

 

        До настоящего времени разработчики цифровых устройств защиты и автоматики энергосистем должны были руководствовались общими техническими требованиями, изложенными в двух разделах руководящего документа [1]:

- 4.4 «Требования к помехозащищенности»;

- 4.5 «Требования к условиям питания оперативным током».

Некоторые минимально необходимые изменения отраслевого РД были предложены в двух ранее изданных статьях [2, 3].

        За последнее время появились новые международные и российские стандарты, а в 2010 году введены два стандарта ОАО «ФСК ЕЭС» [4, 5].

        В связи сем, что во всех новых документах основной упор сделан на ужесточение требований к помехоустойчивости цифровых устройств релейной защиты, целесообразно рассматривать цепи питания цифровых устройств прежде всего как порты – границы между устройством и внешней электромагнитной средой. В этом случае любое изменение характеристик источника питания рассматривается как помеха, поступающая на входной порт электропитания цифрового устройства – технического средства (рис. 1).

 

 

        Такой подход реализован во многих стандартах по электромагнитной совместимости технических средств, используемых на электростанциях и подстанциях [6] и на атомных станциях [7].

Обратимся сначала к разделу 4.5 документа [1], где регламентированы требования к условиям питания оперативным током.

            Фактически в этом разделе содержатся требования как к внешним источникам питания цифровых устройств, так и к цепям оперативного питания самих устройств, т.е. к входным портам.

Рассмотрим вначале требования к внешним источникам оперативного питания. Например, в п.п. 4.5.1 указано, что питание цифровых устройств должно производиться от сети:

- оперативного постоянного тока с аккумуляторной батареей (см. столбец «постоянный ток» в табл. 1);

        - выпрямленного оперативного тока (см. столбец «выпрямленный ток» в табл. 1).

 

Таблица 1. Требования к первичным сетям оперативного тока по [1] [1].

 

 

Не смотря на то, что в настоящее время широко распространены сети переменного оперативного тока[2] напряжением 220 и 100 В, требования к ним в документе [1] отсутствуют.

Кроме этого, в РД [1] отсутствуют требования к сетям оперативного постоянного тока напряжением 110 В, а также к сетям напряжением 48 или 24 В.

Что касается сети выпрямленного оперативного тока, то приведенные в РД [1] требования относятся непосредственно к той сети, которая питает выпрямитель, что видно из наличия в табл. 1 такой характеристики как число фаз. В то же время, требования к напряжению на выходе выпрямителя (выпрямленного напряжения) в РД не регламентированы.

        Требования к портам электропитания цифровых устройств в рассматриваемом РД различны для каждого из типа сетей. Согласно [1] цифровые устройства «должны сохранять заданные функции без

изменения параметров и характеристик срабатывания» при изменениях параметров сетей оперативного питания в соответствии с табл.2.

 

Таблица 2. Требования к портам электропитания по [1].

 

 

        Как видно из табл. 2, в число характеристик включена несимметрия первичного трёхфазного напряжения, поступающего на вход выпрямительного агрегата.

Понятно, что данная характеристика не имеет отношения к цифровому устройству и должна учитываться проектантом сети оперативного питания, аналогично тому, как учитывается условие 3[4], записанное в

п.п.3.5.5 [8].

Учитывая изменения, произошедшие в государственных, национальных и отраслевых стандартах, требования к портам электропитания должны быть существенно расширены. Поэтому в новой редакции технических условий [9] зафиксированы как новые характеристики, так и измененные требования к старым.

        Основная характеристика сети оперативного питания и цифрового устройства – номинальное напряжение оперативного питания. Поэтому в новой редакции п. 4.5.1 РД [1] предлагается написать:

 

 

Данная характеристика записана в таком же виде и в стандарте технических условий [9].

Напряжение питания может изменяться во времени медленно (статические изменения) или быстро (динамические изменения).

В технических условиях [9] на конкретное изделия общей фразой ограничиться невозможно, поэтому в них записано:

 

 

Таблица 3. Диапазоны изменения напряжения оперативного питания

 

 

        Диапазон изменения выходного напряжение комбинированных источников питания [10] также должен соответствовать приведенным в табл.3.

Что касается динамического изменения напряжения оперативного питания, то в [1] и в других нормативных документах, например [6] и [7], регламентированы:

- провалы напряжения;

- выбросы напряжения;

- прерывания напряжения.

Причинами возникновения динамических изменений напряжения оперативного питания являются короткие замыкания и другие процессы в системе электроснабжения.

Допустимые значения провалов напряжения оперативного переменного тока и длительность их изменения, регламентированные в разных стандартах, сведены в табл. 4.

 

Таблица 4 Нормированные значения длительности провала напряжения оперативного переменного тока

 

 

Согласно ГОСТ Р 51317.4.11 [11] провал напряжения представляет собой резкое понижение напряжения в определенной точке системы электроснабжения ниже заданного порогового значения с последующим возвращением к исходному значению через короткий промежуток времени. Как помеха, провал характеризуется двумя параметрами – изменением напряжения и его длительностью.

График изменения напряжения при провале до 70% Uном в течение 25 периодов показан на рис. 2.

 

 

Согласно документам [6, 7] допустимая длительность провала напряжения не зависит от номинального напряжения.

Стандарт [7] выделяет несколько групп исполнения цифровых устройств по устойчивости к помехам, с разными требованиями для каждой из групп. В то же время в документе [6] предъявляются одинаковые требования по устойчивости к провалам напряжения для электроустановок среднего и высокого напряжения. Отметим, что такой подход более соответствует сложившей практике. Более того, практически все изготовители цифровых устройств выпускают только одно исполнение устройства по устойчивости к помехам в цепях электропитания.

        Аттестационные испытания устройств, выпускаемых НТЦ «Механотроника», показали, что все они сохраняют работоспособность (критерий качества функционирования А по ГОСТ Р 50746[9]) при провалах переменного напряжения (номинальное значение Uном = 220 В) на 60%, 30% и 20% без ограничения продолжительности.

Такой результат был вполне ожидаем, так как все эти устройства предназначены для работы при статических изменениях напряжения оперативного питания в диапазонах, указанных выше в табл. 3.

Поэтому в новую редакцию ТУ [9] для цифровых устройств с номинальным напряжением оперативного питания 220В включено только одно требование:

 

 

Для цифровых устройств с номинальным напряжением оперативного питания 100В переменного тока новую редакцию ТУ [9] включены несколько отличающиеся требования:

 

 

Рассмотрим теперь требования, предъявляемые в нормативных документах к устойчивости при провалах напряжения в сетях постоянного или выпрямленного оперативного тока. В стандарте [7] нормы установлены в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51317.4.11 [11], то есть только для сетей переменного тока (табл. 5).

 

Таблица 5 Нормированные значения длительности провала напряжения оперативного постоянного или выпрямленного тока

 

 

В документе [6] требования для входных портов постоянного тока установлены по нормам стандарта [12], пока не действующего не территории России.

Аттестационные испытания устройств, выпускаемых НТЦ «Механотроника» показали, что они сохраняют работоспособность при провалах постоянного или выпрямленного напряжения оперативного питания, превышающих значения, указанные в табл. 5, что позволило включить в новую редакцию ТУ [9] такое требование:

 

 

Требования по устойчивости к выбросам переменного напряжения оперативного питания установлены в стандарте [7], но отсутствуют в стандарте [6]. Для каждой из четырех групп исполнения цифрового устройства по устойчивости к помехам установлена разная продолжительность действия данной помехи при одном и том же значении испытательного напряжения (табл. 6)

 

Таблица 6 Нормированные значения длительности выброса напряжения оперативного переменного тока в [7].

 

 

Испытания устройств, выпускаемых НТЦ «Механотроника» показали, что все они сохраняют работоспособность при выбросах переменного, постоянного или выпрямленного напряжения оперативного питания, что позволило включить в новую редакцию ТУ [9] такое требование:

 

 

Обратим внимание, что выполнение данного требования полностью соотносится с тем, что рассматриваемые цифровые устройства допускают длительную работу при превышении напряжения оперативного питания на 20% (см. табл. 3). Рассмотрим теперь требования, предъявляемые к устойчивости цифровых устройств при прерываниях напряжения оперативного питания.

Согласно ГОСТ Р 51317.4.11 [10] кратковременным прерыванием напряжения называется резкое понижение напряжения ниже заданного порогового значения с последующим возвращением к исходному значению через короткий промежуток времени.

Такие кратковременные прерывания напряжения обычно связаны с процессами коммутации, вызванными появлением и окончанием коротких замыканий в системе электроснабжения или установках, подключенных к ней. Характер изменения напряжения при возникновении та-кой помехи показан на рис. 2, взятом из [10].

 

 

На рис. 2 приняты такие сокращения:

tr – время нарастания напряжения;

tf – премя понижения напряжения;

ts – время выдержки на пониженном напряжении;

Uт – среднеквадратичное значение напряжения.

Требования к характеристикам этой помехи (значение напряжения и его длительность), установленные в нормативных документах, приведены в табл. 7.

 

Таблица 7 Нормированные значения длительности прерывания напряжения оперативного переменного тока

 

 

В стандарте [10] предусмотрено несколько классов электромагнитной обстановки.

При этом для класса «1» написано, что уровни испытательных напряжений и длительности прерывания напряжения устанавливают в каждом конкретном случае в соответствии с техническими документами на изделие. Поэтому в данной работе будем ориентироваться на требования, установленные в стандарте [6].

Сравнение требований, приведенных в табл. 7 показывает, что наиболее жесткие требования предъявлены в стандарте [6] для портов электропитания, непосредственно подключенных к низковольтным системам электроснабжения общего назначения.

Аттестационные испытания устройств, выпускаемых НТЦ «Механотроника» показали, что они сохраняют работоспособность при прерываниях переменного напряжения оперативного питания, в течение разных промежутков времени, в зависимости от исполнения устройства и номинального напряжения оперативного питания. Поэтому  в новую редакцию ТУ [9] включены такие требования по устойчивости к воздействию помехи этого вида:

 

 

 

 

Отметим, что хотя блоки типа А были разработаны задолго до появления действующих в настоящее время требований по устойчивости к прерываниям напряжения, они соответствуют им, но только при

номинальном напряжении оперативного питания 220 В.

Одновременно следует отметить, что все блоки по устойчивости к воздействию прерывания напряжения соответствуют требованиям для крайне жёсткой электромагнитной обстановки (группа IV) по [7].

Новые блоки типов Б и В полностью соответствуют современным требованиям по устойчивости к прерываниям напряжения.

В стандарте [10] для классов «2» и «3» установлены одинаковые требования - испытательное напряжение равно 0% Uном, а длительность прерывания – 250 периодов, т.е. 5 с. Для класса «4» уровни испытательных напряжений и длительности кратковременных прерываний напряжения должны быть установлены техническими комитетами, разрабатывающими стандарты на ТС конкретного вида. При этом для ТС, подключаемых к общественным распределительным электрическим сетям низкого напряжения, уровни испытательных напряжений и длительности провалов напряжения не должны быть менее установленных для класса «2».

Учитывая всё сказанное, для эксплуатации цифровых устройств в условиях электромагнитной обстановки классов «2», «3» и «4» по стандарту [11], а также в сетях оперативного питания с номинальным напряжением 100 или 110 В, рекомендуется применять совместно с цифровыми устройствами комбинированные блоки питания [10, 13, 14], что позволит повысить устойчивость работы цифровых устройств при перерывах оперативного питания до 10с во всех случаях.

Рассмотрим теперь такой вид помех, как пульсация напряжения питания постоянного тока. До недавнего времени специальных требований к цепям оперативного питания постоянного тока, не считая приведенных в [1], не предъявлялось. В стандарте [7] требования по устойчивости цифрового устройства к этой помехе отсутствуют. В настоящее время введен в действие стандарт [15], рассматривающий пульсации напряжения оперативного питания как помеху и устанавливающий степени жесткости испытаний и уровень пульсаций (табл. 8).

 

Таблица 8 - Степени жесткости испытаний

 

 

Испытательное напряжение должно подаваться на изделие по крайней мере 10 мин или в течение необходимого периода времени, позволяющего провести полную проверку качества его функционирования.

Для обозначения этой помехи в стандарте [15] введен новый термин – переменная составляющая пульсирующего напряжения – величина, полученная после удаления постоянной составляющей из пульсирующего напряжения (рис. 3).

 

 

Стандартом [15] предусмотрено 5 степеней жесткости испытаний, однако требования, заложенные в [1] позволяют выбрать для ТУ [9] только две из них – 4 и Х. В то же время, стандартом [6] для ТС, поставляемых на электроустановки среднего и высокого напряжения, предусмотрена степень жесткости испытаний «3», для которой пульсации составляют 10%.

        Степени жесткости испытаний, установленные в табл. 8, не зависят от частоты питающей сети. Однако более низкий размах пульсаций напряжения обычно характерен для выпрямительных систем с большим числом выпрямительных элементов, следовательно, имеющих пульсации высокой частоты.

Например, выпрямительная система в виде шестифазной звезды может создавать пульсации размахом 14% на чисто резистивной нагрузке, а в случае подсоединения батарей пульсации будут существенно ниже.

Если характеристики выпрямительной системы и условия ее функционирования неизвестны, при выборе степени жесткости испытаний необходимо предусматривать определенный запас, учитывающий возможную ошибку.

Фактически, в действующих ТУ [9] предусмотрена степень жесткости испытаний «Х» (уровень пульсаций 80%).

        Однако, как и при выборе значений других характеристик, зафиксированных в ТУ, необходимо учитывать возможность использования стандартных методов испытаний для подтверждения декларированной характеристики.

        Поэтому в новой редакции ТУ [9] требования по устойчивости к воздействию этой помехи записано:

 

 

В дополнение к рассмотренным выше, цифровое устройство должно быть устойчивым, к воздействию на порты электропитания таких помех:

- затухающие колебательные помехи [1, 6, 7];

- наносекундные импульсные помехи [1, 6, 7];

- микросекундные импульсные помехи большой энергии [1, 6, 7];

- кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями [6, 7];

- напряжение промышленной частоты (для портов электропитания постоянного тока) [6];

- кондуктивные помехи в полосе частот от 0 до 150 кГц [7];

- изменение частоты в системах электроснабжения [7].

Рассмотрение требований по устойчивости к таким помехам выходит за рамки этой работы и поэтому здесь не приводится.

 Некоторые требования к портам оперативного питания предъявляют традиционно и не рассматривают их как помехи. Эти требования в новой редакции ТУ [9] записаны таким образом:

 

 

        Сравнивая перечень требований, приведенных в данной работе, с требованиями, зафиксированными в [1], можно реально представить насколько ужесточились требования к портам питания цифровых устройств.

 

Литература

1. РД 34.35.310-97. Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем. М.:ОРГРЭС, 1997, 36. с.

2. Гондуров С.А., Захаров О.Г. Требования к оперативному питанию цифровых устройств релейной защиты и автоматики// Энергия и менеджмент, сентябрь-октябрь, 2005// Материал можно прочесть, если перейти по ссылке: http://www.maximarsenev.narod.ru/CPRZA.html

3.Захаров О.Г., Козлов В.Н. Корректировка требований к условиям питания оперативным током цифровых устройств защиты, автоматики и сигнализации. // Электротехнический рынок №2 (20) март-апрель 2008 /С.   // Материал также можно прочесть, если перейти по ссылке http://www.market.elec.ru/nomer/19/operativ-tok/

4. СТО 56947007-29.240.043-2010. Руководство по обеспечению электромагнитной совместимости вторичного оборудования и систем связи электросетевых объектов. Стандарт организации. ОАО «ФСК ЕЭС», М.:2010

5. СТО 56947007-29.240.044-2010. Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства. Стандарт организации. ОАО «ФСК ЕЭС», М.: 2010

6. ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанция. Требования и методы испытаний.

7. ГОСТ Р 50746-2000. Совместимость технических средств электромагнитная. Технические средства для атомных станций. Требования и методы испытаний. М.: Госстандарт России, 2001.

8. Правила устройства электроустановок. М.: Госэнергонадзор России, 1998, 588 с.

9. О.Г. Захаров. Опыт выпуска технических условий – стандарта организации.// Стандарты и качество, №12, 2009, С. 50// Материал также можно прочесть, если перейти по ссылке:

http://www.elec.ru/articles/opyt-vypuska-tehnicheskih-uslovij-standarta-organi/

10. Захаров О.Г. Характеристики выходных цепей комбинированных блоков питания (часть 1).// Материал размещен по адресу:http://www.elec.ru/articles/harakteristiki-vyhodnyh-cepej-kombinirovannyh-blok/

11. ГОСТ Р 51317.4.11-2007 (МЭК 61000-4-11:2004). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к провалам, кратковременным прерываниям и изменениям напряжения электропитания. Требования и методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2008.

12. МЭК 61000-4-29:2000. Электромагнитная совместимость. Часть 4-29: Методы испытаний и измерений. Испытания на устойчивость к провалам, коротким прерываниям и изменениям напряжения, воздействующим на входной порт электропитания постоянного тока.

13. Захаров О.Г. Характеристики входных цепей комбинированных блоков питания (часть 2) // Материал размещен по адресу:http://www.elec.ru/articles/harakteristiki-vhodnyh-cepej-kombinirovannyh-blok2/

14. Захаров О.Г. Комбинированные блоки питания и накопители энергии (часть 3) // Материал размещен по адресу:http://www.elec.ru/articles/kombinirovannye-bloki-pitaniya-i-nakopiteli-energi/

15. ГОСТ Р 51317.4.17-2000. (МЭК 61000-4-17-99). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к пульсациям напряжения электропитания  постоянного тока. Требования и методы испытаний.

М.: ИПК Издательство стандартов, 2001 год

16. Захаров О.Г. Требования к цепям оперативного питания цифровых устройств. Результаты периодических испытаний.// Материал размещен:http://energetika.biz.ua/publ/trebovanija_k_operativnomu_pitaniju/1-1-0-61