Некоторые аспекты электроснабжения РЭА в различных направлениях ее применения

Общие сведения

Практически не существует РЭА, для функционирования которой не требовался бы хоть один источник электроэнергии (ИЭ). Потребление РЭА электроэнергии может быть краткосрочным или долговременным, гарантированным или бесперебойным, на постоянном или переменном одно- или трехфазном токе низкой или повышенной частоты. В любом случае, РЭА должна быть адаптирована к регламентированным видам и значениям параметров КЭ этого ИЭ. Соответствие РЭА данному требованию является одним из важнейших факторов, влияющих на способность обеспечения ею заданных функций и значений параметров.

Приведем определение термина «качество электрической энергии» из [1]: «Степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных значений показателей качества». Суть определения очевидна: качество электроэнергии ее источника задается некоторым множеством характеристик и оценивается степенью их совокупного соответствия нормированным показателям.

Виды и численные значения параметров КЭ устанавливаются в НТД общего назначения и по видам техники, имеющих статус государственных стандартов (ГОСТ), в различных нормах, методиках (методических указаниях), квалификационных требованиях и т. п. (со статусом, примерно аналогичным отраслевым стандартам СССР), разработанных ведущими организациями по видам техники, в тактико-технических (ТТЗ) и технических (ТЗ) заданиях на разработку конкретных изделий. В любом из вышеупомянутых НТД нормы КЭ по всем видам его параметров задаются в виде диапазонов их допустимых значений, в которые входят и номинальные (априорно принятые) значения параметров. Поскольку без применения специальных мер технически невозможно обеспечить в любом сечении распределительных линий, передающих электроэнергию от ИЭ к ее потребителям, номинальное значение параметра, то в ряде НТД вводится понятие некоторого дополнительного фиксированного значения, более реального для этого сечения и несущественно отличающегося от номинального. Например, в [2] в качестве таких фиксированных значений используются следующие понятия: для напряжения — «напряжение электро­питания», «согласованное напряжение электропитания» и «опорное напряжение», а для частоты — «частота напряжения электропитания».

При возникновении по различным причинам в ИЭ или сети (системе) электроснабжения (СЭС) определенного электромагнитного явления естественного (природного) или техногенного (связанного с различными видами деятельности человека) характера происхождения во входной цепи электропитания потребителей, в свою очередь, возникают взаимосвязанные электромагнитные возмущения. Они могут вызвать отклонение текущего значения рассматриваемого параметра КЭ от установленного в НТД на ИЭ номинального или другого фиксированного значения. Как правило, ТТЗ (ТЗ) на разработку РЭА, технические условия содержат требования, предполагающие нормальное функционирование РЭА только при значениях параметров КЭ в диапазонах, установленных в соответствующих НТД, то есть при их изменениях в нормативных пределах. В случае выхода значений параметров КЭ в любую сторону за эти пределы возможно ожидать в цепях электропитания РЭА таких силовых электромагнитных воздействий (СЭМВ) на РЭА, распространяющихся кондуктивным путем как между проводникам этих цепей, так и между любым из них и проводом защитного заземления, которые потенциально способны отрицательно повлиять на устойчивое функционирование РЭА или даже привести к ее отказу (повреждению). Здесь, наперекор давно и повсеместно укоренившемуся понятию термина «помеха», как раз будет к месту еще раз [3, 4] призвать читателя все же правильно его понимать (отсюда и отмеченное выше словосочетание «возможно ожидать»): да, СЭМВ со сверхнормативным значением какого-нибудь параметра КЭ может «отрицательно повлиять на устойчивое функционирование РЭА или привести к его отказу (повреждению)», а может — и нет! Все будет зависеть от потенциальной устойчивости конкретной РЭА к конкретному СЭМВ в конкретных условиях ее функционирования.

Поэтому — однозначно: исходное СЭМВ — причина (и только!), а сбой и прочее в РЭА, то есть возможное появление помехи ее работе, — следствие. Другими словами, само СЭМВ «помехой» не является по сути!

В ряде случаев в РЭА закладывается некоторый дополнительный ресурс в виде технологического запаса значений ее основных характеристик по отношению к параметрам КЭ, регламентированным в НТД. Он может быть установлен заказчиком РЭА в ТЗ на ее разработку либо количественно в виде расширенных численных значений параметров КЭ, либо в виде общего «качественного» требования. В других случаях некоторый неафишируемый сверхнормативный ресурс создается инициативно самим разработчиком РЭА при наличии у него соответствующей технической необходимости и возможности. Встречаются и обратные ситуации, когда разработчики РЭА считают данные меры излишними, полагаясь, по-видимому, на обязательное наличие у ИЭ «еврокачества» его параметров, а при отсутствии такового — на возможность и пользу последующего применения санкционных мер по отношению к электроснабжающей организации. В большинстве случаев приходится надеяться на наш национальный ресурс в виде «авось».

К сожалению, некоторые потребители электроэнергии (в их числе есть и разработчики РЭА) считают вполне достаточным интересоваться только значением напряжения ИЭ (его отклонением от номинального значения: на ±10, ±15 или ±20%). Возможно, такой подход уходит корнями в далекое прошлое, когда работа простого бытового и производственного электротехнического оборудования (осветительного, нагревательного, содержащего электромоторы и трансформаторы), обеспечивалась непосредственной подачей напряжения на его исполнительный элемент (устройство) без преобразования какого-либо параметра электроэнергии. Самые массовые и сложные радиоэлектронные устройства того времени — ламповые радиоприемники с трансформаторными блоками электропитания обеспечивали их сносную работу при снижении значения напряжения СЭС до 15–20% от номинального.

Вторая основная электрическая характеристика СЭС — значение частоты переменного тока, важная для оборудования с электродвигателями и трансформаторами, — интересовала потребителей гораздо меньше, чем значение напряжения. Причина — малая нестабильность значения этой частоты (не более 1–2%), обеспечиваемая генераторным оборудованием электростанции, и практическая независимость его от влияния различного электрооборудования, подключаемого к СЭС. Кратковременные всплески и провалы напряжения при молниевых разрядах и коммутационных процессах в СЭС считались вполне естественными событиями, в большинстве случаев не приводящими к серьезным последствиям. Выгорание нейтрального рабочего проводника в трехфазных системах, выполненного из провода с меньшим сечением, чем у фазных проводников, также не было повсеместным и катастрофическим из-за отсутствия значительной асимметрии фазных нагрузок.

В современном мире все давно не так. Даже при отсутствии ощутимых сбоев в работе СЭС по вине электроснабжающей организации КЭ в ней оставляет желать лучшего. Основная и известная всем причина — несоблюдение многими потребителями электроэнергии установленных требований в области электромагнитной совместимости (ЭМС), изложенных в многочисленных НТД. В целом проблема ЭМС для РЭА рассматривается в основном в двух аспектах: мешающее электромагнитное взаимовлияние рассматриваемой РЭА с другими радиоэлектронными (электротехническими) средствами из-за создаваемых ими нерегламентированных высокочастотных электромагнитных полей либо токами различных уровней и частот, протекающими по общим цепям электропитания (кондуктивным путем) СЭС общего назначения. При этом оба варианта электромагнитных воздействий могут быть однонаправленными или создаваемыми одновременно и встречно направленными обеими «сторонами конфликта». Кроме того, сам процесс электромагнитного взаимовлияния, как правило, нестабилен во времени, по уровню и частотам воздействия, поскольку зависит от режимов и условий работы РЭА.

В части самой РЭА относительно ее предыдущих поколений необходимо отметить следующие основные причины ухудшения ЭМС: прогрессирующее повышение уровней мощности и частоты протекающих в ней электрических процессов, а также видов и количества РЭА как в традиционных, так и во многих новых направлениях применения, степени важности выполняемых функций, не допускающей даже кратковременных сбоев в работе РЭА из-за возможных чрезвычайно серьезных последствий.

Так, современная глобальная информатизация активно управляет существованием и деятельностью человека, социальных групп, организаций, компаний, государств. В связи с этим как сама информация, так и относящиеся к ней процессы и инфраструктура являются важными ресурсами указанных субъектов. Каждый субъект формирует свою политику информационной безопасности, определяет для себя вероятный набор рисков, которые могут оказать влияние на функционирование его информационных активов, стремится через процессы управления предотвратить или ослабить вероятные деструктивные воздействия на значимую информацию. Официальной классификации угроз, как возможных причин возникновения ситуации, при которой может быть причинен ущерб объекту информатизации, не существует. Вместе с тем принято разделять угрозы на непреднамеренные и преднамеренные.

К первым в контексте рассматриваемой в данной статье проблемы можно отнести вышеупомянутые естественные и техногенные явления, в результате которых возникают непреднамеренные силовые электромагнитные воздействия (НСЭМВ) в цепях электроснабжения РЭА. Ко второму виду угроз следует причислить заранее спланированные деструктивные процессы в информационных системах на основе РЭА вследствие преднамеренных силовых электромагнитных воздействий (ПСЭМВ), которые направлены и способны нанести им существенный урон и представляют собой один из наиболее опасных видов угроз с точки зрения поражающего эффекта. Для реализации ПСЭМВ зло­умышленники применяют методы и технические средства, преднамеренно и существенно снижающие КЭ, используемой для электроснабжения РЭА, выполняющей важные задачи.

В [5] приведена классификация различных факторов, воздействующих на информацию, в числе которых указаны и ПСЭМВ. Изучение ПСЭМВ и разработка мер по нейтрализации их возникновения, ограничение их влияния на функционирование РЭА, включая разработку стратегий, принципов организации защиты, системы управления рисками, а также создание на их основе технических средств обнаружения и защиты становятся все более актуальными направлениями современной науки и техники.

Вышеприведенные сведения являются общими для всех рассматриваемых в настоящей статье видов РЭА. Далее рассмотрим кратко, но минимально достаточно для изложения последующего материала наиболее характерные и массовые виды объектов электроснабжения РЭА — наземные, морские и авиационные, а также приведем ряд характерных отличий в реализации их электроснабжения, связанных с назначением РЭА и возможностями получения электроэнергии от соответствующих ИЭ с присущими им нормами КЭ. При необходимости, обусловленной конкретным материалом, данные сведения будут уточнены.

Наземные стационарные объекты

Наземные стационарные объекты представляют собой наиболее обширную область применения РЭА. Их электроснабжение обеспечивается с использованием электроэнергии двух основных видов ИЭ: СЭС общего назначения и автономных источников. Последние могут применяться на объекте двояко: как основные при отсутствии возможности подключения РЭА к СЭС общего назначения, так и в качестве резервных при пропадании электроэнергии СЭС или сверхнормативном понижении ее параметров качества. В качестве резервных ИЭ для РЭА рассматриваемых объектов могут быть также использованы вторые вводы от других распределительных подстанций той же СЭС.

РЭА стационарных наземных объектов потребляет, как правило, переменный трехфазный ток (четырехпроводная схема подключения L1, L2, L3, N) с номинальным значением напряжения 380/220 В или однофазный (двухпроводная схема подключения L, N) с номинальным значением напряжения 220 В переменный ток c частотой 50 Гц. В некоторых случаях используются также значения частоты 400 или 1000 Гц. Наиболее часто встречающимися значениями мощности, потребляемой РЭА таких объектов, являются десятки и сотни, реже единицы и тысячи киловатт.

Наземные подвижные объекты

Передвижные (подвижные) наземные радиоэлектронные объекты гражданского и военного назначения существенно отличаются от стационарных наземных объектов аналогичного или близкого назначения целым рядом аспектов, в том числе внутренними структурами СЭС для электропитания установленной на них РЭА.

Для наземных подвижных объектов (ПО) существуют два основных режима их функционирования — на ходу и на стоянке. В первом случае РЭА обеспечивается электроэнергией с помощью генераторов, установленных непосредственно на объекте и вырабатывающих ее из других видов энергии. Наиболее широко применяемые виды генерирующего электрооборудования — дизель-генераторная установка с использованием углеводородного топлива или электроустановка, преобразующая определенную часть механической энергии, отбираемой от двигателя транспортного средства объекта с помощью специального механического устройства. При отказе основного генерирующего электрооборудования применяется аварийная аккумуляторная батарея (при ее наличии), а в самом крайнем случае допускается кратковременный отбор электрической энергии непосредственно от аккумуляторной батареи транспортного средства.

На стоянке, кроме вышеперечисленных технических средств, для электропитания РЭА ПО может быть использована также электроэнергия от СЭС общего назначения (при наличии возможности подключения к ней), от автономной подвижной электростанции, от внешнего (прицепного) дизель-электрического (или другого вида) генератора.

Характерными примерами ПО военного назначения могут служить объекты связи и управления, потребляющие трехфазное напряжение 380/220 В с частотой 50 Гц, подаваемое по четырехпроводной (L1, L2, L3, N) схеме. Значение мощности переменного тока, потребляемой этими объектами, находится в диапазоне 4–100 кВ·А [6].

Морские объекты

Гражданские и военные объекты морского назначения могут быть наземными стационарными (базы, порты и другие), наземными подвижными (подвижное вспомогательное оборудование на транспортных средствах) и морскими подвижными (суда, корабли и другие плавсредства). Для РЭА наземных стационарных и ПО объектов морского назначения варианты способов и значения параметров электроснабжения РЭА практически те же, что и для рассмотренных выше наземных стационарных и подвижных объектов.

Для морских ПО существуют два основных варианта электроснабжения их РЭА. На весь период автономного плавания все электротехническое и электронное оборудование объектов питается электроэнергией, вырабатываемой и распределяемой между потребителями электроэнергетической системой корабля (ЭСК), в состав которой входят как основные, так и резервные ИЭ. Традиционным для морских ПО является дублирование всего энергетического, распределительного, защитного и коммутационного оборудования ЭСК с «привязкой» его к конкретному борту корабля (правому или левому).

Второй вариант электроснабжения применяется при длительной стоянке морского ПО «у стенки» в порту (базе), ремонтном предприятии и т. п. В этом случае электроэнергию, необходимую для поддержания жизнеобеспечения объекта, подают с береговых ИЭ. Прямое или обратное переключение с одного варианта энергоснабжения на другой зачастую сопровождается различными коммутационными СЭМВ, являющимися существенными для РЭА объекта.

Основными номинальными значениями ИЭ трехфазного переменного тока, входящих в ЭСК, являются 380 В с частотой 50 и 400 Гц. Мощность ИЭ колеблется в зависимости от назначения и вида объекта от десятков до сотен тысяч и более киловольт-ампер. На подводных морских ПО широко используется также напряжение ИЭ постоянного тока в виде аккумуляторных батарей большой емкости с рабочим диапазоном значений напряжения 175–320 В.

Авиационные объекты

По аналогии с морскими гражданские и военные объекты авиационного назначения можно разделить на наземные стационарные (аэродромные), наземные подвижные (подвижное вспомогательное оборудование на наземных транспортных средствах) и воздушные (самолеты, вертолеты и другие летательные аппараты).

Для РЭА наземных стационарных и ПО варианты способов и значений параметров электроснабжения РЭА практически те же, что и для рассмотренных выше аналогичных наземных стационарных и подвижных объектов.

Для воздушных объектов также существует два основных варианта электроснабжения их РЭА. На весь период полета все электротехническое и электронное оборудование питается электроэнергией, вырабатываемой и распределяемой между потребителями системой электроснабжения самолета, в состав которой входят как основные, так и резервные ИЭ. Так же, как и для морских, для воздушных объектов является традиционным дублирование всего энергетического, распределительного, защитного и коммутационного оборудования с «привязкой» его к борту объекта (правому или левому).

Второй вариант электроснабжения применяется при стоянке воздушного объекта в аэропорту, на базе, ремонтном предприятии и т. п. В этом случае электроэнергию, необходимую для поддержания его жизнеобеспечения, подают с наземных ИЭ. Переключение с одного варианта энерго­снабжения на другой (прямой или обратный) может вызывать различные СЭМВ, способные оказать существенные влияния на РЭА объекта.

Для воздушных ПО основными ИЭ переменного тока являются генераторы с трехфазным номинальным напряжением 200/115 В и частотой 400 Гц. Также применяются ИЭ в виде генераторов (преобразователей) постоянного тока с номинальным значением напряжения 27 В.

Мощность основных ИЭ в зависимости от типа летательного аппарата может составлять от десятков до сотен киловольт-ампер.

В следующей статье настоящего цикла будут рассмотрены основные НТД, задающие требования к параметрам КЭ СЭС на объектах различного применения РЭА.