Электромагнитная совместимость в электроэнергетических системах

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева Кафедра «Электроэнергетика» Утверждаю: Зав. кафедрой «Электроэнергетика» _________________ В.М.Степанов «____»_________________2015 г. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ учебной дисциплины (модуля) Электромагнитная совместимость в электроэнергетических системах Уровень профессионального образования: высшее образование – бакалавриат Направление (специальность) подготовки: 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» Профиль (специализация) подготовки: «Электроснабжение» Квалификация выпускника: бакалавр Форма обучения: (очная, заочная) Тула 2015 г. 2 Конспект лекций по дисциплине «Электромагнитная совместимость в электроэнергетических системах» составлен доцентом Ю.В.Кравцовым и обсуждён на заседании кафедры «Электроэнергетка» института высокоточных систем им. В.П. Грязева, протокол заседания кафедры № 10 от "07" октября 2015 г. Разработчик конспекта лекций ____________________________ личная подпись 3 Содержание 1 Основные понятия и определения теории электромагнитной совместимости……………………………………………5 1.1 Общие понятия…………………………………………………………5 1.2 Обеспечение электромагнитной совместимости…………………….7 1.3 Характеристики и параметры технических средств, влияющих на электромагнитную совместимость………………………7 1.4 Электромагнитные помехи……………………………………………8 1.5 Измерительное оборудование и аппаратура…………………………9 2 Электромагнитная обстановка на объектах электроэнергетики…………..11 2.1 Источники электромагнитных воздействий……………………..…11 2.2. Статический преобразователь как источник гармоник и другие источники гармоник………………………………………14 2.3 Влияние гармоник на системы электроснабжения………………...16 2.4 Вращающиеся машины………………………………………………18 2.5 Статическое оборудование………………………………………….19 2.6 Устройства релейной защиты в энергосистемах………………….20 2.7 Оборудование потребителей………………………………………...21 2.8 Влияние гармоник на измерение мощности и энергии……………22 3 Влияние электромагнитных воздействий на элементы системы электроснабжения…………………………………………………..24 4 Нормы и рекомендации по электромагнитной совместимости…………...26 4.1 Нормативная база на радиопомехи и акустические шумы………..26 4.2 Влияния линий электропередачи на линии связи и рекомендации по электромагнитной совместимости………….28 5 Источники помех. Чувствительные к помехам элементы. Электронные средства автоматизации. Линии связи и передачи данных…32 5.1 Классификация источников помех…………………………………33 5.2 Источники узкополосных помех…………………………………...35 5.3. Источники широкополосных импульсных помех…………….….40 5.4 Источники широкополосных переходных помех………………...44 6 Уровни помех. Помехоустойчивость…………………………………….…53 6.1 Логарифмические относительные характеристики. Уровни помех…………………………………………………………....53 6.2 Степень передачи. Помехоподавление……………………….….54 6.3 Основные типы и возможные диапазоны значений электромагнитных помех……………………………………………....54 6.4 Земля и масса………………………………………………………..56 6.5 Способы описания и основные параметры помех…………..…..59 7 Фильтры…………………………………………………………………..…..70 7.1 Ограничение уровней гармоник напряжений и токов………..….70 7.2 Схемы и параметры фильтров…………………………………..…70 8 Ограничители перенапряжений…………………………………………....77 4 8.1. Принцип действия ограничителей перенапряжений…………....77 8.2. Защитные элементы…………………………………………….…78 9 Защитные элементы для линий передачи измерительной информации……………………………………………………………….….82 9.1. Принцип действия помехоподавляющих фильтров………….…82 9.2. Фильтровые элементы………………………………………….…86 9.3 Сетевые фильтры……………………………………………….….89 10 Экранирование………………………………………………………….…91 10.1 Принцип действия экранов……………………………………....91 10.2. Материалы для изготовления экранов………………………....94 10.3 Экранирование приборов и помещений………………………..95 10.4 Экраны кабелей………………………………………………..…97 11 Разделительные элементы………………………………………………...99 12 Методы испытаний и сертификации элементов вторичных цепей на помехоустойчивость. Измерительные и испытательные центры…….100 12.1 Общие сведения об измерении электромагнитного воздействия 12.2 Электромагнитные поля радиочастотного диапазона………...102 12.3. Разряды статического электричества……………………….…103 12.4 Магнитные поля промышленной частоты…………………….105 12.5 Помехи, связанные с возмущениями в цепях питания низкого напряжения…………………………………………………..105 13 Влияние полей, создаваемых устройствами электроэнергетики, на биологические объекты. Предельно допустимые уровни магнитных полей, действующих на персонал…………………………………..............107 13.1. Роль электрических процессов в функционировании живых организмов…………………………………………………………107 13.2 Нормирование безопасных для человека напряженностей электрических и магнитных полей………………………………117 13.3 Экологическое влияние коронного разряда…………………….123 14 Закон РФ об электромагнитной совместимости………………………….126 14.1 Общие сведения о Федеральном законе…………………………126 14.2 Основные направления государственного регулирования в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств…….127 14.3 Общие требования в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств………………………………………….128 14.4 Обязательная сертификация технических средств на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости.128 15 Качество электроэнергии…………………………………………………..130 15.1 Область применения ГОСТ 13109-97 и ГОСТ Р 54149-2010………130 15.2 Показатели качества электрической энергии……………………131 15.3 Нормы качества электроэнергии………………………………….131 15.4 Требования к погрешности измерений показателей качества электроэнергии……………………………………………….135 Список литературы…………………………………………………………….136 5 1 Основные понятия и определения теории электромагнитной совместимости Электромагнитная совместимость (ЭМС) является современным понятием, объединяющим такие известные электромагнитные явления, как радиопомехи, влияние на сеть, перенапряжения, колебания напряжения сети, электромагнитные влияния, паразитные связи, фон промышленной частоты 50 Гц, воздействия заземления и т.д. Основными понятиями в теории электромагнитной совместимости являются понятия передатчиков и приемников электромагнитной энергии (электромагнитных помех) в их расширенном понимании. Так к передатчикам электромагнитной энергии относятся телевизионные и радиовещательные устройства, электрические цепи и системы, непреднамеренно излучающие в окружающую среду электромагнитную энергию, а также электроприемники, являющиеся источниками электромагнитных помех, распространяющихся по цепям питания. Основные термины и определения, относящиеся к области электромагнитной совместимости технических средств, установлены межгосударственным стандартом ГОСТ 30372-95 «СОВМЕСТИМОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ. Термины и определения» 1.1 Общие понятия Электромагнитная совместимость технических средств; ЭМС технических средств: способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средством. Электромагнитная обстановка; ЭМО (поле помех): совокупность электромагнитных явлений, процессов в заданной области пространства, частотном и временном диапазонах. Электромагнитная помеха; помеха: электромагнитное явление, процесс, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства. Влияние помехи: снижение показателей качества функционирования технического средства, вызванного электромагнитной помехой. Допустимая помеха: электромагнитная помеха, при которой качество функционирования технического средства, подверженного ее воздействию, сохраняется на заданном уровне. 6 Недопустимая помеха: электромагнитная помеха, воздействие которой снижает качество функционирования технического средства до недопустимого уровня. Приемлемая помеха: электромагнитная помеха, превышающая допустимую и устанавливаемая путем соглашения. Уровень помехи: значение величины электромагнитной помехи, измеренное в регламентированных условиях. Норма на помеху: регламентированный максимальный уровень помехи. Источник помехи: источник искусственного или естественного происхождения, которые создают или могут создать электромагнитную помеху. Рецептор: техническое средство, реагирующее на электромагнитный сигнал и (или) электромагнитную помеху. Электромагнитная эмиссия от источника помехи; помехоэмиссия: генерирование источником помехи электромагнитной энергии. Примечание. Генерируемая источником энергия может излучаться в пространство или распространяться кондуктивным путем. Уровень эмиссии: значение величины электромагнитной помехи, эмитируемой от источника, измеренный в регламентированных условиях. Норма на эмиссию: регламентированный максимальный уровень эмиссии. Электромагнитное излучение; излучение: явление, процесс, при котором энергия излучается источником в пространство в виде электромагнитных волн. Уровень излучения: уровень электрического и (или) магнитного поля и (или) плотности потока мощности, излучаемые техническим средством, измеренные в регламентированных условиях. Норма на уровень излучения: регламентированный максимальный уровень излучения. Электромагнитная кондукция (от источника помехи); кондукция: явление, процесс, при котором помеха распространяется от источника кондуктивным путем в проводящей среде. Примечание. Проводящей средой могут быть сигнальные цепи вводавывода, цепи электропитания, экраны, заземлители. Уровень кондукции: уровень электрического тока и (или) напряжения, и (или) мощности, кондуктируемые техническим средством, измеренный в регламентированных условиях. Норма на уровень кондукции: регламентированный максимальный уровень кондукции. 7 1.2 Обеспечение электромагнитной совместимости Организационное обеспечение ЭМС: организационные решения, постановления, нормативно-технические документы, направленные на исключение или снижение до приемлемого уровня электромагнитных помех между техническими средствами. Техническое обеспечение ЭМС: технические решения, направленные на улучшение характеристик их ЭМС. Зона влияния (радиус влияния): область пространства, в пределах которой уровень электромагнитной помехи превышает допустимый. Сертификация ТС на соответствие требованиям ЭМС: мероприятия, в результате которых удостоверяется соответствие определенного типа технического средства требованиям государственных, международных или иных нормативно-технических документов, регламентирующих характеристики ЭМС, посредством выдачи предприятию—изготовителю сертификата. Экспертиза ЭМС: экспериментальное и (или) теоретическое исследование состояния обеспечения ЭМС технического средства в заданной электромагнитной обстановке. Подавление помех: мероприятия, имеющие целью ослабление или устранение влияния помех. Помехоподавляющее оборудование: устройство или комплект устройств, предназначенных для подавления помех. Помехоподавляющий элемент: часть помехоподавляющего устройства, непосредственно осуществляющая подавление помех. Экран (электромагнитный): устройство или элемент конструкции устройства, обеспечивающий поглощение, преобразование или отражение электрических и (или) магнитных полей и электромагнитных волн. Экранирование (электромагнитное): способ ослабления электромагнитной помехи с помощью экрана с высокой электрической и (или) магнитной проводимостями. Биологическая защита (от электромагнитного излучения): обеспечение регламентированных уровней электромагнитных излучений, соответствующих установленным санитарными нормами. 1.3 Характеристики и параметры технических средств, влияющих на ЭМС Характеристика ЭМС: характеристика технического средства, отражающая возможность его функционирования в заданной ЭМО и (или) степень его воздействия на другие технические средства. Примечание. Характеристика ЭМС может отражать свойства технического средства как источника помех, как рецептора и (или) свойства окружающей среды, влияющие на ЭМС технического средства. 8 Параметр ЭМС: величина, количественно характеризующая какоелибо свойство ЭМС, отражающая одно из значений характеристики ЭМС. Восприимчивость (электромагнитная): способность рецептора реагировать на электромагнитную помеху. Порог восприимчивости: минимальная величина электромагнитной помехи, при которой рецептор на нее реагирует. Невосприимчивость (электромагнитная): способность технического средства противостоять воздействию электромагнитной помехи. Устойчивость к электромагнитной помехе; помехоустойчивость: способность технического средства сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров в отсутствие дополнительных средств защиты от помех, не относящихся к принципу действия или построения технического средства. Помехозащищенность: способность ослаблять действие электромагнитной помехи за счет дополнительных средств защиты от помех, не относящихся к принципу действия или построения технического средства. 1.4 Электромагнитные помехи Естественная помеха: электромагнитная помеха, источником которой являются природные физические явления. Искусственная помеха: электромагнитная помеха, источником которой является устройство, созданное человеком. Атмосферная помеха: естественная помеха, источником которой являются электрические разряды в атмосфере. Космическая помеха: естественная помеха, источником которой является излучение Солнца, звезд и галактики. Электростатический разряд: импульсный перенос электрического заряда между телами с разными электростатическими потенциалами. Электростатическая помеха: естественная помеха, обусловленная электризацией и проявляющаяся вследствие импульсных токов стекания накопленных электрических зарядов и (или) электростатических разрядов. Излучаемая помеха: электромагнитная помеха, распространяющаяся в пространстве. Кондуктивная помеха: электромагнитная помеха, распространяющаяся по проводникам. Индустриальная помеха: электромагнитная помеха, создаваемая техническими средствами. Примечание. К индустриальным помехам не относятся помехи, создаваемые излучениями выходных трактов радиопередатчиков. Коммутационная помеха: индустриальная помеха, возникающая при процессах коммутации тока и напряжения. 9 Контактная помеха: электромагнитная помеха, обусловленная излучением токопроводящих контактов и (или) среды с нелинейной проводимостью при воздействии на них электромагнитного поля. Электромагнитный импульс; ЭМИ: изменение уровня электромагнитной помехи в течение времени, соизмеримого со временем установления переходного процесса в техническом средстве, на которое это изменение воздействует. Импульсная помеха: электромагнитная помеха в виде одиночного импульса, последовательности или пачки импульсов. Шумовая помеха: электромагнитная помеха, источником которой является электромагнитный шум. Импульсно-шумовая помеха: электромагнитная помеха, энергетический спектр которой имеет импульсные и шумовые составляющие. Непрерывная помеха: электромагнитная помеха, уровень которой не уменьшается ниже определенного значения в регламентированном интервале времени. Кратковременная помеха: электромагнитная помеха, длительность которой, измеренная в регламентированных условиях, меньше некоторой величины, регламентированной для данного технического средства. Непродолжительная помеха: электромагнитная помеха, длительность которой, измеренная в регламентированных условиях, сравнительно невелика, но больше некоторой величины, регламентированной для данного технического средства. Регулярная помеха: электромагнитная помеха, возникающая и исчезающая через определенные промежутки времени. Нерегулярная помеха: электромагнитная помеха, возникающая и исчезающая через различные случайные промежутки времени. Узкополосная помеха: электромагнитная помеха, ширина спектра которой меньше или равна ширине полосы пропускания рецептора. Широкополосная помеха: электромагнитная помеха, ширина спектра которой больше полосы пропускания рецептора. Межсистемная помеха: электромагнитная помеха, источник которой находится в системе, не относящейся к рассматриваемой. Внутрисистемная помеха: электромагнитная помеха, источник которой находится внутри рассматриваемой системы. Мешающий сигнал: электромагнитный сигнал, который ухудшает качество функционирования технического средства. 1.5 Измерительное оборудование и аппаратура Экранированная камера: помещение, обладающее свойствами экранирования для разделения внутренней электромагнитной обстановки от внешней. 10 Безэховая камера: экранированная камера с поглощающим электромагнитные волны покрытием внутренних поверхностей. Т-камера: экранированная камера, представляющая собой отрезок волновода, в которой может быть возбуждена поперечная электромагнитная волна. Измерительная площадка: площадка, пригодная для измерения помех, излучаемых испытуемым устройством, параметров и характеристик ЭМС технического средства и отвечающая регламентированным требованиям. Измеритель помех: селективный микровольтметр, для которого регламентирована величина отношения синусоидального напряжения к спектральной плотности напряжения импульсов на входе, вызывающих одинаковое показание измерительного прибора, содержащий инерционные детекторы. Анализатор помех: измеритель помех, оборудованный устройством временной селекции. Имитируемая помеха: электромагнитная помеха с заданными значениями параметров, создаваемая с целью измерения или оценки помехоустойчивости. Имитатор помех: устройство, предназначенное для генерации и передачи в проводящую среду и (или) окружающее пространство имитируемых помех. 11 2 Электромагнитная обстановка на объектах электроэнергетики 2.1 Источники электромагнитных воздействий На объектах электроэнергетики передатчиками электромагнитных воздействий, которые могут оказывать влияние на автоматические системы технологического управления электротехническими объектами являются:  Переходные процессы в цепях высокого напряжения при коммутациях силовыми выключателями и разъединителями;  Переходные процессы в цепях высокого напряжения при коротких замыканиях, срабатывании разрядников или ограничителей перенапряжений;  Электрические и магнитные поля промышленной частоты, создаваемые силовым оборудованием станций и подстанций;  Переходные процессы в заземляющих устройствах подстанций, обусловленные токами КЗ промышленной частоты и токами молний;  Быстрые переходные процессы при коммутациях в индуктивных цепях низкого напряжения;  Переходные процессы в цепях различных классов напряжения при ударах молнии непосредственно в объект или вблизи него;  Разряды статического электричества;  Электромагнитные возмущения в цепях оперативного тока. В качестве примеров передатчиков электромагнитных воздействий можно также перечислить: автомобильные устройства зажигания, люминесцентные лампы, коллекторные электродвигатели, силовая электроника, сварочные аппараты, электроинструмент и т. д..  В особых ситуациях рассматриваются электромагнитные воздействия от ядерных взрывов; магнитное поле Земли при аномальных явлениях на поверхности Солнца. Источники электромагнитных помех на электрических станциях и подстанциях изображены на рисунке 2.1. К приемникам электромагнитных воздействий относятся теле и радиоприемники, силовые электроприемники, системы автоматизации, автомобильная микроэлектроника, управляющие приборы и регуляторы, средства релейной защиты и автоматики, устройства обработки информации и т. д.. Многие электрические устройства могут одновременно действовать как приемники так и как передатчики. 12 С учетом изложенного электрическое устройство считается совместимым, если оно в качестве передатчика является источником электромагнитных помех не выше допустимых, а в качестве приемника обладает допустимой нечувствительностью к посторонним влияниям, т.е. достаточной помехоустойчивостью и иммунитетом. 1 – удар молнии; 2 – переключения и короткие замыкания (КЗ) в сети высокого напряжения; 3 – переключения и КЗ в сети среднего напряжения (СН);. 4 - переключения и КЗ в сети низкого напряжения (НН); 5 – внешние источники радиочастотных излучений; 6 – внутренние источники радиочастотных излучений; 7 – разряды статического электричества; 8 – источники кондуктивных помех по цепям питания Рисунок 2.1 - Источники электромагнитных воздействий на электрических станциях и подстанциях В идеальной электроэнергетической системе (ЭЭС) энергия должна передаваться при номинальных значениях частоты и напряжения, не изменяющихся во времени. В реальных энергосистемах эти условия не выполняются вследствие того, что многие потребители электроэнергии имеют нелинейные характеристики нагрузки (вентильные преобразователи, силовая электронная преобразовательная техника, электродуговые сталеплавильные печи на металлургических заводах и предприятиях других отраслей промышленности). 13 Возросший интерес к этой проблеме связан с увеличением числа и единичной мощности нелинейных электронных устройств, используемых для управления силовыми установками и системами. Отклонения форм кривых тока и напряжения от правильной синусоиды обычно представляют с помощью гармонических составляющих. Гармоника определяется как значение сигнала с частотой, кратной фактической частоте сети, например основной частоте сигнала, производимого генератором. Следует различать гармоники в установившихся режимах, когда форма кривой не изменяется, и гармоники в переходных режимах, когда форма кривой существенно меняется от цикла к циклу. Существенной характеристикой, определяющей форму кривой, является фазовый угол (угол сдвига) гармоники по отношению к гармонике основной частоты. Одни и те же гармоники от различных источников могут производить различный эффект в зависимости от их относительного положения. Как и многие другие формы искажений, гармоники воздействуют на все виды электрического оборудования, находящегося на довольно большом расстоянии от места генерации гармоник. Наиболее ясно ощущается влияние гармоник, возникающих в силовых цепях, на качество звука телефонной связи, снижающегося из-за наводимого силовыми гармониками гармонического шума. Однако существуют и другие, менее слышимые, но зачастую более опасные воздействия, выражающиеся в ложных срабатываниях ответственной управляющей и защитной аппаратуры, перегрузке силовых аппаратов и систем. Очень часто длительное существование искаженной кривой напряжения приводит к разрушению силовых конденсаторов. Кроме того, при неблагополучном состоянии электрической сети придется чаще ремонтировать или заменять выходящие из строя элементы. В этом случае применение даже элементарных мер защиты оборудования в виде фильтров, устанавливаемых у потребителя, приводит к существенному улучшению кривой напряжения. Большое развитие получили технологии, основанные на использовании управляемых выпрямителей, что привело к увеличению уровня гармоник тока в сетях. Вместе с тем при разработке такого оборудования обычно предполагают, что напряжение в точке присоединения синусоидально. Это возможно лишь в случае, если энергетическая система, питающая оборудование, имеет малое гармоническое сопротивление. Следовательно, мелкие потребители, питающиеся от такой сети, подвергаются дополнительным опасностям, связанным с влиянием гармоник на управляющее оборудование, установленное в их сетях. Энергоснабжающие организации обычно снимают с себя ответственность за причины возникновения гармоник, вводя стандарты или рекомендации по ограничению уровней гармонических составляющих в точках общего присоединения потребителей. 14 Однако определение допустимых уровней гармоник не является простой и однозначной задачей. Знания о токах гармоник различных источников недостаточны для того, чтобы установить пределы, в которых обеспечивалась бы электромагнитная совместимость оборудования в любой энергосистеме. Поэтому если знания о гармониках тока исходят в основном из физической сущности явления, то разработанные стандарты и рекомендации являются результатом анализа предшествующего практического опыта, используемого для того, чтобы избежать появления подобных проблем в будущем. До тех пор пока не будет достигнуто достаточного понимания характера гармонических явлений в сложных системах, энергоснабжение будет оставаться под угрозой повышенной опасности и энергоснабжающие организации и потребители будут часто вынуждены принимать меры уже после аварий. 2.2. Статический преобразователь как источник гармоник и другие источники гармоник Для правильного расчета гармоник тока, генерируемых статическими силовыми преобразователями, необходимо иметь точную информацию о форме кривой напряжения переменного тока на выводах преобразователя, его схеме, типе системы управления, полном сопротивлении сети переменного тока и параметрах цепи постоянного тока. Однако представление столь значительного числа факторов с самого начала затруднит понимание основных положений теории. Более удобно начать оценку явления с изложения теории управления преобразователем, работающим в идеализированных системах переменного тока и постоянного тока, а затем рассмотреть поочередно влияющие факторы. В зависимости от положения момента включения одного вентиля относительно другого при устойчивой работе преобразователя различают четыре принципа управления: 1. Управление с постоянным фазовым углом, при котором включение вентилей производится через равные промежутки времени в соответствии с их коммутационными напряжениями; 2. Симметричное управление, при котором последовательное включение вентилей производится в одинаковые моменты синусоиды питающего напряжения; 3. Модулированное фазовое управление, при котором включение вентилей производится через переменные промежутки времени; 4. Интегральное управление, выбирающее целое число циклов или полуциклов питающей частоты. 15 Изменение фазового угла - наиболее широко используемый способ управления. Спектральный анализ Фурье прямо применим к кривым, получающимся при фазовом и симметричном управлении вентилями. Увеличилось количество и единичная мощность принудительно коммутируемых преобразователей, в особенности инверторов, питающих привод переменного тока. Их питающим источником обычно служит система переменного тока, от которой питается выпрямитель. Гармонический же состав кривой на стороне инвертированного тока имеет характерные особенности. Управление с постоянным фазовым углом обычно встречается в нормально коммутируемых статических преобразователях и регуляторах напряжения. Регуляторы напряжения переменного тока, состоящие из встречнопараллельно включенных пар тиристоров в каждой фазе, генерируют изменяющиеся по амплитуде гармоники. В случае индуктивной нагрузки они могут содержать гармоники четных порядков и постоянный ток. Хотя тиристорное регулирование напряжения в настоящее время используется в основном в маломощных устройствах (таких, как регуляторы силы света электрических ламп и малые асинхронные двигатели), однако в связи с возрастающим интересом к экономии электроэнергии их использование будет расти, и они могут в будущем превратиться в существенный источник гармонических искажений. Основными источниками гармоник тока в настоящее время являются выпрямители и инверторы с фазовым управлением. Все они могут быть разделены на три большие группы: 1 - большие преобразователи, используемые, например, в металлургии и в передачах постоянного тока высокого напряжения; 2 - преобразователи средней мощности, подобные используемым в промышленности для управления электромоторами и на железной дороге; 3 - маломощные преобразователи однофазных устройств, таких, как телевизоры и устройства перезарядки батарей. Формы кривых напряжений и токов преобразователей первой группы близки к идеальным и могут быть приняты за основу для получения характеристик гармоник стандартных схем преобразователей. На эти данные обычно ссылаются при оценке гармоник в кривых, отличающихся от идеальной. До появления статических преобразователей наличие гармонических искажений в энергосистемах ассоциировалось, в первую очередь, с работой электрических машин и трансформаторов. И, действительно, основными источниками гармоник, существовавшими ранее в электрических системах, были намагничивающие токи силовых трансформаторов. После того как выполнение требований по конструированию экономичных генераторов привело к искажению формы кривой напряжения, 16 генераторы электрических станций стали вторым основным источником гармоник. Современные трансформаторы и вращающиеся машины в нормальных условиях работы не вносят существенных искажений в сеть. Однако в переходных процессах и в условиях работы, отличных от проектируемых, эти искажения могут сильно увеличиться. Кроме статических преобразователей, существует еще два вида нелинейных нагрузок, чье влияние на формы кривых напряжения и тока должно быть рассмотрено, - это дуговые печи и флюоресцентные лампы. 2.3 Влияние гармоник на системы электроснабжения После того как выявлены источники гармоник и определены их уровни, необходимо выяснить характер влияния гармоник на работу электрооборудования. Все элементы систем электроснабжения должны быть рассмотрены с точки зрения их чувствительности к гармоникам. На основе этого рассмотрения затем вырабатываются рекомендации по допустимым уровням гармоник в сетях. Основными формами воздействия высших гармоник на системы электроснабжения являются: увеличение токов и напряжений гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов; снижение эффективности процессов генерации, передачи и использования электроэнергии; старение изоляции электрооборудования и сокращение вследствие этого срока его службы; ложная работа оборудования. Резонансы. Наличие в сетях конденсаторов, используемых для компенсации реактивной мощности, может привести к местным резонансам, которые, в свою очередь, могут вызвать черезмерное увеличение тока в конденсаторах и выход их из строя. Параллельный резонанс возникает вследствие высокого сопротивления гармоникам тока на резонансной частоте. Так как большинство гармоник генерируется источниками тока, то это вызывает увеличение напряжения гармоник и большие их токи в каждой из параллельных ветвей. Параллельные резонансы могут возникать в различных условиях, простейшие из них соответствуют случаю присоединения конденсаторов к тем же шинам, к каким присоединен источник гармоник. Резонанс в этом случае возникает между источником гармоник и конденсаторами. Предполагая сопротивление источника полностью индуктивным, резонансную частоту определим по формуле f p  f S КЗ /(QS  QL ) (2.1) где QK - мощность силовых конденсаторов и емкости питающей сети; S KЗ - мощность короткого замыкания в точке общего присоединения (рисунок 2.2). 17 1,3 – нагрузки; 2- источник гармоник; ТОП – точка общего присоединения Рисунок 2.2 - Параллельный резонанс Для того чтобы определить условия резонанса в конкретном случае, необходимо измерить токи гармоник в ветвях каждой нагрузки и ветви питания, а также напряжение гармоник на шинах. Если ток, текущий от шин в энергосистему, мал, а напряжение велико, это говорит о наличии резонанса между LS и C L , C S . Последовательный резонанс иллюстрируется рисунком 2.3. Данный вид резонанса возникает при наличии искажений на шинах источника питания. На высоких частотах сопротивление нагрузки может не учитываться, в то время как сопротивление конденсаторов резко снижается. Резонансную частоту этой цепи определяют по формуле fp  f ST P2 100  2 (QK U КЗ ) QK , (2.3) где QK - мощность силовых конденсаторов; S T - мощность трансформатора; U KЗ - напряжение короткого замыкания трансформатора; PН - мощность нагрузки. Рисунок 2.3 - Схема последовательного резонанса К – конденсатор, Т – трансформатор, Н – активная нагрузка При последовательном резонансе большой ток гармоники может течь через конденсатор при относительно небольшом напряжении гармоники. Фактическое значение тока определяется добротностью контура. Обычно она составляет порядка 5 на частоте 500 Гц. 18 Влияние резонансов на системы. Резонансы в системах электроснабжения обычно рассматриваются применительно к конденсаторам, и в частности к силовым конденсаторам. При превышении гармониками тока уровней, предельно допустимых для конденсаторов, последние не ухудшают свою работу, однако через некоторое время выходят из строя. 2.4 Вращающиеся машины Потери электроэнергии. Гармоники напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, а также в стали статора и ротора. Потери в проводниках статора и ротора при этом больше из-за вихревых токов и поверхностного эффекта, чем определяемые омическим сопротивлением. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, приводят к дополнительным потерям. В случае асинхронного двигателя с ротором со скошенными пазами и пульсирующими магнитными потоками в статоре и роторе высшие гармоники вызывают дополнительные потери в стали. Значение этих потерь зависит от угла скоса пазов и характеристик магнитопровода. Влияние формы кривой напряжения на потери в асинхронном двигателе было показано на примере двигателя мощностью 16 кВт, работающего с полной загрузкой при частоте сети 60 Гц и номинальном напряжении. При синусоидальной форме кривой напряжения полные потери составили 1,3 кВт, а при квазипрямоугольной форме - 1,6 кВт. Среднее распределение потерь от высших гармоник в двигателе постоянного тока, питающегося от выпрямителя, составляет: обмотки статора 14,2 %, цепи ротора 41,2 %, торцевые зоны 18,8 %; потоки в пазах 25,8 %. За исключением последней составляющей потерь, их распределение в синхронных машинах приблизительно аналогично. Следует отметить, что соседние нечетные гармоники в статоре синхронной машины вызывают в роторе гармонику одинаковой частоты. Например, 5-я и 7-я гармоники в статоре вызывают в роторе гармоники тока 6-го порядка, вращающиеся в разные стороны. Для линейных систем средняя плотность потерь на поверхности ротора пропорциональна ( I 52  I 72 ) , однако из-за разного направления вращения плотность потерь в некоторых точках пропорциональна ( I 52  I 72 ) 2 . Дополнительные потери - наиболее серьезный эффект, вызываемый гармониками во вращающихся машинах. Они приводят к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе. Двигатели с ротором типа «беличья клетка» допускают более высокие потери и температуру, если это не приводит к недопустимой температуре статора; поэтому двигатели с фазным ротором оказываются более чувствительными к гармоникам. Некоторые технические руководства 19 ограничивают допустимый уровень тока обратной последовательности в генераторе 10 %, а уровень напряжения обратной последовательности на вводах асинхронных двигателей - 2%. Допустимость гармоник определяют по тому, какие уровни напряжений и токов обратной последовательности они создают. Вращающие моменты, создаваемые высшими гармоническими составляющими достаточно малы и в расчетах обычно не учитываются. Вместе с тем они могут приводить к значительной вибрации вала. 2.5 Статическое оборудование Линии электропередачи. Гармоники тока в линиях приводят к дополнительным потерям электроэнергии и напряжения. В случае кабельных линий гармоники напряжения увеличивают воздействие на диэлектрик пропорционально увеличению максимальной амплитуды напряжения. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабеля и стоимость ремонтов. В линиях сверхвысокого напряжения гармоники напряжения по той же причине (увеличение амплитуды) могут вызывать увеличение потерь энергии на корону. Трансформаторы. Гармоники напряжения вызывают в трансформаторах увеличение потерь энергии на гистерезис, потерь, связанных с вихревыми токами в стали, и потерь в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции. Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в случае преобразовательного трансформатора, так как наличие фильтра, присоединяемого обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоник тока в трансформаторе. Поэтому требуется устанавливать большую мощность трансформатора. Кроме того, наблюдаются локальные перегревы бака трансформатора. Важная составляющая воздействия гармоник на мощные трансформаторы состоит в циркуляции утроенного тока нулевой последовательности в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к их перегрузке. Батареи конденсаторов. Дополнительные потери энергии в конденсаторах определяются выражением  P   P0CnU n2 , (2.4) n2 где P0 - удельные потери на основной частоте; С – емкость конденсатора; U n напряжение n -й гармоники. Эти потери приводят к дополнительному нагреву конденсаторов. В общем случае конденсаторы проектируются так, чтобы допускать определенную токовую перегрузку. Конденсаторы, выпускаемые в 20 Великобритании, допускают перегрузку 15%, в Европе и Австралии – 30%, в США – 80%, в РФ - 30%. При превышении этих значений, наблюдающихся в условиях повышенных гармоник напряжения на вводах конденсаторов, последние перегреваются и выходят из строя. 2.6 Устройства релейной защиты в энергосистемах Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Цифровые реле и алгоритмы, основанные на анализе выборки данных или точки пересечения нуля, особенно чувствительны к гармоникам. Для электромеханических реле в большинстве случаев изменения характеристик несущественны. Испытания показали, что большинство типов реле нормально работает при коэффициенте искажения до 20 %. Однако увеличение доли мощных преобразователей в сетях может в будущем изменить ситуацию. Проблемы, возникающие из-за гармоник, различны для нормальных и аварийных режимов и ниже рассмотрены отдельно. Влияние гармоник в аварийных режимах. Устройство защиты обычно реагируют на напряжение или ток основной частоты, а все гармоники в переходном режиме либо отфильтровываются, либо не оказывают воздействие на устройство. Последнее характерно для электромеханических реле, особенно используемых в максимальной токовой защите. Эти реле имеют большую инерцию, что делает их практически нечувствительными к высшим гармоникам. Более существенным оказывается влияние гармоник на работу защиты, основанной на измерении сопротивлений. Дистанционная защита, основанная на измерении сопротивлений на основной частоте, может давать существенные ошибки в случае наличия в токе КЗ высших гармоник (особенно 3-го порядка). Большое содержание гармоник обычно наблюдается в случаях, когда ток КЗ течет через землю (сопротивление земли доминирует в общем сопротивлении контура). Если гармоники не отфильтровываются, вероятность ложной работы весьма велика. В случае металлического КЗ в токе и напряжении преобладает основная частота. Однако в связи с насыщением трансформатора тока возникает вторичное искажение кривой, особенно в случае большой апериодической составляющей в первичном токе. В этих случаях также возникают проблемы обеспечения нормальной работы защиты. В установившихся режимах работы нелинейность, связанная с перевозбуждением трансформатора тока, вызывает только гармоники нечетного порядка. В переходных режимах могут возникнуть любые гармоники, причем наибольшие амплитуды имеют обычно вторая и третья. 21 Однако, все эти проблемы являются проблемами правильного проектирования. Правильный выбор оборудования устраняет множество трудностей, связанных с измерительными трансформаторами. Фильтрация гармоник, особенно в цифровых защитах, наиболее важна для дистанционных защит. Ряд работ, выполненных в области цифровых способов фильтрации, показал, что хотя алгоритмы такой фильтрации частот достаточно сложны, получение нужного результата не представляет особых трудностей. Влияние гармоник на системы защиты в нормальных режимах работы электрических сетей. Низкая чувствительность устройств защиты к параметрам режима в нормальных условиях обусловливает практическое отсутствие проблем, связанных с гармониками в этих режимах. Исключение составляет проблема, обусловленная включением в сеть мощных трансформаторов, сопровождающимся броском намагничивающего тока. На практике высокое содержание высших гармоник в намагничивающем токе трансформатора в большинстве случаев используется для блокировки отключения выключателей высокого напряжения защитой трансформатора, несмотря на исключительно высокий пик намагничивающего тока. Амплитуда тока зависит от индуктивности трансформатора, сопротивления обмотки и момента времени, в который происходит включение. Остаточный поток в воздушном зазоре в момент перед включением несколько увеличивает или уменьшает трудности в зависимости от полярности потока по отношению к начальному значению мгновенного напряжения. Так как ток на вторичной стороне во время намагничивания отсутствует, большой первичный ток может вызвать ложное срабатывание дифференциальной защиты. Наиболее простым способом является использование задержки времени, однако это может привести к серьезному повреждению трансформатора, если авария произойдет во время его включения На практике нехарактерную для сетей вторую гармонику, присутствующую в токе включения, используют для блокировки защиты, хотя защита остается достаточно чувствительной к внутренним повреждениям трансформатора во время включения. 2.7 Оборудование потребителей Телевизоры. Гармоники, увеличивающие пик напряжения, могут вызвать искажения изображения и изменение яркости. Флюоресцентные и ртутные лампы. Балластные устройства этих ламп иногда содержат конденсаторы, и при определенных условиях может возникнуть резонанс, приводящий к выходу ламп из строя. Компьютеры. Существуют пределы на допустимые уровни искажений в сетях, питающих компьютеры и системы обработки данных. В некоторых случаях они выражаются в процентах от номинального напряжения 22 (например, для компьютера Honeywell DEC - 3 %, IBM — 5 %) либо в виде отношения пика напряжения к действующему значению. Преобразовательное оборудование. Провалы на синусоиде напряжения, возникающие во время коммутации вентилей, могут влиять на синхронизацию другого подобного оборудования или устройств, управление которыми осуществляется в момент перехода кривой напряжения нулевого значения. Оборудование с регулируемой тиристорами частотой вращения. Теоретически гармоники могут влиять на такое оборудование несколькими способами: провалы на синусоиде напряжения вызывают неправильную работу из-за пропусков зажигания тиристоров; гармоники напряжения могут вызвать зажигание не в требуемый момент; резонанс между различными типами оборудования может привести к перенапряжениям и качаниям машин. Описанные выше воздействия могут ощущаться и другими потребителями, присоединенными к той же сети. Если потребитель не испытывает затруднений с тиристорно управляемым оборудованием в своих сетях, он вряд ли окажет влияние на других потребителей. Потребители, питающиеся от разных шин, теоретически могут влиять друг на друга, однако электрическая удаленность снижает вероятность такого взаимодействия. 2.8 Влияние гармоник на измерение мощности и энергии Измерительные приборы калибруются при чисто синусоидальном токе и напряжении, поэтому при их использовании для измерения мощности при искаженных токах и напряжениях они могут давать погрешности сверх нормированных. Значение и направление гармонических искажений (вторичной мощности) важны для коммерческих расчетов за электроэнергию, так как знак погрешности определяется направлением вторичной мощности. Исследования показали, что погрешности измерений, вызванной высшими гармониками, варьируется в широких пределах и возможны как положительные, так и отрицательные погрешности. Наиболее распространенным прибором для измерения энергии является индукционный счетчик электромагнитной системы, вращающие и тормозящие магнитные потоки которой действуют на ротор счетчика, создавая результирующий момент вращения. В счетчике предусмотрены специальные элементы, создающие вторичные потоки и позволяющие увеличить точность измерения и скомпенсировать момент трения регистрирующего механизма. Эти элементы, создающие первичный и вторичный моменты, обычно нелинейны по отношению как к амплитуде, так и к частоте. Нелинейные элементы включают в себя токовые и напряженческие части, перегрузочные магнитные шунты и частотно-чув- 23 ствительные элементы, такие, как диск, квадратурный и антифрикционный контуры. Восприимчивость счетчика к частотам, находящимся за пределами расчетных параметров, невелика. Исследования показали, что обычно индукционные счетчики завышают мощность, потребляемую преобразователями, на несколько процентов (были отмечены случаи до 6 %) в основном вследствие слабого демпфирования в интервалы отсутствия тока. Такие потребители оказываются автоматически наказанными за внесение искажений в сеть, поэтому в их собственных интересах установка соответствующих средств для подавления гармоник. Повышенные показания счетчиков хорошо компенсируют добавочные потери мощности в сети энергосистемы, вызываемые гармониками. Количественных данных о влиянии гармоник на точность измерения максимума нагрузки нет, однако предположительно оно такое же, как и на точность измерения энергии. Точное измерение энергии независимо от формы кривых тока и напряжения обеспечивается электронными счетчиками, имеющими более высокую стоимость. Гармоники оказывают воздействие и на точность измерения реактивной мощности, которая точно определена лишь для случая синусоидальных токов и напряжений, и на точность измерения коэффициента мощности. Редко упоминается влияние гармоник на точность поверки и калибровки приборов в лабораториях, хотя эта сторона вопроса также важна. 24 3. Влияние электромагнитного воздействия на элементы системы электроснабжения Электромагнитные влияния могут проявляться в виде обратимых и необратимых нарушений. Так, в качестве обратимого нарушения можно назвать шум при телефонном разговоре. К необратимому нарушению относится сбой в работе системы релейной защиты, приведший к отключению нагрузки. В таблице 3.1 приведены примеры повреждений и неправильной работы устройств РЗА, вызванных воздействиями электромагнитных помех. Таблица 3.1 - Примеры повреждений и неправильной работы устройств РЗА из-за воздействия электромагнитных помех № п.п. 1 1 2 3 Событие 2 Последствия 3 Коммутации в первичных цепях Коммутация Ложная работа РЗА. разъединителем на Отключилась линия ПС с элегазовым РУ 110 кВ Коммутация Ложная работа РЗА. выключателем 10 кВ Отключилась линия на ПС с закрытым РУ 110 кВ Коммутация Повреждение разъединителем на электронного реле ПС с элегазовым РУ 4 Коммутация разъединителем на ПС с элегазовым РУ 5 Коммутация выключателем 110 кВ на ПС с открытым РУ Сбой в работе автоматики контроля плотности элегаза. Заблокировано управление выключателями 110 кВ Ложное отключение выключателя 220 кВ Причины 4 Неисправно ЗУ. Высокий уровень импульсных помех Импульсные помехи в сети постоянного тока более 2 кВ Высокий уровень импульсных помех. Низкая помехоустойчивость реле Низкая помехоустойчивость аппаратуры Импульсные помехи в цепях оперативного тока 25 Продолжение таблицы 3.1 1 2 6а 6б 7 8 9 10 11 12 3 4 Короткие замыкания на землю в цепях высокого напряжения КЗ на землю на Повреждение Неисправно ЗУ. шинах 110 кВ ПС аппаратуры РЗА, с открытым РУ коммутационных аппаратов в сети постоянного тока. Отключились 6 линий 110 кВ Ближнее КЗ на землю Возгорание кабелей в Перекрытие с ЗУ на ПС с открытым РУ кабельном канале цепи постоянного тока КЗ на шинах 110 кВ Ложная работа Неисправно ЗУ. ПС с открытым РУ Отключилась линия 500 кВ КЗ на шинах ПС с за- Ложная работа РЗА. Неисправно ЗУ. крытым РУ Отклюючилась линия 110 кВ КЗ на шинах ОРУЛожно отключается Неисправно ЗУ. 110 кВ открытой ПС блок генераторов на с открытым РУ ТЭЦ Удары молнии в территорию подстанции Удар молнии в Повреждение Неправильно выполмолниеприемник на устройств системы нена молниезащита ОРУ ПС автоматического управления. Загорелось реле на распределительном щите Удар молнии в Отключение 8 Неправильно выполмолниеприемник выключателей на РУ нена молниезащита ОРУ ПС 110 кВ, 2 на РУ 220 кВ Стационарные режимы Нормальный режим Ложно работает на ТЭЦ микропроцессорная защита генератора. Отключился блок генератора Помехи в цепях дискретных сигналов. Неэкранированный кабель 26 4 Нормы и рекомендации по электромагнитной совместимости 4.1 Нормативная база на радиопомехи и акустические шумы Для решения задач электромагнитной совместимости линий электропередачи и радиоприемных устройств различного назначения (т. е. для обеспечения их функционирования без ухудшения качественных показателей) важное значение имеют реальные уровни напряженности поля помех, создаваемых ВЛ. Помехи от ВЛ могут возникать не только от короны на проводах, но и вследствие частичных разрядов и короны на изоляторах, пробоя или перекрытия дефектных изоляторов, короны на линейной арматуре и распорках проводов расщепленной фазы, а также из-за искрения между элементами линейной арматуры, распорок проводов и между изоляторами. Снижению радиопомех от ВЛ и улучшению электромагнитной обстановки вдоль трасс способствует нормирование уровней радиопомех от ВЛ. Принятие норм создает юридическую основу взаимоотношений между проектировщиками и владельцами радиоприемных средств и объектов. Нормирование радиопомех от ВЛ требует от проектировщиков и владельцев ВЛ принятия мер к тому, чтобы уровень радиопомех не превышал допустимых величин в течение заданного процента годового времени. В большинстве стран установлены национальные нормы на величины напряженности поля помех, создаваемых воздушными линиями электропередач и высоковольтным оборудованием. В таблице 4.1 приведены нормы на радиопомехи от ВЛ ряда стран. Для сравнения требований национальных норм допустимые уровни радиопомех были пересчитаны на расстояние 100 метров от ВЛ и на частоту 0,5 МГц, рекомендованную СИСПР (Международный специальный комитет по радиопомехам) в качестве базисной при расчетах. Из таблицы видно, что нормы Российской Федерации так же как нормы Польши, устанавливают более высокие уровни допустимых помех, чем нормы других стран. Для оценки мешающего влияния ВЛ на радиоприем должны быть использованы не только абсолютные значения напряженности поля помех, но и значения отношения сигнал/помеха. Понятие отношения сигнал/помеха означает отношение напряженности поля полезного сигнала и напряженности поля помех, измеренных в одном и том же месте. 27 Одна и та же линия электропередачи может считаться источником значительных помех для районов с низким уровнем полезного сигнала и малых помех в зонах с высоким уровнем сигнала. Таблица 4.1 - Сравнение норм различных стран на радиопомехи от линий электропередачи №№ п.п. Страна Частота измерения Место измерения Погодные Условия %% времени Нормы дБ 1. РФ 0,5 МГц 80 43 2. США 1 МГц Расстояние от крайней фазы 100 м Расстояние от проекции крайней фазы ВЛ 362 кВ – 14 м, ВЛ>550 кВ – 20 м 80 52 Под линией На границе зоны отчуждения (30 м) Расстояние от проекции крайней фазы на землю 50, дождь В хорошую погоду 50, хорошая погода 3. 4. Япония Индия 1 МГц 0,5 МГц 5. Польша 0,5 МГц Допустимые уровни радиопомех на расстоянии 100 м от проекции крайней фазы на землю. Прибор СИСПР, дБ В 80% хорошую времени погоду 37,0 43,0 27,3 33,6 53 46 29,6 24,9 24,7 35,6 30,9 30,7 46 27,6 33,6 Исходной величиной при разработке норм на радиопомехи является гарантированный уровень защищенного полезного сигнала. В соответствии с международной практикой за минимальную напряженность поля радиосигнала, которую необходимо защищать от помех на частоте 1 мегагерц, принят уровень 60 децибел, а на частоте 0,5 мегагерц — 66 децибел. Взаимосвязь между отношением сигнал/помеха и качеством приема устанавливалась опытным путем. 28 4.2 Влияния линий электропередачи на линии связи и рекомендации по электромагнитной совместимости Линии электропередачи (ВЛ) оказывают на линии проводной связи влияния, которые обусловлены различными механизмами взаимодействия и при определенном взаимном расположении между линиями электропередачи и связи могут достигать значения, представляющие опасность для обслуживающего персонала и превышающие электрическую прочность кабеля связи и вводных устройств аппаратуры уплотнения. Влияние за счет индуктивной связи обусловлено прохождением части или всего переменного тока ВЛ по цепи провод-земля. Это может иметь место, например, при несимметричной нагрузке трехфазных ВЛ, при работе ВЛ по системе два провода-земля, при однофазных или двухфазных замыканиях ВЛ на землю. Магнитному влиянию подвержены все линии проводной связи, как воздушные, так и кабельные. Влияние за счет емкостной связи обусловлено наличием вокруг проводной ВЛ электрического поля. Провода линий связи (ЛС), находящиеся в зоне действия поля, оказываются под воздействием потенциала этого поля. Электрическому влиянию подвержены провода воздушных линий связи, а также кабельные линии связи, выполненные кабелем без металлических оболочек, подвешенным на опорах или стойках. Влияние через гальваническую связь (полное сопротивление связи) обусловлено протеканием в земле силовых токов. Гальваническому влиянию подвержены заземленные металлические оболочки кабелей и цепи воздушных и кабельных ЛС, использующих землю в качестве обратного провода. Расчет продольных ЭДС в проводах связи при аварийном режиме ВЛ с заземленной нейтралью производят для наиболее неблагоприятного случая положения точек короткого замыкания, изменяя места их расположения по длине сближения. При расчете продольной ЭДС рассматривают короткое замыкание ВЛ из графика в самой неблагоприятной точке, т.е. случай, когда влияние будет наибольшим. Обычно это соответствует короткому замыканию в начале или конце сближения. Экранирование. При расчетах уровней влияния ВЛ и ЛС необходимо учитывать экранирующее действие различных металлических коммуникаций, расположенных в зоне влияния и соединенных с землей. К таким коммуникациям могут быть отнесены железнодорожные рельсы, трубопроводы, оболочки силовых кабелей и кабелей связи, тоннели и коллекторы, грозозащитные тросы ВЛ и т.д. Экранирующее действие зависит от собственного сопротивления экрана, расположения его относительно ВЛ и ЛС, условий заземления, удельного сопротивления земли, а для экранов с магнитными материалами также от продольной ЭДС, наводимой в экране влияющим током. 29 Мероприятия по защите от опасного влияния. Если по техническим и экономическим или эксплуатационным соображениям оказывается невозможным или нецелесообразным выбрать трассу проектируемой ВЛ или ЛС таким образом, чтобы индуктируемые в проводах ЛС напряжения не превышали допустимых значений, применяют специальные меры защиты. К мерам защиты на ВЛ относятся: - применение хорошо проводящих заземленных грозозащитных тросов, а также специальных проводников, проложенных в земле; - частичное разземление нейтралей трансформаторов высоковольтной сети, обеспечивающее снижение токов короткого замыкания ВЛ; - применение на ВЛ с изолированной нейтралью аппаратуры для контроля состояния изоляции фазовых проводов по отношению к земле или перекоса фазных напряжений, обеспечивающей скорейшее обнаружение и устранение электрического влияния ВЛ на ЛС; - частичное или полное каблирование ВЛ на городских участках; - использование быстродействующей защиты, ускоряющей отключение поврежденной ВЛ с заземленной нейтралью. К специальным мерам защиты на ЛС относятся: - включение специальных разрядников между каждым проводом и землей. Для воздушных ЛС, как правило, общее количество разрядников на 100 км ЛС не должно превышать дли уплотненной цепи 15 шт., для неуплотненной цепи - 25 шт. Допустимое количество разрядников ограничивается эксплуатационными соображениями и поэтому по соглашению между заинтересованными сторонами допускается в исключительных случаях установка большего количества разрядников. Защита разрядниками цепей полуавтоматической блокировки и цепей фидерных линий проводного вещания не допускается; - включение разделительных трансформаторов в телефонные цепи без дистанционного питания и разделительных трансформаторов с защитными контурами при наличии дистанционного питания; - включение дренажных катушек или дросселей с заземленной средней точкой в телефонные цепи без дистанционного питания и дренажных катушек с резонансными заземляющими контурами в телефонные цепи с дистанционным питанием; - частичное или полное каблирование ЛС; - замена железобетонных или металлических опор ЛС на деревянные (в том числе с железобетонными приставками) в пределах усилительного участка ЛС, на котором имеются опасные сближения с ВЛ; - по соглашению заинтересованных сторон введение высоковольтного режима обслуживания ЛС; - включение редукционных трансформаторов; - замена кабеля связи на кабель с повышенным защитным действием и др. 30 Защита цепей ЛС с помощью редукционных трансформаторов. Одной из мер защиты линий связи от опасного и мешающего влияния линий высокого напряжения являются применение редукционных трансформаторов (РТ). Применение редукционных трансформаторов в ряде случаев дает значительный экономический эффект по сравнению с другими мерами защиты. Редукционный трансформатор представляет собой два О-образных магнитопровода из электротехнической стали Э-320 (толщина пластин 0,35 мм), на которых размещена обмотка. Роль первичной обмотки трансформатора выполняет оболочка (внешний проводник) кабеля, роль вторичной обмотки — жилы (внутренний проводник) кабеля. На магнитопроводе трансформатора размещены одновременно две одинаковые обмотки, выполненные кабелем в целях защиты с помощью одного трансформатора сразу двух кабелей при двухкабельной системе связи. При однокабельной системе связи обмотки этого трансформатора включаются последовательно. Трансформатор размещен в стальном герметичном корпусе, покрытом антикоррозийной краской. Для ввода защищаемого кабеля в корпусе предусмотрены специальные отверстия. Принцип действия РТ заключается в следующем. Первичная обмотка включается в разрез металлических покровов кабеля, которые заземляются по концам защищаемого участка, вторичная обмотка — в разрез жил кабеля. При протекании тока в цепи металлические покровы — земля и, следовательно, в первичной обмотке во вторичной обмотке индуцируется ЭДС, направление которой противоположно ЭДС, индуцированной в жилах кабеля от влияния линий высокого напряжения. Таким образом, суммарная ЭДС в жилах кабеля уменьшается. 4.2.2 Мешающие влияния Мешающие влияния ВЛ на цепи ЛС возникают при исправном состоянии ВЛ и действуют все время, пока ВЛ находится под напряжением. Мешающие напряжения в телефонных каналах тональной частоты создаются электрическими полями токов и напряжений ВЛ как основной частоты, так и частот гармонических составляющих токов и напряжений ВЛ. Мешающие напряжения в телефонных каналах высокой частоты создаются магнитными и электрическими полями токов и напряжений каналов высокочастотной связи по проводам ВЛ. Если симметричная трехфазная ВЛ с изолированной нейтралью будет оставаться в работе при условии заземления одной из фаз на срок свыше 2 ч, то следует определять мешающее влияние такой ВЛ при ее работе в этом режиме работы. 31 При расчете мешающих напряжений в телефонных цепях ЛС от влияния ВЛ с изолированной нейтралью учитывается магнитное влияние фазных токов и электрическое влияние фазных напряжений ВЛ в нормальном режиме ее работы при ширине сближения до 30 м и только магнитное влияние фазных токов при ширине сближения свыше 30 м. При аварийном режиме работы такой ВЛ учитывается электрическое влияние фазных напряжений. При расчетах мешающих влияний в телефонных цепях ЛС от ВЛ с заземленной нейтралью необходимо учитывать магнитное влияние фазных токов, токов нулевой последовательности и электрическое влияние фазных напряжений ВЛ при ширине сближения до 50 м. При ширине сближения от 50 до 200 м учитывается магнитное влияние фазных токов и токов нулевой последовательности, при ширине сближения более 200 м — только магнитное влияние токов нулевой последовательности. Меры защиты от мешающего влияния. К специальным мерам защиты на ВЛ относятся запрещение режима работы по системе два проводаземля или провод-земля. К специальным средствам защиты на ЛС относятся: - частичная или полная замена воздушной ЛС на кабельную. Это дает возможность полностью исключить электрическое влияние на участках каблирования, снизить напряжение помех от магнитного влияния в соответствии с коэффициентом экранирования оболочки и брони кабеля, а также практически не считаться с возможностью влияния высокочастотных каналов связи по ВЛ на ВЧ каналы по цепям ЛС, работающих в совпадающем спектре частот; - применение кабелей со специальной оболочкой и броней, обеспечивающих повышенное экранирующее действие от влияния ВЛ; - изменение профиля ЛС с крюкового на траверсный; - отказ от использования каналов тональной частоты и замена их высокочастотными каналами; - применение в телефонных каналах специальных устройств, позволяющих снизить эффективность воздействия помех на передаваемый разговор в 3 - 4 раза; использование на кабельных ЛС редукционных и других трансформаторов. 32 5 Источники помех. Чувствительные к помехам элементы. Электронные средства автоматизации. Линии связи и передачи данных Источники электромагнитных влияний могут быть естественного или искусственного происхождения. Электромагнитные влияния наблюдаются во всем спектре электромагнитных колебаний начиная с частоты 0 Гц. Это электростатические и магнитостатические влияния постороннего поля на стрелочные измерительные приборы, осциллографы и измерительные мосты, влияния фона переменного тока частотой 50 Гц, линий электропередач, сверхнизкочастотных коммуникационных систем, радио- и телевизионных передатчиков, электромедицинской аппаратуры и устройств, радиолокационной техники, микроволновых печей и космических источников. К этому добавляются влияния многочисленных переходных процессов в электрических цепях разного рода, чьи широкополосные высокочастотные излучения охватывают большие участки спектра. В зависимости от того, возникают ли электромагнитные влияния при преднамеренном производстве и применении электромагнитных волн или они являются паразитными и имеют мало общего с первичной функцией источника, различают функциональные и нефункциональные источники помех. Функцональные источники - это прежде всего радио- и телепередатчики, которые распространяют электромагнитные волны через передающие антенны в окружающую среду в целях передачи информации. К этой группе относятся также все устройства, которые излучают электромагнитные волны не для коммуникативних целей, например генераторы высокой частоты для промышленного или медицинского применения, микроволновые печи, устройства радиоуправления и т. д. Нефункциональные источники. К ним относятся автомобильные устройства зажигания, люминесцентные лампы, сварочное оборудование, релейные и защитные катушки, электрический транспорт, выпрямители тока, контактные и бесконтактные полупроводниковые переключатели, проводные линии и компоненты электронных узлов, переговорные устройства, атмосферные разряды, коронные разряды, коммутационные процессы в сетях высокого напряжения, разряды статического электричества, быстро меняющиеся напряжения и токи в лабораториях техники высоких напряжений, при проведении электрофизических экспериментов, технологическом использовании мощных импульсов и т. д. В то время как соблюдение электромагнитной совместимости функциональных источников оказывается сравнительно простым (их природа как передатчиков чаще всего очевидна с самого начала), то 33 выявление нефункциональных источников оказывается сложной задачей. Их существование проявляется чаще всего в процессе поиска причины неожиданного аварийного поведения приемной системы. Поэтому идентификация нефункциональных источников помех является важной задачей при обеспечении ЭМС. Только когда установлены источники помех и их механизмы связи, обеспечение электромагнитной совместимости оказывается сравнительно простым. 5.1 Классификация источников помех Источники электромагнитной энергии классифицируются в основном по картине их проявления в диапазоне частот, иными словами, по излучаемому ими высокочастотному спектру. Различают узкополосные и широкополосные источники. Как уже отмечалось, процесс называется узкополосным, когда энергия спектра сосредоточена в основном в относительно узкой полосе частот около некоторой фиксированной частоты ω0 или широкополосным, если указанное условие не выполняется (рисунок 5.1). Дадим количественные оценки определения широкополосного и узкополосного источника для чего введем понятие энергетического спектра импульсного или периодического процесса. Для импульсного процесса энергетический спектр определяется формулой: F ( )  2 2  X ( ) , T где Т – длительность импульса. Для периодического процесса  F ( )   n 0   C 2 2 n  (  n 0 ) , где   2 при n=0 и   1 при n  1 . Пусть энергетический спектр процесса имеет максимальное значение при частоте  0 равное F ( 0 ) . Тогда шириной полосы энергетического спектра назовем величину площади под кривой энергетического спектра, отнесенную к величине энергетического спектра на частоте  0 :  1 П  F ( )d . 2F ( 0 ) 0 Эту величину можно трактовать как ширину равномерного в полосе  П энергетического спектра процесса, эквивалентного данному по средней мощности. С учетом введенного определения  П условие узкополосности процесса определяется количественно, как  0   П . Если данное условие не выполняется, процесс следует рассматривать как широкополосный. 34 Источники узкополосных помех, как правило, являются искусственно созданными человеком. Это, например радиопередатчики, которые на предоставленных им частотах излучают больше мощности, чем допустимо, любительские радиопередатчики, устройства, излучающие высшие гармоники, возникающие вследствие нелинейности элементов передатчиков, медицинские и промышленные высокочастотные генераторы или просто электросеть частотой 50 Гц. Такие источники характеризуются амплитудой или действующим значением помехи при соответствующей частоте (линейчатый спектр). Рисунок 5.1 - Разделение передатчиков электромагнитной энергии на узкополосные и широкополосные источники Широкополосные помехи обладают спектром с очень плотно или даже бесконечно близко расположенными друг к другу спектральными линиями (непрерывный спектр, спектральная плотность распределения амплитуд). Типичные представители - это естественные помехи (например, космический шум), а также все непериодические переходные процессы. Источники широкополосных помех целесообразно подразделить также на источники шумовых и переходных помех. Шумовые помехи состоят из многих, вплотную соседствующих или перекрывающихся импульсов различной амплитуды, которые нельзя разделить. Переходные помехи четко отличимы одна от другой и обладают сравнительно малой степенью повторяемости, проявляются в виде импульсов. Помехи могут быть распределены статистически, например, при короне на воздушной линии, быть периодическими, например в цепях фазовой отсечки тиристорных устройств или непериодическими, например при выключении катушек реле. Классическая электромагнитная совместимость, главной целью которой был контроль радиопомех, и современная интерпретация электромагнитной совместимости существенно различаются. Согласно первой, вполне могут быть допущены отдельные переходные импульсные помехи, т. е. одноразовые или редко повторяющиеся помехи в виде импульсов, в то время 35 как при определенных обстоятельствах однократный импульс помехи в устройствах управления электростанцией может привести к дорогостоящим простоям, а в авиационных и космических устройствах - к тяжелым последствиям. Источники периодических несинусоидальных помех, например сети вентильных преобразователей тока с линейчатым спектром высших гармоник, являются в зависимости от ширины полосы приемника узкополосными или широкополосными источниками, так как одна или несколько линий спектра могут быть расположены внутри полосы приемника. Широкополосные сигналы следует различать и по когерентности. При когерентных широкополосных сигналах реакция приемника пропорциональна ширине его полосы. Для некогерентных сигналов, спектральные составляющие которых соотносятся произвольно, реакция приемника пропорциональна квадратному корню ширины его полосы. 5.2 Источники узкополосных помех 5.2.1 Передатчики связи Передатчики связи производят электромагнитную энергию в целях передачи или получения информации и излучают ее контролируемым образом в окружающую среду (функциональные передатчики). Их можно грубо разделить на пять групп (рисунок 5.2). Разрешенные мощности передач на соответствующих частотах установлены в зависимости от регионального положения, времени и направленности передач в согласии с Международным телекоммуникационным союзом (ITU) и добровольно подчиняющимися ему национальными учреждениями для распределения спектра среди пользователей. У работающих на одной и той же частоте передатчиков связи электромагнитная совместимость основывается на их пространственном отдалении друг от друга или ограниченном радиусе действия. Рисунок 5.2 - Классификация передатчиков связи 36 Для поддержания сложившегося в международных отношениях договорного использования спектра ввод в эксплуатацию нового передатчика требует разрешения властей, которое может быть выдано только после проверки или доказательства его ЭМС. Радиоконтрольные службы осуществляют надзор за соблюдением технической спецификации передатчиков, обнаруживают незарегистрированные передатчики и радиопомехи и т. д. Наличие разрешения властей на эксплуатацию не препятствует передатчикам связи выступать в качестве мощных источников помех, несмотря на то, что в их непосредственной близости должны работать чувствительные приемные системы. Поэтому не следует удивляться, если автоматизированные системы действуют с ошибками, когда имеющий разрешение радиотелефонный аппарат слишком близко приближается к ним. По этой причине часто отказываются от радиотелефонов в непосредственной близости от систем управления технологически процессами и энергетическими системами. Излучения передатчиков связи, как правило, узкополосные и чаще содержат несущую частоту, боковые полосы, а также гармонические и негармонические высшие составляющие. Передатчики связи функционируют, начиная от диапазона инфранизкой частоты в несколько десятков герц (для связи с подводными лодками) до нескольких сотен гигагерц. 5.2.2 Генераторы высокой частоты Большое количество используется в промышленности, науке и медицине, а также в домашнем хозяйстве, например генераторы для высокочастотного нагрева, индукционной закалки, пайки и плавки, диэлектрической сушки клея, электротерапии, микроволновые печи. К ним следует добавить генераторы для имплантации ионов при катодном распылении, циклические высокочастотные ускорители элементарных частиц (циклотроны, синхротроны) и т. д. Все перечисленные приборы целенаправленно производят высокочастотную энергию, чтобы вызвать локальные электрофизические действия. Поэтому они относятся к группе функциональных передатчиков. Посредством переменных магнитных полей 50 Гц - 1 МГц индукционными вихревыми токами могут быстро нагреваться проводящие детали. Глубина проникновения поля в деталь зависит от частоты. Посредством высокочастотных электрических полей за счет освобожденного тепла вследствие объемного эффекта трения вибрирующих диполей можно быстро нагревать обладающие потерями диэлектрики. Частоты лежат, как правило, в интервале 1-100 МГц. Электрические, магнитные и электромагнитные поля используются в медицине для теплового лечения суставов и внутренних органов (27— 2450 МГц). Кроме этого, генераторы высокой частоты для возбуждения ультразвуковых колебаний находят применение в терапии (примерно 1 МГц) 37 и диагностике (1—5 МГц), электромагнитные поля частотой, например, 2450 МГц, используются в микроволновых печах. В фундаментальных исследованиях, испытаниях материалов, лучевой терапии, литографии ускоряют элементарные частицы до энергии 20 ГэВ при частотах 10—200 МГц. Большинство высокочастотных устройств работают на частотах 13,56 МГц, 27,12 МГц, 40,68 МГц, 433,92 МГц, 2450 МГц, 5800 МГц, 24125 МГц, которые предусмотрены для вышеупомянутых аналогичных применений. При достаточном экранировании установки могут применяться также другие частоты. При работе на предусмотренных частотах следует экспериментально доказать, что уровни высших гармоник излучений установок не превышают граничных значений для источников радиопомех. Кроме этого при наличии излучения следует обеспечить совместимость установок со средой обитания человека. 5.2.3 Радиоприемники. Приборы с кинескопами. Вычислительные системы. Коммутационные устройства Хотя рассматриваемые в этом разделе приборы в основном являются объектами электромагнитных влияний, они нередко сами создают помехи. Все названные приборы для выполнения своих функций нуждаются в собственных генераторах, которые через входные и выходные провода, а также через шасси и корпусы отдают электромагнитную энергию во внешнюю среду. 1. Супергетеродинные приемники смешивают частоту входного высокочастотного напряжения с частотой гетеродина в так называемую промежуточную частоту, поступающую в усилители промежуточной частоты, и излучают как установленную частоту гетеродина, так и постоянную промежуточную частоту вместе с высшими гармониками. Промежуточная частота радиовещания составляет при амплитудной модуляции (AM) 455 кГц, при частотной модуляции (ЧМ) 10,7 МГц. У приемников телевизионного вещания промежуточная частота звукового сопровождения составляет 5,5 МГц (ФРГ), 6,5 МГц (Восточная Европа) или 4,5 МГц (США), промежуточная частота изображения - 38,9 МГц, их средняя частота 36,5 МГц. 2. Приборы изображения (телевизионные приемники, терминалы вычислительных машин, осциллографы) создают помехи благодаря наличию в них генераторов развертки, используемых для построения изображения. Частота строк составляет 15,75 кГц у простых и примерно 35 кГц и даже 65 кГц у профессиональных мониторов. У высокочастотных осциллографов частота генератора отклоняющего напряжения может достигать 1 МГц. 3. Вычислительные системы выступают как передатчики помех от таймера центрального процессора, а также из-за влияния периферийных приборов (терминалы, печатающие устройства) и относящихся к ним соединительных линий. Коммутационные устройства напоминают о себе 38 чаще всего при основной частоте колебаний выше 16 кГц в результате излучений, как на основной частоте, так и на частотах гармоник. Излучения перечисленных в этом разделе приборов не должны превышать допустимые уровни радиопомех, установленные в соответствующих нормативных документах. При большой плотности расположения узла вычислительной машины - монитора, печатающего устройства, плоттера и других - может иметь место неправильное ее функционирование. Как правило, эти помехи можно устранить путем увеличения расстояния и соответствующей пространственной ориентацией компонентов. 5.2.4 Влияние на сеть Под влиянием на сеть понимают появление высших гармонических составляющих напряжения и его колебания в сетях электроснабжения за счет электрического оборудования с нелинейной или меняющейся по времени вольтамперной характеристикой. Так, трансформаторы и двигатели с высокой индуктивной нагрузкой, управляемые при помощи электронных регуляторов приводы, вентильные преобразовали тока для электролиза, газоразрядные лампы, телевизионные приемники даже при синусоидальном напряжении сети вызывают несинусоидальные токи, которые вдоль их пути к электрооборудованию создают на полных сопротивлениях сети несинусоидальные падения напряжения. Падения напряжения, создаваемые токами потребителей, ведут к искажению синусоидальной формы напряжения сети с частотой 50 Гц и к появлению гармоник. Субгармоники, вызванные дуговыми электропечами и электросварочными аппаратами, достигают миллигерцевого диапазона и ведут к периодическим и непериодическим колебаниям напряжения. Как высшие гармоники, так и колебания напряжения могут привести к повреждению технических сооружений, электрическим и термическим перегрузкам конденсаторов и двигателей, к ошибочному функционированию устройств измерения, управления и регулирования, а также систем обработки данных, управления, линий передачи данных, приемников кругового обзора, устройств связи. При колебаниях напряжения возникает также физиологическое воздействие на человека, когда колебания яркости осветительных устройств (мерцания или фликер) воспринимаемые глазом, вызывают нежелательные воздействия на мозг. В то время как вентильный преобразователь тока, как правило, вызывает только гармоники кратные основной частоте, порядок которых для выпрямителя можно вычислить, например, согласно k  np  1 , где p - т.н. пульсность преобразователя, а n - числа натурального ряда ( n =1,2,3,…) преобразователи частоты и переходные процессы вызывают помехи с любыми частотами. Наконец, к влиянию сети относят также асимметрию, вызванную включенными между фазами однофазными потребителями, например сварочными машинами или дуговыми электропечами. 39 5.2.5 Влияние линий электроснабжения В густонаселенных областях воздушные линии электропередачи высокого напряжения с частотами 50 Гц и линии связи телеуправления газопроводами и нефтепроводами часто располагаются параллельно друг другу на протяженных участках. Вследствие омической, индуктивной и емкостной связей возникают нежелательные влияния на линии связи и линии передачи данных, а также на устройства катодной защиты от коррозии трубопроводов. Кроме этого, недопустимо высокие напряжения прикосновения могут представлять угрозу для людей. Влияния сети разделяются на долговременные, кратковременные и импульсные. К источникам долговременного влияния относят рабочие токи при нормальной работе, токи заземления в сетях со скомпенсированной нейтралью, а также в проводах, находящихся под высоким напряжением и обладающих большой емкостью относительно земли. Источниками кратковременных влияний являются токи коротких замыканий и токи замыкания двух фаз на землю длительностью в несколько десятых секунды. Наконец, импульсные влияния возникают в результате перенапряжений при переключениях. Если раньше проблемы влияния решались исключительно мерами со стороны линии электропередачи, например путем симметричного расположения проводов трехфазной линии в виде равностороннего треугольника (суммарная напряженность поля примерно равна нулю), скручиванием несимметрично расположенных проводов, резонансным заземлением нейтрали (малые токи замыкания фаз на землю), то в 50-е годы было установлено заземление нейтрали сетей напряжением 220 кВ и появившихся в это время сетей 380 кВ. Влияние линий сильного тока является классической областью ЭМС. 5.3. Источники широкополосных импульсных помех 5.3.1 Исходный уровень помех в городах Вследствие высокой плотности населения и движения транспорта в городах имеет место значительный исходный уровень широкополосных помех, который возникает от систем зажигания автомашин, городских транспортных магистралей, домашних приборов, газоразрядных ламп, местных генераторов, приборов цифровой техники. Измеренные в прошлом в разных городах исходные уровни помех имеют различный характер, который зависит от географического положения города и времени года. В национальных стандартах приведены уровни помех, различающиеся на 20— 40 дБ в зависимости от вида транспорта (метро, трамвай на постоянном или переменном токе), а также от уровня обшей плотности движения (включая воздушные сообщения). Подробнее рассмотрим некоторые типичные источники широкополосных помех. 40 5.3.2 Автомобильные устройства зажигания При прерывании первичного тока i1 (t ) в катушке зажигания возникает изменение тока di1 (t ) / dt . Связанное с этим изменение магнитного потока dФ1 (t ) / dt индуктирует во вторичной обмотке катушки зажигания высокое напряжение u 2 (t ) (рис.2.3). Небольшие паразитные напряжения индуктируются также и в других проводящих контурах этой и соседних автомашин (магнитная связь проводящих контуров). Индуктируемый в обмотке высокого напряжения импульс вызывает на проводах зажигания высокую скорость изменения напряжения du 2 (t ) / dt , которая вследствие тока смещения icm  C пар du 2 (t ) / dt через паразитные емкости также может вызывать в соседних контурах и проводниках помехи (емкостная связь). СГ - искрогасительный конденсатор для защиты контактов прерывателя; Спар. - паразитные емкости Рисунок 5.3 - Возбуждение импульса высокого напряжения в автомобильных устройствах зажигания При разрыве тока распределителем в цепях зажигания в результате разряда емкости вторичной обмотки вновь возникают быстрые изменения напряжения и тока, которые за счет индукции и взаимного влияния вызывают помехи. В зависимости от того, соединены ли соседние системы петлей или звездой и являются ли они высокоомными или низкоомными, влияние имеет емкостный или индуктивный характер. Типичные плотности амплитуд помех по напряженности электрического поля вблизи городских улиц лежат между —20 и + 20 дБ мкВ/м/кГц. Частоты помех достигают гигагерцевого диапазона. 41 5.3.3 Газоразрядные лампы Люминесцентные лампы низкого напряжения, встречающиеся в домашнем хозяйстве, офисах, универмагах, могут являться источниками помех (рисунок 5.4). Рисунок 5.4 - Низковольтная люминесцентная лампа с катушкой индуктивности ограничения тока и стартером тлеющего разряда СТ При включении в стартере СТ (лампа тлеющего разряда с биметаллическим электродом) возникает тлеющий разряд, в результате чего выделяется тепло, деформирующее биметаллический электрод, который замыкает цепь тока спиралей накала обоих главных электродов люминесцентной лампы. Одновременно замкнутый контакт гасит тлеющий разряд в стартере. После охлаждения биметаллического электрода ключ стартера вновь размыкается, причем разрыв приводит к возникновению на катушке индуктивности напряжения самоиндукции Ldi(t)/dt в несколько киловольт. Это импульсное напряжение зажигает между предварительно нагретыми главными электродами газовый разряд. При последующих прохождениях тока через нуль разряд затухает, но затем периодически зажигается вновь при каждом полупериоде напряжения сети, поскольку напряжение зажигания и напряжение горения лампы в результате повышения температуры электродов соответственно понизились, (нагревание вызывает уменьшение анодного и катодного падений напряжения). Недостаточная температура электродов ведет к известным многократным попыткам зажигания люминесцентных ламп. При стационарной работе стартер тлеющего разряда больше не срабатывает, так как его напряжение зажигания больше напряжения горения и напряжения повторного зажигания люминесцентной лампы с теплыми электродами. Люминесцентные лампы низкого напряжения создают помехи не только при включении вследствие появления одного или нескольких импульсов напряжения сравнительно большой амплитуды, но также при работе в результате периодических затуханий и новых зажиганий разряда или после каждого прохождения тока через нуль при амплитудах напряжения всего в несколько сотен вольт. Так как сильные помехи возникают только при включении, то они проявляются при радиоприеме в в виде однократного щелчка или нескольких, едва ли поэтому являются важными. Однако они могут играть очень большую роль в другой ситуации, например, если лампа 42 находится по соседству с высокочувствительными медицинскими и другими измерительными приборами, а также с пациентом, имеющим сердечный стимулятор. Электромагнитные влияния, излучаемые во время стационарной работы на основной частоте 100 Гц, при малых расстояниях до приемника и отсутствии мер помехозащиты, всегда создают помехи радиоприему в диапазоне средних и длинных волн. Помехи появляются преимущественно вдоль проводов питания ламп. Люминесцентные лампы с электронными включающими устройствами содержат генератор высокой частоты (30 50 кГц), который питает лампу через LC-звено (для ограничения тока). Типичные значения содержания высших гармоник тока питания: 90% — третья гармоника, 75% — пятая и 60% — седьмая гармоника. Эти высшие гармоники в зависимости от требований стандарта должны уменьшаться посредством соответствующей фильтрации до допустимых значений, что связано с увеличением габаритных размеров лампы и затрат на ее изготовление. Наконец, наряду с чистым воздействием ламп на сеть модулированное низкой частотой инфракрасное излучение может также оказывать влияние, например при инфракрасном телеуправлении. Люминесцентные лампы для более высоких напряжений (например, световая реклама) не нуждаются в предварительном нагревании, так как их напряжение питания в каждом отдельном случае без особых трудностей может быть скоординировано с соответствующими напряжениями зажигания и горения. Газоразрядные лампы высокого давления могут создавать существенные помехи вплоть до диапазона высоких и сверхвысоких частот (более быстрый пробой при высоком давлении и малых расстояниях между электродами). Высокая температура электродов и газа позволяет уменьшить электромагнитные влияния из-за меньших значений напряжений при обрывах тока и возобновлениях разряда. 5.3.4 Коллекторные двигатели При перемене направления тока в двигателях постоянного тока и в универсальных коллекторных двигателях в обмотках и проводниках происходят быстрые изменения токов. Если при отделении края щеток и коллекторных пластин ток не равен нулю, то, как и у всех размыкающихся проводящих ток контактных выключателей он поддерживается через электрическую дугу (искрение щеток). При обрыве дуги возникает быстрое изменение тока di(t)/dt. Последнее индуктирует во включенных в цепь катушках индуктивности напряжение самоиндукции Ldi(t)/dt, а также в возможных соседних проводящих контурах напряжение взаимной индукции Mdi(t)/dt. Для локального ограничения помех включают последовательно в цепь катушки индуктивности, а параллельно со щетками — конденсаторы. Большие двигатели постоянного тока имеют специальные дополнительные полюса и компенсационные витки, которые индуктируют в обмотках якоря 43 противодействующие напряжения и в момент отделения края щетки от края коллекторной пластины обесточивают обмотку. 5.3.5 Воздушные линии высокого напряжения На поверхности проводов фаз воздушных линий высокого сверхвысокого напряжения напряженность электрического поля превышает в отдельных местах значение электрической прочности воздуха, что ведет к частичным разрядам. Вследствие неоднородности поля эти разряды существуют непосредственно вблизи провода, образуя так называемый коронный разряд. Частичные разряды вызывают в проводах импульсы тока со временами подъема и спада в диапазоне пикосекунд, которые распространяются вдоль проводов в виде электромагнитных волн. В совокупности многочисленные накладывающиеся друг на друга импульсы разрядов образуют источник шумовых помех, который ведет к нарушению радиоприема. Его спектр распространяется вплоть до диапазона ультравысоких частот. Еще одним источником помех, который чаще всего наблюдается на линиях среднего напряжения, являются искровые разряды между неплотно соединенными металлическими частями или между металлическими частями и поверхностями изолятора. Спектр этих искровых разрядов простирается до очень высоких частот и вызывает в первую очередь помехи телевизионному вещанию. Радиопомехи воздушных линий высокого напряжения в сильной степени зависят от погоды (плотности воздуха, дождя, инея) и формы верхней части опор. Несмотря на эти сложные зависимости, существуют документы, разработанные на основе обширных международных измерений, которые в определенной степени позволяют прогнозировать радиопомехи. 5.4 Источники широкополосных переходных помех 5.4.1 Разряды статического электричества При импульсном разряде статического электричества в виде искры возникают переходные напряжения и токи, связанные с переходными электрическими и магнитными полями, которые вызывают не только функциональные помехи в вычислительных машинах, пишущих машинках, телефонных аппаратах или других электронных приборах, но могут вызвать разрушения электронных компонентов. В то время как комплексные системы, например клавиатуры вычислительных машин, программируемые управляющие устройства, являются сравнительно стойкими к разрядам статического электричества, то при непосредственном касании полупроводниковых элементов и электронных узлов слабые разряды статического электричества, которые оператор при определенных обстоятельствах совершенно не замечает, оказываются достаточными для повреждения полупроводниковых элементов. 44 Заряды статического электричества возникают в виде скопления носителей зарядов одной полярности при разделении сред, до этого плотно соприкасавшихся, из которых по крайней мере одна должна быть изолятором (иначе сразу бы возникла компенсация зарядов). Они появляются, например, при ходьбе по синтетическим коврам, вставании со стульев, соприкосновения с элементами из пластмасс, сбегании бумажных или пластмассовых лент с роликов, при протекании изолирующих жидкостей по трубам, завихрении пыли, выбросе газа из ракет, трении воздуха с летающим телом и т. д. В зависимости от взаимодействующих материалов заряды могут иметь положительную или отрицательную полярность. Наиболее часто проблемы ЭМС возникают в результате разрядов статического электричества между объектом и телом человека или малогабаритной мебелью (стульями, креслами, тележками с измерительными приборами и т.д.). Поэтому ниже подробнее представлены эти источники электромагнитных влияний. В зависимости от обуви, покрытия пола и влажности воздуха человек может заряжаться примерно до 30 кВ. Начиная с этого напряжения, наступают заметные частичные разряды, которые так же, как у разрядников самолетов, вызывают увеличение проводимости окружающей среды. В результате устанавливается стационарный потенциал равновесия. Обычно возникающие при ходьбе по коврам потенциалы имеют значение от 5 до 15 кВ. Такого же порядка, однако, несколько меньшими по значению вследствие больших емкостей оказываются потенциалы мебели. Потенциалы до 2000 В часто не принимаются во внимание, однако они вполне достаточны для того, чтобы повредить полупроводниковые компоненты. Накопленная энергия в зависимости от емкости заряженного тела, равной 50 - 1500 пФ (емкость человека — 150 пФ) может составлять несколько десятых долей джоуля. Проблемы возникают при быстром импульсном разряде между заряженными телами, во время которого появляется импульсы тока со временем нарастания в наносекундном или субнаносекундном диапазоне. Во многих случаях феномен разрядов статического электричества можно с хорошим приближением смоделировать при помощи сравнительно простой схемы замещения (рисунок 5.5). Си, Rи - эквивалентные параметры замещения статически заряженного тела; Rп - последовательное сопротивление; Сз, Rз - емкость и сопротивление по отношению к земле объекта, через который происходит разряд или перезаряд Рисунок 5.5 - Схема замещения цепи разряда заряженного тела человека или заряженного проводящего предмета: 45 Сопротивление Rn в зависимости от источника помех имеет примерные значения: для человека 1 кОм, для малой мебели от 10 до 50 Ом. Если рассматривать разряд непосредственно у земли (Rз→0, Сз→  ) и принять индуктивность цепи разряда 1 мкГн/м, то в первом случае Rn>>ωL, т. е. разряд затухает апериодически с постоянной времени Т= Си Rn. Во втором случае Rn <<ωL, т. е. имеет место колебательный разряд с частотой f  1 / 2 LC и (рисунок 5.6). Время нарастания тока можно оценивать постоянной времени L/Rn. Типичную крутизну фронта тока составляют несколько десятков ампер в наносекунду, типичные максимальные амплитудные значения тока от 2 до 50 А. Обычно при разряде с тела человека имеет место большая крутизна фронта тока, при разрядке с предметов - большие амплитуды тока. В обоих случаях это объясняется различными значениями сопротивления Rn. Рисунок 5.6 - Кривая изменения тока при разряде тела человека или проводящего предмета (например, малогабаритной мебели) Параметры тока и наблюдаемое изменение его во времени колеблются в широких границах. При разряде с тела человека разряд различается в зависимости от того, исходит ли искра с кончика пальца, с большой площади тела или от инструмента (гаечный ключ), который находится в руке и т.д. Искра обладает сильно нелинейными свойствами. При слабом заряде, т.е. при потенциалах тела человека ниже примерно 8 кВ, а для проводящих предметов ниже примерно 3 кВ, искра при определенных обстоятельствах, вследствие недостаточного получения дополнительных зарядов из соседних с ней областей прерывается на короткое время и вновь зажигается, когда потенциал зоны разряда (например, кончик пальца) в результате дополнительного притока зарядов вновь поднимется. Формы кривых тока имеют в этом случае сложный вид, особенно фронт импульса. Для описания этих вариантов сосредоточенные компоненты простой схемы замещения согласно рисунку 5.5 заменяются распределенными параметрами, и переходные процессы описываются теорией длинных электрических линий. До настоящего времени мы исходили из того, что заряженное тело разряжается непосредственно на землю (Rз→0, Сз→  ) и тем самым оно принимает за короткое время потенциал земли. Но часто имеют место случаи, когда во время разряда часть зарядов стекает на другое изолированное тело (Rз→  ) например, при касании к интегральной схеме, лежащей на рабочем столе, или при касании к электронному узлу. Искра 46 прерывается тогда, когда оба тела приняли равный потенциал, если не учитывать падение напряжения на искре. Если до появления искры на конденсаторе Си находится заряд Q  C иU и , то новый потенциал U и* обоих тел может быть найден из формулы: Q  (C и  С з )U и* Исходя из этого потенциала параллельно включенные емкости разряжаются затем с постоянной времени Tз  (С и  С з ) Rи R з /(( Rи  R з ) причем, как правило, может быть принято Rп<< Rи и Rп<< Rз. 5.4.2 Коммутация тока в индуктивных цепях Отключаемые катушки индуктивности представляют собой чаще всего встречающиеся источники переходных помех в промышленных установках или в аппаратуре управления. Примером являются бесчисленные релейные катушки и катушки контакторов в устройствах автоматического управления и исполнительных органов, (например, приводы электромагнитных клапанов), а также все обмотки электрических машин и трансформаторов. При отключении возникают высокие переходные перенапряжения, которые могут приводить к повторному включению коммутируемого участка, к пробою изоляции катушки, а также к электромагнитным влияниям на соседние компоненты и коммутируемые цепи. Механизм возникновения помех всегда один и тот же, однако следует различать выключение и включение контуров тока с индуктивной нагрузкой. При отключении индуктивной цепи с током расходящиеся контакты вызывают изменение тока - di/dt. С этим связано изменение потока —dФ/dt, которое в результате самоиндукции индуктирует напряжение в цепи тока. Это напряжение в основном приложено к размыкающимся контактам и поддерживает коммутационную дугу. В цепях переменного тока дуга гаснет незадолго до прохождения тока через ноль и вновь не зажигается, если электрическая прочность контактного промежутка возрастает быстрее, чем напряжение между контактами. В цепях постоянного тока ток обрывается только тогда, когда контакты настолько удалены друг от друга, что необходимое напряжение горения дуги превышает фактически имеющееся напряжение. Наибольшее влияние возникает в результате обрыва тока, когда распад дуги и быстрое нарастание напряжения на промежутке при разведенных контактах заставляет ток падать до нуля с большой крутизной di/dt. Возникающие в результате этого ЭДС самоиндукции достигают даже у контактов низкого напряжения нескольких киловольт. Использование этого явления имеет место в автомобильных устройствах зажигания с прерывателями, в классических искровых индукторах, а также в индуктивных накопителях энергии, используемых в мощной импульсной электроэнергетике. 47 При включении индуктивных цепей протекают аналогичные процессы. Как только контакты сблизились на определенное расстояние, может произойти пробой газового промежутка, а затем при вибрации контактов многократно повторяется, хотя с меньшими амплитудами, описанное выше явление, которое имеет место при отключении цепи. Важно понимать, что создает помехи не искра как таковая, как иногда неверно интерпретируется, а ее исчезновение (обрыв тока) или ее возникновение (электрический пробой с гашением дуги или повторными зажиганиями). Чрезвычайно короткое время, необходимое для образования пробоя между контактами и для гашения дуги, объясняет высокие наблюдаемые крутые фронты изменения тока. У полупроводниковых выключателей в сильноточной электронике крутизна, как правило, меньше, однако появление высоких напряжений происходит качественно таким же образом. Уровень действующих напряжений устанавливается в зависимости от паразитной емкости катушки (рисунок 5.7). Магнитная энергия, накопленная в индуктивности L к началу процесса 1 2 отключения, рассчитывается по формуле WM  LI 2 Рисунок 5.7 - К приближенному определенно максимального значения напряжения самоиндукции с учетом емкости катушки индуктивности При разомкнутом выключателе ток катушки I может замыкаться только через емкость обмотки Спар, причем первоначально накопленная энергия переходит из индуктивности в емкость и обратно. Если рассмотреть момент, в который вся энергия как раз находится в емкостном накопителе, то, пренебрегая потерями, получим максимально возможное значение напряжения из формулы: WЭП  1 1 2 С пар.U max  LI 2 . 2 2 Само собой разумеется, при этом речь идет только о приблизительной оценке, которая, однако, является достаточно надежной. На практике максимально достижимое перенапряжение отключения существенно зависит от гасящих свойств выключателя (коммутационная среда, газ или вакуум, наличие нескольких последовательно включенных контактов и т. д.). Чем больше требуемое напряжение горения, тем раньше обрывается ток и тем больше скорость изменения тока di/dt. Перенапряжения в коммутируемых 48 индуктивных цепях являются наиболее частыми причинами помех в электронных устройствах управления. 5.4.3 Переходные процессы в сетях низкого напряжения Переходные перенапряжения или изменения напряжения в сетях низкого напряжения возникают преимущественно при обычных включениях индуктивных потребителей, что обсуждалось ранее. Однако кроме этого, перенапряжения возникают также при включении емкостных нагрузок, срабатывании выключателей защиты и предохранителей при коротком замыкании, переключениях в нагруженных сетях, а также в результате атмосферных разрядов (воздействие молнии). Повторяющиеся переходные процессы возникают в результате периодических коммутационных процессов в выпрямителях тока. В связи с различным происхождением и весьма различными внутренними сопротивлениями сетей максимальное (амплитудное, пиковое) значение U, крутизна dU/dt, временной ход и количество энергии в помехе колеблются в широких пределах. При заданном сопротивлении энергия рассчитывается как W  u П2 dt R Общие суждения о перенапряжениях могут поэтому быть основаны только с учетом статистической природы явлений. Так, можно установить, что перенапряжения на промышленных предприятиях и в жилых домах меньше различаются по своему значению, чем по частоте возникновения, и что высокие перенапряжения (больше 3 кВ) сравнительно редки (воздействие молнии, срабатывание предохранителей). К счастью, высокие перенапряжения на пути их распространения по проводам низкого напряжения очень быстро гасятся как по амплитуде, так и по крутизне. В результате их опасное воздействие ограничивается областями, соседствующими с местами возникновения. 5.4.4 Переходные процессы в сетях высокого напряжения В распределительных устройствах при замыкании и размыкании разъединителей возникают многочисленные повторные зажигания, которые могут вызвать во вторичных устройствах перенапряжения до 20 кВ. Они могут приводить к ложному срабатыванию зашиты сети или даже к повреждению вторичных устройств. На примере подключения короткого обесточенного участка линии к находящейся под напряжением сборной шине можно наглядно объяснить причину возникновения перенапряжений (рисунок 5.8). Если напряжение пробоя сближающихся контактов становится меньше максимального значения переменного напряжения, происходит первый пробой, во время которого подключаемый участок линии приобретает потенциал шины. Если ток уменьшился до значений, которыми можно пренебречь, дуга обрывается. Так как изолированный участок линии сохраняет свой потенциал, второй пробой происходит, если мгновенное 49 значение переменного напряжения общей шины вновь отличается от значения потенциала отсоединенного участка линии на значение напряжения пробоя ставшего за это время меньшего промежутка между контактами. Этот процесс неоднократно повторяется до тех пор, пока контакты не будут касаться друг друга (рисунок 2.8). Рисунок 5.8 - Возникновение перенапряжения при включении короткой ненагруженной линии (идеальный случай) Быстрые положительные и отрицательные изменения потенциала подключаемого участка линии вызывают токи смещения через паразитные емкости относительно соседних проводов i  C пар. dU / dt ,максимальные значения которых из-за большой крутизны изменения напряжения могут принимать большие значения. Обусловленные током заряда линии и током смещения магнитные поля индуктируют в соседних контурах напряжения помех. Изображенная на рис. 2.8. форма напряжения действительна только для "электрически коротких" участков линии, время пробега волны по которыми мало по сравнению с временем развития пробоя (от нескольких десятков до сотен наносекунд в зависимости от расстояния между контактами). Даже в этом случае зарядка и перезарядка протекают не так гладко, как изображено на рис. 5.8., а подобно колебательному переходному процессу. Токи утечки могут вызвать снижения напряжения на линии (на рис. 5.8. это снижение не показано). Если время пробега волны в отключенной линии больше, чем время развития повторных зажиганий, то при каждом пробое возникают волны напряжения и тока, которые в конце линии отражаются и делают более сложным изменение напряжения, чем показанное на рисунке 5.8. Распространяющиеся вдоль отключенного провода волны наводят в параллельно проходящих проводах напряжения и токи помех. При размыкании разъединителей протекают очень похожие процессы, однако при этом амплитуды изменений потенциала или волн после начала процесса размыкания с увеличением расстояния между контактами увеличиваются и даже могут принять двойное максимальное значение. Описанные процессы в элегазовых распределительных устройствах высокого напряжения, у которых времена нарастания процессов первичного и повторного зажигания лежат в наносекундном диапазоне, могут вызвать 50 многие проблемы. Коммутационные процессы в этом случае внутри закрытой конструкции сопровождаются волнами, которые из-за неравномерности волнового сопротивления (изолированные фланцевые соединения, ответвления, проводники) частично отражаются, частично проходят дальше или даже могут выходить во внешнее пространство. 5.4.5 Переходные процессы в испытательных устройствах высокого напряжения и электрофизической аппаратуре Для доказательства прочности изоляции электроэнергетического оборудования высокого напряжения при воздействии внутренних и внешних перенапряжений создаются грозовые и коммутационные испытательные импульсы с длительностью фронта порядка микро- и миллисекунд и с амплитудными значениями в несколько мегавольт. Импульсные напряжения амплитудной десятки мегавольт со временем нарастания несколько наносекунд и импульсными токами мегаамперного диапазона используются в электрофизических установках для исследований управляемых термоядерных реакций. Из-за высокого уровня помех (120 дБ и более) получение измерительных сигналов низкого напряжения при проведении испытаний изоляции и электрофизических экспериментов при помощи осциллографа и быстродействующего самопишущего прибора оказывается очень сложным. Однако такие измерения относятся к техническим будням исследовательских лабораторий высокого напряжения. Работа в условиях сильных помех привела уже очень давно к тонкому пониманию проблем ЭМС и поэтому именно инженеры и техники высоких напряжений повсеместно занимаются вопросами ЭМС, в частности электромагнитными импульсами ядерных взрывов, разрядами статического электричества, внутренней грозозащитой. 5.4.6 Электромагнитный импульс молнии Молния и связанные с ней переходные поля обусловливают сильное электромагнитное влияние в месте удара и вблизи него. При разработке защитных устройств внешней грозозащиты за основу, например, могут быть приняты следующие максимальные параметры тока молнии: -максимальное значение тока 1тах = 200 кА; -крутизна нарастания тока в течение 100 нс di/dt= 300 кА/мкс; -крутизна нарастания тока в течение 1 мкс di/dt= 150 кА/мкс; - заряд Q   idt  500 Кл: - интеграл квадрата тока  i 2 dt  W / R  10 7 А2/с. Большое число учитываемых параметров тока молнии объясняется многообразием воздействия на объекты. Так, максимальное значение тока определяет ожидаемое увеличение потенциала при протекании по объекту, обладающему активным сопротивлением, крутизна тока - индуктируемые напряжения, заряд - оплавление проводников в месте удара, интеграл квадрата тока - адиабатический нагрев проводника током молнии. 51 Численные значения параметров, выбираемых при испытаниях, зависят от требований к защите и значения объекта. Большинство молний имеют максимальные значения токов, не превышавших несколько десятков килоампер. С точки зрения внутренней защиты от молнии в каждом отдельном случае по уравнениям Максвелла могут быть рассчитаны электрические и магнитные поля, связанные с полным током молнии или ее частичными токами в заземленном сооружении, а также индуктированные ими токи во вторичных цепях и устройствах обработки данных и др. При этом необходимо учитывать ряд таких факторов, как удаление от места удара молнии, конфигурацию приемной системы, характеристики зданий и т. д. Число грозовых дней в году для определенного места можно приблизительно рассчитать по картам мировой грозовой активности, линии на которой соответствуют определенным числам грозовых дней. Эта информация по многим причинам очень важна, например, для страхования имущества экспортных фирм и т. д. Из этой информации можно узнать, например, что Кения имеет 240 грозовых дней, в то время как некоторые места в Западной Европе только 10—30 грозовых дней в году. 5.4.7 Электромагнитный импульс ядерного взрыва Мгновенное освобождение ядерной энергии при ядерном взрыве сопровождается интенсивным импульсом излучения γ-квантов (высокоэнергетическое рентгеновское излучение с энергией порядка МэВ, которое распространяется по всем направлениям со скоростью света). При взрыве на большой высоте над поверхностью Земли (например, 400 км) летящие к Земле электроны создают вместе с малоподвижными положительными ионами воздуха электрический диполь. За счет отклонения электронов в магнитном поле Земли создается магнитный диполь. Изменяющиеся во времени и в пространстве распределение заряда и тока обусловливает изменяющееся электромагнитное поле, называемое электромагнитным импульсом ядерного взрыва. Согласно доступной литературе, этот импульс имеет вид, близкий к двойной экспоненте (качественно аналогичный нормированному грозовому импульсу) с длительностью фронта примерно 5 нс и временем спада примерно 200 нс (рисунок 5.9.). Рисунок 5.9 - Временная характеристика напряженности электрического поля ядерного электромагнитного импульса 52 Максимальное нормированное значение напряженности электрического поля равно 50 кВ/м. В дальнем поле максимальное значение напряженности внешнего магнитного поля рассчитывается по формуле Нтах= Етах/377 и равно 133 А/м. Аналогичные эффекты возникают при взрывах вблизи Земли, поэтому различают высотные и поверхностные электромагнитные импульсы. При взрыве у поверхности Земли доминируют термические и механические эффекты. Кроме того, имеется магнитодинамический электромагнитный импульс, протекающий очень медленно в течение секунд и минут в виде переходного процесса, вызванного взаимодействием между магнитным полем Земли и расширяющимися ионизованными массами газа в атмосфере. Специфика электромагнитного импульса ядерного взрыва состоит в том, что его действие распространяется на значительные площади. Особенно опасны воздействия импульса на протяженные системы (сети электроснабжения, телефонные сети) в которых вследствие распределенного наведения и образования волн может аккумулироваться значительная энергия. При магнитодинамическом электромагнитном импульсе появляются низкочастотные, наведенные индуктивным путем токи в сетях электроснабжения, которые могут вызвать насыщение стали в силовых трансформаторах. Масштаб возможных электромагнитных влияний ядерных взрывов является в настоящее время предметом исследований и по нему ведутся дискуссии. 53 6 Уровни помех. Помехоустойчивость Для количественной оценки электромагнитной совместимости широкое применение нашли т.н. логарифмические масштабы, позволяющие наглядно представлять соотношения величин, отличающихся на несколько порядков. Существует два вида логарифмических отношений – уровень и степень передачи. Уровни определяют отношение величины к базовому значению. Степень передачи определяется отношением входных и выходных величин системы и служит характеристикой ее трансляционных (передаточных) свойств. 6.1 Логарифмические относительные характеристики. Уровни помех С применением десятичного логарифма определяются следующие уровни помех, измеряемые в децибелах: Напряжение: uдБ  20 lg(u x / u0 ) , где u0 = 1мкВ; Ток: iдБ  20 lg(ix / i0 ) , где i0 = 1мкА; Напряженность электрического поля: EдБ  20 lg( E x / E0 ) , где Е0 = 1мкВ/м; Напряженность магнитного поля: Н дБ  20 lg( Н x / Н 0 ) , где Н0 = 1мкА/м; Мощность: РдБ  10 lg( Рx / Р0 ) , где Р0 = 1пВт. В данных соотношениях введен множитель 20, обеспечивающий простое выражение мощности в относительных логарифмических единицах: Найдем выражение РдБ через uдБ и iдБ : u дБ  20 lg(u x / u0 ) , откуда u x  u 0 10 u дБ 20 . iдБ 20 Аналогично i x  i0 10 . Следовательно Рx  u x  i x  u0 i0 10 uдБ  iдБ 20  P0  10 uдБ  iдБ 20 u äÁ  i äÁ 20 , откуда Px / P0  10 uдБ  iдБ 20 . )  (uäÁ  iäÁ ) / 2 . Но по определению ÐäÁ  10 lg( Ðx / Ð0 )  10 lg(10 Кроме десятичных логарифмов используются также и натуральные логарифмы. При этом уровень помех измеряется в неперах: Напряжение: u Нп  ln(u x / u 0 ) , где u0 = 1мкВ; Ток: i Нп  ln(i x / i0 ) , где i0 = 1мкА; Напряженность электрического поля: E Нп  ln( E x / E 0 ) , где Е0 = 1мкВ/м; Напряженность магнитного поля: Н Нп  ln( Н x / Н 0 ) , где Н0 = 1мкА/м; Мощность: РНп  0,5 ln( Рx / Р0 ) , где Р0 = 1пВт. Между децибелом и непером существуют соотношения: 1Нп = 8,686 дБ или 1дБ=0,115 Нп. 54 Приведем наиболее часто используемые характерные значения дБ и соответствующие им отношения стоящие под знаком логарифма: 2:1 – 6 дБ; 10:1 – 20 дБ = 2,3 Нп; 100:1 – 40 дБ = 4,6 Нп; 1000: 1 – 60 дБ = 6,9 Нп; 10 000:1 – 80 дБ = 9,2 Нп; 100 000: 1 – 100 дБ = 11,5 Нп; 1000 000:1 – 120 дБ = 13,8 Нп. Таким образом, при обоих представлениях уровень помехи увеличивается на одну и ту же величину с каждым последующим порядком. Обозначения дБ и Нп указывают исключительно на вид использованной функции логарифма (lg или ln). Данные обозначения не являются единицами, но часто используются как таковые. 6.2 Степень передачи. Помехоподавление Одним из понятий, характеризующих степень передачи системы, является понятие «помехоподавление». Понятие «помехоподавление» служит для характеристики защитного воздействия средств защиты от помех. Как правило, степень помехоподавления зависит от частоты. В качестве одной из количественных характеристик степени помехоподавления на той или иной частоте служит логарифм отношения напряжений на входе U1 и на выходе U2 фильтра, который называется коэффициент затухания аф, или напряженности поля в точках пространства перед экраном Н0 и за ним Нвт (коэффициент экранирования аэ): аф  20 lg(U 1 / U 2 ); 6.3 Основные типы электромагнитных помех и а э  20 lg( Н 0 / Н вт ). возможные диапазоны значений 6.3.1 Узкополосные и широкополосные процессы Помехи, создаваемые источниками (напряжения, токи, электрические и магнитные поля), могут возникать как в виде периодически повторяющихся, так и случайно распределенных во времени величин. В обоих случаях речь может идти как об узкополосных, так и о широкополосных процессах. Процесс называется узкополосным, когда энергия спектра сосредоточена в основном в относительно узкой полосе частот около некоторой фиксированной частоты ω0 или широкополосным, если указанное условие не выполняется 55 При систематизации, в первом приближении, не смотря на бесконечное разнообразие вариантов, выделяют четыре типа помех. Характерные их примеры приведены на рисунке 6.1. Рисунок 6.1 - Систематизация разновидностей электромагнитных помех На данном рисунке приведены следующие типы помех: - синусоидальная, постоянно действующая периодическая помеха частотой 50 Гц, проникающая из системы питания или высокочастотная несущая волна. Данная помеха имеет спектральную плотность, представляемую двумя линиями вида X ( )  X max ( (   0 )   (   0 )) и представляет собой узкополосный процесс; - последовательность прямоугольных (например, тактовых) импульсов. Данная бесконечная последовательность может быть представлена в форме ряде Фурье и является примером широкополосного процесса с дискретным спектром. - периодические затухающие однократные импульсы, случайно возникающие, например, в системе электроснабжения и представляющие собой узкополосный процесс; - одиночные импульсы, образованные двумя экспонентами (например, разряды атмосферного и статического электричества) и представляющие собой широкополосный процесс. 6.3.2 Противофазные и синфазные помехи Помехи, возникающие в проводах, могут рассматриваться как противофазные или синфазные напряжения и токи. Противофазные напряжения помех (поперечные, симметричные) возникают между проводами двухпроводной линии (ud на рисунке 6.2). 56 Противофазные помехи возникают через гальванические или полевые связи или преобразуются из синфазных помех в системах, несимметричных относительно земли. Конкретные примеры возникновения противофазных помех рассматриваются в последующих разделах. Рисунок 6.2 - Помехи, связанные с передачей сигналов по линии: СЕ - паразитные емкости относительно заземленного корпуса; Q1 - источник противофазных помех; Q2 - источник синфазных помех; ZQ, ZS - полные сопротивления источника и приемника помех; iC1, iC2 - синфазные токи, id - противофазный ток; uC1, uC2 - синфазные напряжения помех; ud – противофазное напряжение помех Противофазные напряжения помех непосредственно накладываются на полезные сигналы в сигнальных цепях или на напряжение питания в цепях электроснабжения, воздействуют на линейную изоляцию между проводами и могут быть восприняты как полезные сигналы в устройствах автоматизации и тем самым вызывать ошибочное функционирование. Синфазные напряжения помех (несимметричные, продольные напряжения) возникают между каждым проводом и землей (uC1 и uC2 на рисунке 6.2) и воздействуют на изоляцию проводов относительно земли. Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства, например между точками 1 и 2 на рисунке 6.2, вызванной токами в земле (аварийными, при замыканиях высоковольтных линий на землю, рабочими или токами молнии) или магнитными полями. 6.4 Земля и масса Другими важными понятиями ЭМС являются понятия: земля и масса. С понятием "заземление" инженеры, работающие с сильноточными устройствами, связывают, как правило, вопросы техники безопасности и грозозащиты, например, устранение недопустимо высоких напряжений прикосновения. Инженеры же, работающие в области электроники, - скорее электромагнитную совместимость их схем, например устранение контуров заземления, влияние частоты 50 Гц, обращение с экранами кабелей и т. д. 57 Следует строго различать два понятия - защитное заземление (защитный провод) для защиты людей, животных и т. д. и массу, систему опорного потенциала, электрических контуров (это справедливо как для сильноточных, так и для слаботочных цепей). Земля и масса, как правило, в одном месте гальванически связаны друг с другом, но между ними существует большое различие: провода заземления проводят ток только в аварийной ситуации, нулевые провода - в нормальной рабочей ситуации и часто представляют общий обратный провод нескольких сигнальных контуров, ведущий к источнику. Это различие существенно и характеризуется следующими понятиями: Земля Масса Защитный провод Нейтральный провод Заземление Масса схемы Защитное заземление Нулевая точка Нулевой провод заземления Сигнальная масса Провод заземленной системы Измерительная земля опорного потенциала Заземленный корпус Нулевое напряжение (0 В) Понятие «земля» поясняет рисунок 6.3. В нормальном режиме по нейтральному проводу Н протекает обратный ток электроприемников и его потенциал вследствие падения напряжения на его сопротивлении отличается от потенциала земли (за исключением эквипотенциальной шины, где он равен потенциалу земли). Защитный провод ЗП в нормальном режиме тока не проводит и его потенциал равен потенциалу земли. Поскольку корпус оборудования присоединен к защитному проводу ЗП, то и его потенциал также равен потенциалу земли и не создает угрозы для людей и животных. При замыкании одного из фазных проводов (на рисунке 6.3 провода Л3 ) на корпус оборудования в фазном проводе возникает большой ток короткого замыкания и оборудование отключается предвключенным защитным автоматом Зз. Под массой в схемотехнике понимают общую систему опорного потенциала, по отношению к которой измеряются узловые напряжения цепи (шина, провод опорного потенциала, корпус, нулевая точка). В простой цепи это просто обратный провод, в электронной схеме - общий обратный провод для всех электрических контуров (рисунок 6.4,а,б). Масса может, но не должна иметь потенциал земли. Однако, как правило, она в одном месте непременно соединена с защитным проводом и тем самым заземлена. Масса выполняет те же функции, что и нейтральный провод. Прежде всего, на работу схемы не оказывает влияния заземление массы. Однако если занимающая достаточно обширное пространство масса заземлена в нескольких местах, возникает контур заземления (см. рисунок 6.2). Тогда при различных потенциалах точек заземления могут протекать уравнительные 58 токи, а на полных сопротивлениях массы возникать падения напряжения, которые накладываются на напряжения, действующие вдоль отдельных контуров цепи и являются противофазными помехами. При высоких частотах это даже не требует гальванического заземления, так как при наличии печатных плат с навесным монтажом и плоской массой контуры заземления могут образовываться благодаря их емкостям относительно массы. Рисунок 6.3 - Заземление в низковольтной сети: Л1, Л2, Л3 – фазные провода сети; ЗПН – защитный провод нейтрали; ЗП – защитный провод; Н – нейтральный провод; Зз – защитный автомат; RА , RВ – сопротивление заземлителя потребителя и подстанции Понятие «масса» поясняет рисунок 6.4. Рисунок 6.4 - К понятию «масса» 59 6.5 Способы описания и основные параметры помех Помехи можно представить и описать как во временной, так и в частотной области. Однако, обычно не так важно точное описание формы помехи, как ее точные параметры, от которых зависит ее мешающее воздействие. Для периодических помех такими являются: частота f и амплитуда Xmax. Эти параметры определяют амплитуду напряжения помехи во вторичных контурах Umax. Для непериодических помех важнейшими параметрами являются следующие: - скорость изменения x / t (скорость нарастания или спада). Данная величина определяет максимальное напряжение помехи Usmax, вызванной во вторичной цепи; - интервал времени t , в течение которого помеха х имеет максимальную скорость изменения амплитуды; этот интервал идентичен длительности действия напряжения помехи us во вторичной цепи; - максимальное значение изменения амплитуды x , пропорциональное интегралу напряжения помехи вторичной цепи по времени (площади импульса помехи). Рисунок 6.5 - Пояснение параметров периодических (а) и непериодических переходных (6) помех: Е – приемник сигналов; G – источник сигналов; x – помеха (напряжение или ток); us –напряжение помехи, обусловленное связью; 1 – влияющий контур; 2 – гальваническая, емкостная или индуктивная связь; 3 – контур, подверженный влиянию Для взаимосвязанного представления этих величин с точки зрения электромагнитной совместимости используют при периодических помехах амплитудный спектр, а для импульсных помех – т.н. спектр амплитудной плотности. Оба этих представления обеспечивают: - оценку воздействия помехи на систему; - расчет воздействий, обусловленных заданной связью; -выбор параметров средств подавления помех, например фильтров; 60 -определение граничных областей, например, максимального возможного или допустимого излучения помех или охарактеризовать границы помехоустойчивости; -получение представлений о воздействии при испытаниях согласно нормам электромагнитной совместимости, т.е. о параметрах генераторов, применяемых при испытаниях. 6.5.1 Описание электромагнитых влияний в частотной и временной областях В принципе электромагнитные влияния могут рассматриваться как во временной, так и в частотной области. Однако поскольку передаточные свойства путей связи и средств помехоподавления удобнее представлять в частотной области, такое представление чаще всего предпочитают и для помех. Пересчет периодических процессов из временной области в частотную выполняют при помощи ряда Фурье, пересчет однократных импульсных процессов - при помощи интеграла Фурье. 6.5.2 Представление периодических функций времени в частотной области. Ряд Фурье Синусоидальные или косинусоидальные помехи (гармонические процессы) могут быть представлены как во временной, так и в частотной областях непосредственно (рисунок 6.6). В частотной области помеха характеризуется угловой частотой ω и частотой колебаний f   / 2 . Несинусоидальные периодические функции - например, пилообразной или прямоугольной формы импульсы напряжения или тока выпрямителей которые, в некоторых случаях, возможно описать аналитически, - могут быть представлены в частотной области как бесконечная сумма синусоидальных и косинусоидальных колебаний, т. e. рядом Фурье. Рисунок 6.6 - Представление синусоидальной помехи во временной и частотной областях 61 Например, можно представить себе несимметричное напряжение прямоугольной формы возникшим как наложение основного колебания и основной частоты f1  1 / T и бесконечно многих гармонических колебаний u с частотами  f1 Зависимость амплитуды отдельных колебаний от частоты представляет собой дискретный линейчатый спектр (рисунок 6.7.) Наименьшая встречающаяся в линейчатом спектре частота - основная частота. Частоты высших гармоник являются значениями, кратными этой основной частоте, например f 3  3 f1 . Рисунок 6.7 - Периодическая несинусоидальная функция Аналитически ряд Фурье любой функции времени может быть представлен в различных формах: Нормальная:  u (t )  U 0   (U n' cos nt  U n'' sin nt ) , n 1 T T T 2 2 1 U   u (t ) cos(n1t )dt , U n''   u (t ) sin( n1t )dt , U 0   u (t )dt . T 0 T 0 T 0 ' n (6.1) Коэффициенты U n' и U n'' - амплитуды отдельных колебаний. Составляющая U 0 соответствует среднему арифметическому значению функции времени (постоянная составляющая). Амплитудно-фазовая: Так как синусоидальные колебания c соответствующим фазовым сдвигом могут быть представлены и как косинусоидальные, например sin(90    )  cos  , вместо нормальной формы часто применяют амплитудно-фазовую форму:  u (t )  U 0   U n cos(n1t   n ) , (6.2) n 1 где U n  U n'2  U n''2 ;  n   arctg (U n" / U n' ) Комплексная. Если дополнять вышеприведенные уравнения мнимой частью и заменить тригонометрические функции по формуле Эйлера cos x  j sin x  e jx экспоненциальными функциями, получаем уравнение в комплексной форме: 62  u( t )   n     e jn1t  C  (C C    n e jn1t  C  n e jn1t ) , n (6.3) n 1 T где 1 C n ( n1 )   u (t )e  jn1t dt  C n e jn  C n e j n , n  0,  1,  2,... T 0 Рисунок 6.8 - Амплитудный и фазовый спектры комплексного ряда Фурье Так как функция u (t ) будучи представленная комплексным рядом Фурье (6.3.) остается действительной, то в правой части вводятся отрицательные частоты (чтобы мнимые части сократились). Учет отрицательных частот приводит к двустороннему спектру (рис. 6.8.). Идентичные вещественные части обоих слагаемых в (6.3.) за знаком суммы (для положительных и отрицательных частот  n1 ) образуют физически измеримую амплитуду U n , причем C n  C n  U n , C0  U 0 . При анализе ЭМС вместо двустороннего математического спектра C n  f ( n1 ) чаще всего рассчитывают односторонний «физический» спектр 2 C n  f ( n1 ) только для положительных n, амплитуды которого отличаются на коэффициент 2 от амплитуд двустороннего спектра. Значения амплитуд одностороннего спектра измеримы, они совпадают со значениями коэффициентов косинусоидальной формы, т.е. соответствуют значительным частям векторов переменного напряжения той же частоты. В заключение на рисунке 6.10. показаны импульсы прямоугольной формы двух периодически изменяющихся напряжений одной и той же основной частоты, однако различной скважности, и относящиеся к ним линейчатые спектры. Из вышесказанного можно установить следующее: наименьшая частота f1 является основной частотой. Ее значение связано со значением периода Т: f1  1 / T Амплитуды высших гармоник появляются с одинаковым интервалом f  f1  1 / T их частоты кратны основной частоте f n  nf 1 63 Рисунок 6.10 - Линейчатые спектры двух периодических последовательностей прямоугольных импульсов напряжений с личной скважностью (1:2): функция Si (x) - огибающая спектральных амплитуд (сплошная кривая); функция 1 / f - огибающая функции Si (x) (пунктирная кривая) Ряд Фурье для последовательности прямоугольных импульсов имеет вид: u (t )  U m    T 1  2   T n 1 2n   2n 2n    sin cos n1t  1  cos  sin n1t  T T     Коэффициенты (спектральные амплитуды) (без постоянной составляющей) определяются формулой: U n  2U m  sin(n / T ) T (n / T ) Огибающая спектральных амплитуд следует функции Si( x)  sin( x) / x . Первое значение нуля этой функции соответствует обратной величине длительности импульса f 1Si 0  1 /  Другие нулевые значения следуют с интервалом nf1Si 0 . На практике нулевые значения появляются не столь явно выраженными, как на рис. 1.10, так как из-за неизбежных асимметрий (например, экспоненциальных нарастаний и спада прямоугольных импульсов) они сглаживаются. Постоянный коэффициент при функции Si(x) равный 2U m / T при неизменном периоде пропорционален площади импульса U m . Таким образом, высокие узкие импульсы при низких частотах могут иметь такой же спектр, как низкие широкие. Поэтому в вышеприведенном примере 64 спектральные амплитуды из-за меньшей на 50 % площади импульсов имеют только половинное значение. Si (x) есть функция Огибающая амплитуд функции 1 / x Для прямоугольных импульсов с бесконечно большой длительностью периода Т спектральные линии и максимумы функции Si(x) бесконечно сближаются. Получается известный спектр 1 / f ступенчатой функции. Подобным образом можно рассмотреть и другие формы импульсов с другими огибающими, например, треугольные импульсы, огибающая которых выражается функцией Si 2 ( x) 6.5.3. Представление непериодических функций времени в частотной области. Интеграл Фурье. Ряд Фурье допускает представление в частотной области только периодических функций времени. Однако часто имеют дело с непериодическими функциями, характерными, например, для коммутационных процессов, молнии или разрядов статического электричества и т. д. При определении спектра непериодической импульсной функции выполним предельный переход, воспользовавшись комплексной формой записи ряда Фурье для периодических функций (пределы интегрирования – Т/2 и +Т/2): n   u( t )пер   1 T / 2      u( t )e  jn1 t dt e jn1 t n    T  T / 2  n   Ce jn1 t n n   Так как в линейчатом спектре ряда Фурье расстояние между спектральными линиями соответствует f   / 2  f 1  1 / T Можно также записать  T / 2   jn1t dt e jn1t   u (t )e  n    T / 2  Далее выполняется предельный переход при T   и   0 . При этом конечное расстояние между спектральными линиями  за знаком суммы переходит в бесконечно малое расстояние d , дискретная переменная n u (t ) пер  1 2 n   в непрерывную переменную  , а сумма – в интеграл. Таким образом, получают интеграл Фурье для непериодической функции: 1  u(t )e  dt e  d  lim u (t )      пер         2    u (t ) непер. j t j t   T   0 X ( )  где X ( )   u (t )e  jt dt - представляет собой преобразование Фурье  функции u (t ) называемое спектральной плотностью u (t ); X ( ) носит 65 название плотности распределения амплитуд. Для непериодической функции u (t ) обратное преобразование Фурье имеет вид: u (t )  1 2   X ( )e j t dt  Следовательно, преобразование Фурье и его обращение взаимообратны с точностью до множителя 1 / 2 . Название «спектральная плотность» происходит от того, что спектральная функция X ( ) идентична линейчатому спектру C n , отнесенному к расстоянию между соседними частотами. Так как T  1 / f  2 /  , получаем C n  f T / 2  u (t )e  j1t dt T / 2 Если отнести амплитуды C n к f и образовать предельное значение для T   (соответственно f  0 ), получим C n u (t )e  dt  X ( ) , lim    j t  T  f 0 иначе говоря, спектральную плотность. Если, например, линейчатый спектр C n измеряется в вольтах, то спектральная плотность X ( ) сравнимого однократного процесса имеет размерность В/Гц. Очевидно, непериодические процессы тоже могут быть представлены как наложение синусоидальных или косинусоидальных колебаний. Однако в отличие от периодических процессов здесь участвуют все частоты от   до   с амплитудами X ( )df .Так как при однократных процессах содержащаяся в одном импульсе конечная энергия распределяется на бесконечное множество частот, то амплитуда отдельной спектральной составляющей должна быть бесконечно малой. Чтобы избежать этой неопределенности, относят энергию импульса к частоте и получают, таким образом, спектральную плотность, предельное значение которой при f  0 остается конечным и как раз соответствует преобразованию Фурье. 6.5.4. Возможные диапазоны значений электромагнитных помех Параметры помех, в зависимости от электромагнитной обстановки на энергообъекте могут изменяться в очень широком диапазоне. Возможные диапазоны значений параметров электромагнитных помех приведены в таблице 6.2. 66 Таблица 6.2 - Возможные диапазоны значений параметров помех Параметр Частота, Гц Максимальное значение напряжения, В Скорость изменения напряжения, В/с Напряженность электрического поля, В/м Максимальное значение тока, А Скорость изменения тока, А/с Напряженность магнитного поля, А/м Время нарастания импульса, с Длительность импульса, с Энергия импульса, Дж Обозначение f Umax du/dt E Imax di/dt H Tr τ W Значение 0-1010 10-6-106 0-1012 0-105 10-9-105 0-1011 10-6-108 10-9-10-2 10-8-10 10-9-107 6.5.5. Спектры некоторых периодических и импульсных процессов В таблице 6.3 приведены «физические» спектральные плотности 2 X ( ) некоторых импульсных процессов. В этой же таблице приведены графики «физических» спектральных плотностей в линейной и логарифмической системе координат. Таблица 6.3 - Спектры некоторых импульсных процессов №п п.п. 1 2. Форма импульса f (t ) t0 0  Единичная функция  (t )  1 / 2 t  0 1 t0  Единичная импульсная функция 0 t  0   (t )   t  0 0 t  0  0   (t )dt  1 0 Спектр импульса 2 X ( ) 1 , X ( )  j Уровень (В/Гц) X ( )  1 , Уровень (В/Гц) 2 2 X ( )   Уровень (Дб) 2 X ( )  2 Уровень (Дб) 67 Таблица 6.3.(продолжение) 3. Прямоугольный импульс u (t )  h( (t   / 2)   (t   / 2)) sin( / 2) X ( )  2h  2 X ( )  4h h  1; sin( / 2)  Уровень (В/Гц) Уровень (Дб)   0,628 4. Экспоненциальный импульс u (t )  e t  (t )   1 1   j X ( )  2 X ( )  2 1  2 2 Уровень (В/Гц) 5. Затухающая синусоида u (t )  e t sin(1t ) (t )   0,04; 1  0,0314. X ( )  2 X ( )  21 1     12  2 j 2 Импульс в форме отрезка синусоиды, состоящего из целого числа периодов n u (t )  ( (t  nT / 2)   (t  nT / 2)) sin  0 t n  3;  0  0,0314 2 1 (    12 ) 2  4 2 2 Уровень (В/Гц) 6. Уровень (Дб) 2 2 Уровень (Дб) 2 j  X ( )  (1) n 2 0 2 sin n 0 0   2 j  2 X ( )  2 (1) n 2 0 2 sin n 0 0   Уровень (В/Гц) Уровень (Дб) 68 6.5.6. Учет путей передачи и приемников электромагнитных помех Очень многие задачи электротехники сводятся к изучению результатов воздействия некоторых процессов на устройство той или иной степени сложности. Схемы замещения этих устройств, используемые при анализе электрических процессов, включают схемы замещения как составляющих эти устройства элементов, так и различные паразитные связи (активные, индуктивные и емкостные). Элементы устройств принято подразделять на две основные группы: нелинейные неинерционные и линейные инерционные (или динамические). Принципиально любой элемент электротехнического устройства необходимо рассматривать как нелинейный инерционный. Однако решение задач при столь общих предположениях связано со значительными математическими трудностями . Поэтому указанное выше разделение элементов на линейные и нелинейные (неинерционные) является целесообразным. Погрешность от подобной идеализации может быть оценена в конкретной задаче. Системы, содержащие в своем составе линейные инерционные элементы будут соответственно классифицироваться как линейные инерционные, а системы, содержащие в своем составе нелинейные неинерционные элементы соответственно нелинейными неинерционными. В инерционной системе значения процесса y(t) на ее выходе зависят не только от значения процесса х (t), действующего на входе в тот же момент времени t, но и от его значений в другие моменты времени. Линейная инерционная система характеризуется тем, что величина у (t) получается суперпозицией (сложением) всех значений х(t), каждое из которых умножается на весовой коэффициент h (t, τ), зависящий как от момента приложения τ процесса ко входу, так и от момента наблюдения t процесса на выходе системы. Если в процессе наблюдения параметры системы остаются неизменными, то значение весового коэффициента h (t, τ) зависит только от разности t - τ : h (t, τ)= h (t - τ). В этом случае значение процесса на выходе системы y(t) связано с процессом на входе системы х (t)следующим соотношением:  y (t )   h(t   ) x( )d . Функция h (t, τ) получила название импульсной переходной функции. Данная функция является реакцией системы на ее выходе при воздействии на вход единичной импульсной функции δ(t). Вместо импульсной переходной функции в качестве характеристики линейной инерционной системы при анализе в частотной области используют так называемую передаточную функцию k( ) представляющую собой преобразование Фурье от h (t, τ): k( )    h(u )e  где u  t   .  ju du , 69 Импульсная переходная функция линейной системы с постоянными параметрами связана с передаточной функцией обратным преобразованиями Фурье: 1 h(t )  2   k( )e jt d .  Модуль и аргумент передаточной функции k ( j ) называют частотной С ( ) и фазовой  ( ) характеристиками линейной системы: k( )  С ( )e j ( ) . Шириной полосы пропускания частотной характеристики называют ширину основания прямоугольника, высота которого равна максимальной ординате С 2 ( 0 ) , а площадь – площади под кривой квадрата частотной характеристики:  С с  2 ( )d C 2 ( 0 ) . Если частотная характеристика имеет резко выраженную область резонанса в окрестности частоты  0 , и если  0 >>  с , то линейная система с такой характеристикой называется узкополосной. Передаточная функция линейной инерционной системы позволяет достаточно просто определить спектральную плотность процесса на выходе системы при известной спектральной плотности процесса на входе системы: Х 2 ( )  k( ) * X 1 ( ) Поэтому, если перемножить спектральную плотность процесса на выходе источника помехи (и соответственно на входе канала передачи помехи) X И ( ) с передаточной функцией канала передачи помехи kсв ( ) , и далее с передаточной функцией приемника, подверженного помехе kпр ( ) , то получим спектральную плотность помехи в приемнике X П ( ) : X П ( )  X И ( )kсв ( )kпр ( ) В логарифмическом масштабе умножение соответствует сложению. Поэтому, если суммировать кривую плотности распределения амплитуд входной помехи с амплитудно-частотной характеристикой тракта передачи, например, с кривой затухания фильтра, то получим график плотности распределения амплитуд помехи после фильтра, а после графического обратного преобразования также ее приблизительный временной ход. Таким образом, с помощью измеренных спектров помех могут быть рассчитаны требуемые помехозащитные фильтры, экраны, испытательные импульсы для моделирования и т.д. 70 7 Фильтры 7.1 Ограничение уровней гармоник напряжений и токов В электрических системах фильтры применяются, прежде всего для того, чтобы уменьшить амплитуду токов или напряжений одной или нескольких фиксированных частот (параллельные фильтры). Когда же необходимо избежать проникновения токов определенной частоты в отдельные узлы преобразовательной подстанции или части энергетической системы (как, например, в случае пульсации управляющих сигналов), можно использовать последовательный фильтр, состоящий из параллельно включенных конденсатора и катушки индуктивности, создающих большое сопротивление протеканию тока на выбранной частоте. Однако такое решение не может быть применено для ограничения уровня напряжений гармоник самого источника, поскольку генерация гармоник нелинейными элементами подстанции (например, трансформаторами и статическими преобразователями) является неотъемлемой чертой их нормальной работы. Что касается самих статических преобразователей, то обычно в них приняты меры к ограничению проникновения гармоник тока в систему с помощью создания короткозамкнутого пути с малым сопротивлением для гармонических частот. В принципе возможно создание комбинированных последовательных и параллельных фильтров для минимизации тока и напряжения гармоник, однако для этого необходимы большие затраты. 7.2 Схемы и параметры фильтров Параллельный фильтр настроен на определенную частоту, если на этой частоте его индуктивное и емкостное сопротивления равны. Добротность фильтра Q определяет точность его настройки. Фильтр с высокой добротностью (от 30 до 60) настраивается строго на одну из гармонических частот (например, пятую). Фильтр же с низкой добротностью имеет малое сопротивление в широком диапазоне частот, особенно в случае, если его уровень добротности не превышает 5. Если такой фильтр используется для подавления гармоник высоких порядков (например, свыше 17-й), то его можно рассматривать и как фильтр верхних частот. На рисунке 7.3 и 7.4 представлены основные схемы фильтров и соответствующие зависимости сопротивления от частоты. Для настроенного фильтра Q определяется как отношение индуктивного (или емкостного) сопротивления при резонансе к активному сопротивлению: 71 Как показано на рисунке 7.1,б полоса пропускания частот фильтра Р ограничена частотой, на которой реактивное сопротивление фильтра равно его активному сопротивлению (т.е. угол полного сопротивления равен 45º) и частотой, на которой модуль полного сопротивления равен 2 R . Рисунок 7.1 - Схема параллельного фильтра, настроенного на одну частоту (а) и зависимость его полного сопротивления Z от частоты (б) Рисунок 7.2 - Схема параллельного фильтра второго порядка подавления частот (а) и зависимость его полного сопротивления R от частоты (б) Добротность фильтра связана с шириной его полосы пропускания следующим соотношением: (7.4) Q  n / P , где  n настроенная угловая частота, рад/с. Точность настройки фильтра подавления высоких частот обратна добротности настроенных фильтров. Степень несоответствия настройки фильтра номинальной настроенной частоте характеризуется коэффициентом d, учитывающим изменения основной (питающей) частоты, изменения емкости и индуктивности фильтра, вызываемые старением деталей фильтра и колебаниями температуры, а также собственную расстройку фильтра, связанную с промышленными допусками при его изготовлении и конечностью шагов настройки. Общая расстройка фильтра на единицу номинальной настроенной частоты (7.5)   (   n ) /  n Кроме того, изменение L или С, скажем, на 2 % вызывает такую же расстройку фильтра, как и изменение частоты системы на 1%. Следовательно,  можно представить и в виде 72  f 1  L C      f n 2  Ln C n  (7.6) Мощность фильтра определяется по реактивной мощности, генерируемой фильтром на основной частоте. Эта мощность почти в точности равна реактивной мощности основной частоты, генерируемой конденсаторами. Суммарная же мощность ветвей фильтра определяется требованиями по реактивной мощности, предъявляемыми к источнику гармоник, и тем, в какой степени эти требования могут быть удовлетворены за счет сети переменного тока. Идеальным критерием разработки фильтра является подавление всех искажений формы напряжения, в том числе и телефонных помех, являющихся самыми сложными для подавления. С экономической стороны уменьшение телефонных помех может быть получено с меньшими затратами, если принять некоторые предварительные меры в телефонных системах и в энергетической системе в целом. Более реальный критерий предполагает уменьшение искажений до допустимого уровня в точке общего соединения нескольких потребителей и использует или гармонический ток, или гармоническое напряжение, или то и другое. Критерий, основанный на гармониках напряжения, более удобен для разработки фильтров, так как сопротивление сети переменного тока постоянно меняется и проще гарантировать работу фильтра в определенном диапазоне напряжений, чем значение рабочего тока. Для того чтобы учесть требуемые гармонические ограничения, при разработке фильтров необходимо следовать следующей схеме: - в цепь, состоящую из фильтров, параллельно соединенных с электрической системой переменного тока (рисунок 7.5) вводится спектр гармоник тока, генерируемого нелинейной нагрузкой на соответствующих частотах, и рассчитываются гармоники напряжения; - результаты, полученные после выполнения предыдущего пункта, используются для определения других характеристик, таких, как искажение напряжения, коэффициенты влияния на линии связи и другие; - рассчитываются напряжения на элементах фильтра (конденсаторах, катушках индуктивности, резисторах) и их параметры и потери энергии в них. Рисунок 7.5 - Схема определения коэффициента искажения напряжения 73 Особое внимание при разработке фильтров требуется уделить трем элементам: источнику тока, проводимостям фильтра и системы. В зависимости от нагрузки, а для случая статического преобразователя и от углов зажигания, будет меняться характеристика источника тока. После того как будут изучены проводимости фильтра и системы, потребуется рассчитать для каждой частоты минимальное значение общей эквивалентной проводимости, дающей максимальное искажение напряжения. Определив схему соединения конкретного фильтра, можно построить геометрическое место точек, соответствующее сопротивлению (проводимости) фильтра. Гораздо труднее построить кривую, соответствующую сопротивлению источника тока даже с малой точностью. Разработанный фильтр представляет собой однополюсную схему, способную гасить весь спектр пропускаемых гармоник (пример, для случая шестипульсного преобразователя гармоник начиная с пятой). Однако требуемая для осуществления этой цели емкость фильтра очень велика, и гораздо экономичнее подавлю гармоники малых порядков с помощью одноплечевого настроенного фильтра. Настроенные фильтры. Фильтр одной частоты представляет собой последовательную RLC -цепочку (рисунок 7.3,а), настроенную на частоту одной гармоники (обычно канонической гармоники малого порядка). Полное сопротивление такого фильтра Z Ф  R  j (L  1 ) C f n уменьшается (7.7) на резонансной частоте до чисто активно сопротивления R. Фильтры двойной настройки. При соответствующем выборе параметров вместо двух одночастотных фильтров (рисунок 7.6,а) применяется фильтр двойной настройки. В районе резонансных частот сопротивления двух одночастотных фильтров практически равны сопротивлениям схемы фильтра, настроенного на две частоты (рисунок 7.6, б). Эта схема имеет преимущество по сравнению с одночастотными фильтровыми схемами, так как позволяет существенно снизить потери энергии на основной частоте. Основным же достоинством фильтра, настроенного на две частоты, является большее рабочее напряжение. Это связано с тем, что можно уменьшить число катушек индуктивностей, находящихся под полным линейным напряжением. В качестве примера на рисунке 7.6,в приведены эквивалентные сопротивления фильтров с двойной настройкой, используемых на подстанции Эчинген передачи энергии через Ла-Манш. В принципе возможно создание фильтров, настроенных на три и четыре частоты, но в этом редко бывает необходимость, так как подобные фильтры требуют сложной настройки. 74 Рисунок 7.6 - Одночастотный фильтр (а), фильтр двойной настройки (б) и расчетная зависимость сопротивления от частоты фильтра пятой и седьмой гармоник на подстанции Эчинген (в) Фильтры с автоматической настройкой. При разработке настроенных фильтров желательно уменьшить максимальное отклонение частоты. Этого можно добиться применяя настройку фильтра с помощью автоматического регулирования емкости или изменения индуктивности. Обычно считается приемлемой регулировка ±5%. В преобразователях постоянного тока использовалась система управления, измеряющая реактивную мощность гармонической частоты в фильтре и изменяющая значение L или С в зависимости от ее знака и значения. По сравнению с фильтрами с фиксированной настройкой автоматически настраиваемые фильтры имеют ряд преимуществ: - имеют меньшую емкость конденсаторов; - применяемые конденсаторы могут иметь одновременно и большой температурный коэффициент емкости, и большую реактивную мощность в расчете на единицу массы и единицу стоимости; - из-за большой добротности потери мощности меньше. Первые два преимущества позволяют снизить стоимость конденсаторов - наиболее дорогих элементов фильтра. Второе преимущество снижает стоимость резисторов и стоимость потерянной энергии. Широкополосные фильтры. Широкополосный фильтр имеет следующие достоинства: - меньшая чувствительность к изменениям температуры, отклонениям частоты, промышленным допускам при изготовлении элементов, потерям в емкостных элементах и т.п.; - малое сопротивление широкому спектру гармоник, отсутствие необходимости разбивки фильтра на параллельные ветви, вызывающей затруднения при переключениях и обслуживании; - удобство применения в случае, если использование настроенных фильтров вызывает появление резонанса токов между проводимостями фильтра и системы на частотах гармоник, меньших нижней частоты 75 настроенного фильтра, или на частотах гармоник, лежащих между настроенными частотами. Основными недостатками широкополосных фильтров являются: - для получения одинакового уровня фильтрации широкополосные фильтры должны быть рассчитаны на более высокую мощность, хотя в большинстве случаев хорошая работа фильтра осуществляется в диапазоне, требующемся для регулировки коэффициента мощности; - потери энергии в резисторе и в катушке индуктивности гораздо выше. Типы широкополосных фильтров. На рисунке 7.7 показаны четыре типа гасящих фильтров: первого, второго, третьего порядков и С-типа. Фильтр первого порядка применяется редко, так как для него требуется конденсатор большой мощности, а потери на основной частоте велики. Фильтр второго порядка удобен в эксплуатации, но потери на основной частоте по сравнению с фильтром третьего порядка велики. Основным достоинством фильтра третьего порядка являются его малые потери энергии на основной частоте (по сравнению с фильтром второго порядка), связанные с увеличением полного сопротивления на этой частоте, вызванным наличием конденсатора С2. Емкость С2 много меньше емкости С1. По своей работе фильтр С-типа занимает положение между фильтрами второго и третьего порядка. Рисунок 7.7 - Широкополосные высокочастотные фильтры: а) первого порядка; 6) второго порядка; в) третьего порядка; г) С-типа Основным его преимуществом является существенно меньшие потери на основной частоте из-за того, что на этой частоте С2 и L последовательно настроены. Такие фильтры наиболее чувствительны к изменениям основной частоты и отклонениям параметров элементов. Схемы фильтров. Обычно мощные статические преобразователи проектируются на работу по крайней мере с 12-пульсным циклом. Однако очень часто по условиям эксплуатации или из-за временных сбоев в работе допускается 6-пульсная работа преобразователя. В этих условиях преобразователь генерирует дополнительно к каноническим гармоникам 12пульсного режима гармоники пятого и седьмого порядка. Эти гармоники отфильтровываются с помощью специальной схемы, состоящей из настроенных фильтров для гармоник малых порядков (5, 7, 11 и 13-го) и 76 высокочастотного гасящего фильтра для гармоник 17-го и более высоких порядков, рисунок 7.8. Рисунок 7.8 - Фильтр переменного тока Полосовая фильтрация для 12-пульсных преобразователей. Установка на преобразовательной подстанции настроенных фильтров резонанса напряжений для 11- и 13-й гармоник и высокочастотных фильтров для гармоник более высоких порядков обычно приводит к более сильному, чем это требуется, подавлению гармоник. Рисунок 7.9 - Смешанный фильтр второго порядка и С-типа Это связано с тем, что минимальная мощность фильтра обычно определяется наименьшей емкостью конденсаторов, допустимой с точки зрения экономики, и минимальной реактивной мощностью, генерируемой преобразователем. Таким образом, схема фильтрации может быть упрощена либо заменой настроенных фильтров 11-й и 13-й гармоник на один гасящий фильтр, либо заменой на такой фильтр всех фильтров схемы. В создаваемых в настоящее время мощных преобразовательных схемах высокого напряжения велика вероятность резонанса гармоник малых порядков между полным сопротивлением системы и емкостным сопротивлением фильтра. В зависимости от того, что является источником гармоник малых порядков - система переменного тока или преобразователь, могут наблюдаться резонанс напряжений и резонанс токов. Для исключения появления резонанса на малых частотах была предложена другая схема фильтрации, состоящая из фильтра С-типа и фильтра второго порядка (рисунок 7.9). 77 8. Ограничители перенапряжений 8.1. Принцип действия ограничителей перенапряжений Ограничители перенапряжений - специальные элементы, защитные схемы и приборы - служат для снижения перенапряжений в электроэнергетических и информационно-электронных системах, вызванных молнией, разрядами статического электричества коммутационными процессами или другими причинами. Для обеспечения электромагнитной совместимости они выполняют защитные функции с целью предотвратить, в первую очередь, выход из строя электрических и электронных средств и вызванные этим нарушения нормального функционирования системы. Рисунок 8.1 - Ограничение перенапряжений при помощи нелинейного сопротивления RВ: а - схема без защиты; б - схема с защитой; в - изменение напряжений во времени; USF — импульсная прочность входной цепи Принцип действия ограничителей базируется на использовании резисторов RB, обладающих нелинейной вольт-амперной характеристикой (рисунок 8.1). В конкретных случаях она выбирается такой, чтобы в допустимых пределах изменения рабочего напряжения имело место очень большое сопротивление, а при превышении заданного напряжения - очень малое. Вместе с сопротивлением источника помехи ограничитель образует схему нелинейного делителя напряжения (рисунок 8.1, б), который и снижает переходное перенапряжение до допустимого значения U st''  U st  i st'' RQ , (8.1) не превышающего импульсную электрическую прочность защищаемого элемента (рисунок 8.1, в). 78 8.2. Защитные элементы Для ограничения перенапряжений используются защитные разрядные промежутки, варисторы и лавинные диоды. Соответственно физические принципы действия этих устройств различны. Поэтому такие характеристики защитных элементов, как напряжение и время срабатывания, уровень ограничения, степень точности ограничения напряжения, допустимая токовая нагрузка, остаточное сопротивление, гасящие свойства и другие, сильно различаются. Разрядники конструктивно изготовляются в виде воздушных, газонаполненных устройств или элементов со скользящим разрядом. На практике они выполняют функции грубой защиты. Газонаполненный разрядник представляет собой два электрода с фиксированным расстоянием между ними, помещенными в герметичный керамический или стеклянный корпус, заполненный инертным газом. Защищаемую систему такой разрядник нагружает слабо, так как сопротивление изоляции между электродами составляет более 1010 Ом, а емкость - менее 10 пФ. Если воздействующее напряжение превышает напряжение пробоя U Z , то происходит разряд между электродами, при этом сопротивление разрядника понижается приблизительно на 10 порядков. Напряжение на разряднике понижается до значения U G , обусловленного тлеющим разрядом, или же, если это допускает соотношение сопротивлений цепи, до значения дугового напряжения UB (рисунок 8.2). Напряжение пробоя UZ газонаполненного разрядника зависит от изменения воздействующего напряжения du/dt (рисунок 8.3). При du/dt = =100 В/с определяется статическое UZs, а при du/dt = 1 кВ/мкс - динамическое напряжение UZd пробоя разрядника (600-700 В). Типичное изменение напряжения на разряднике во времени приведено на рисунке 8.2. При очень коротких импульсаx напряжения (менее 30 нс) газонаполненный разрядник нe срабатывает. Газонаполненные разрядники надежно пропускают стандартные токи (8/20 мкс) амплитудой до нескольких десятков килоампер, однако они способны самостоятельно гасить токи, не превышающие 1 А. Поэтому их применение в цепях электроснабжения требует последовательного включения защитного устройства, способного отключить возможный сопровождающий ток. Воздушные защитные промежутки образуются электродами, находящимися в окружающем воздухе. Их разрядные и рабочие характеристики близки к характеристикам газонаполненных разрядников. Так как они не способны обрывать сопровождающие токи, то их применение в качестве ограничительных элементов в цепях электроснабжения возможно лишь в комбинации с предохранителями или варисторами, выполняющими функции дугогашения. 79 Находят также применение и закрытые воздушные (так называемые разделительные) промежутки в местах сближения грозозащитных устройств с другими заземленными частями устройства или металлическими конструкциями, которые по условиям коррозионной стойкости не должны быть гальванически долго соединены друг с другом. При грозовых воздействиях защитные промежутки устанавливаются там, где должны происходить пробои, тем самым устраняются неконтролируемые перекрытия и гарантируется выравнивание потенциалов в течение грозового разряда частей устройства, отделенных друг от друга в нормальном режиме. Рисунок 8.2 - Вольт-амперная характеристика газонаполненного разрядника с ориентировочными значениями напряжений тлеющего (UG) и дугового (UВ) разрядов: UZ - напряжение зажигания (см. рисунок 8.3); 1 - область начальных и тлеющих разрядов; 2 - область дуговых разрядов Рисунок 8.3 - Характеристики зажигания газонаполненного разрядника (1) и разрядника со скользящим разрядом (2): Рисунок 8.4 – Типичная характеристика зажигания газонаполненного разрядника UZs - статическое напряжение срабатывания; UZd - динамическое напряжение срабатывания Разрядники со скользящим разрядом содержат между электродами изоляционный материал. Вольт-секундные характеристики таких разрядников более пологие, чем газонаполненных (рисунок 8.3). Поэтому независимо от крутизны импульс перенапряжения ограничивается до значения 2-3 кВ. Такие разрядники способны самостоятельно обрывать сопровождающие токи, и поэтому они более подходят для грубой защиты в цепях электропитания. 80 Варисторы (Variable Resistors) представляют собой элементы с симметричной вольт-амперной характеристикой (рисунок 8.5). При I > 0 она выражается в виде (8.2) I  KU  , где K - постоянная, зависящая от размеров резистора;  - показатель, зависящий от материала. Рисунок 8.5 - Типичные вольт-амперные характеристики варисторов в линейных (а) и логарифмических (б) координатах: I - область токов утечек; II - область импульсных токов; III - диапазон рабочих напряжений; IV - область перенапряжений Для применяемых в настоящее время металлооксидных варисторов на базе оксида цинка значение  находится в пределах от 25 до 40. Эффект ограничения напряжения основан на том, что при превышении рабочего напряжения, рассчитанного по (8.2), сопротивление R  1 / KU  1 (8.3) уменьшается на много порядков (рисунок 8.5,б). Защитный уровень варисторов в зависимости от их исполнения может лежать как в диапазоне низких, так и высоких напряжений, причем они способны поглотить значительную энергию. Их время срабатывания сравнительно мало и составляет десятки наносекунд. Оно определяется индуктивностью токопроводов. Собственная емкость варисторов велика (0,440 нФ), и поэтому их применение для ограничения перенапряжений в высокочастотных системах исключено. Конструктивно варисторы выполняются в виде шайб, блоков, также втулок для разъемных соединений. На практике варисторы используют преимущественно для грубой защиты. При часто повторяющихся перенапряжениях варистор нагревается и сопровождающий ток возрастает. Этот эффект можно использовать для контроля функциональных способностей варистора. 81 Кремниевые лавинные диоды обладают свойством не повреждаться при воздействии напряжения, превышающего граничные, при котором они находятся в закрытом состоянии. Их разновидность - так называемые Zдиоды (стабилитроны) (напряжением UZ = 3 ÷ 200 В (рисунок 8.6) давно используются в электронных схемах для стабилизации напряжения и защиты от перенапряжений. Разработаны и специальные лавинные диоды, предназначенные для ограничения переходных перенапряжений, отличающиеся от обычных Z-диодов более высокой пропускной способностью по току, малым временем запаздывания (пикосекунды), большой поглощаемой энергией. Такие диоды выпускаются под названием ограничителей перенапряжений, супрессдиодов (ограничительных стабилитронов) трансвильдиодов или ТА Z-диодов (ТА Z - от Transient Absorbing Zener). На рисунке 8.7 приведена характеристика ограничительной стабилитрона. Она аналогична характеристике Z-диода. Напряжение UR максимальное напряжение, при котором диод еще закрыт; UB - напряжение начала ограничения, при котором ток I = 1 мА; UС - напряжение ограничения для импульса тока Iрр (8/20 мкс). Достигаемые уровни ограничения напряжения лежат в диапазоне 6-440 В. Рисунок 8.6 - Вольт-амперная характеристика 2-диода с напряжением Ug = 3 + 200 В Рисунок 8.7 - Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его важнейшие параметры 82 9 Защитные элементы для линий передачи измерительной информации 9.1. Принцип действия помехоподавляющих фильтров Помехоподавляющие фильтры представляют собой элементы для обеспечения затухания поступающей по проводам помехи. Целесообразное их применение предполагает, что спектральные составляющие полезного сигнала и помехи достаточно отличаются друг от друга. Это позволяет при соответствующих параметрах фильтра обеспечить селективное демпфирование помехи при отсутствии заметного искажения полезного сигнала. При этом собственно эффект демпфирования достигается делением напряжения. Поясним эго на простейшем примере. Если в низкочастотный контур полезного сигнала (полезные величины U N , IN на рисунке 9.2, а) поступает высокочастотное напряжение помехи U 0 , то на полном сопротивлении приемника Z S появляется составляющая напряжения помехи U st  U 0 Z S Z Q  Z S (9.1) Введение зависящего от частоты продольного полного сопротивления 9.2, б), например, в форме ωL, представляющего для низкочастотного тока Ist - очень малое, а для высокочастотного тока Ist - очень большое сопротивление, обеспечивает ослабление помехи, и составляющая, напряжения помехи снижается до Z L (рисунок U st'  U 0 Z S Z Q  Z L  Z S (9.2.) Достигаемый эффект затухания можно характеризовать коэффициентом затухания - отношением падений напряжений на Z S при наличии Z L и без него: Z Q  Z L  Z S U st .  U st' Z Q  Z S (9.3.) Коэффициент затухания приводится, как правило, в виде логарифма отношения напряжений и выражается в децибелах: a e  20 lg U st . U st' (9.4) 83 Рисунок 9.2 - Цепь без фильтра (а) и с фильтром (б) Рисунок 9.3 - Токовый контур с фильтром Согласно (9.3) эффект затухания зависит не только от Z L , но и от полных сопротивлений Z Q и Z S . В общем случае, фильтр F любой структуры представляет собой четырехполюсник, объединяющий источник помехи и приемник (рисунок 9.3). Для расчета фильтра пригодны известные соотношения: (9.5) U 1  A11U 2  A12 I2 ; I  A U  A I , (9.6) 1 21 2 22 2 где A11 , A12 , A 21 , A 22 - комплексные параметры четырехполюсника. Их конкретные значения для простейших фильтровых структур представлены в таблице 9.1. Далее (рисунок 9.3) можно записать: U 0  U 1  Z Q I1 ; (9.7) U 2  Z S I2 . (9.8) Напряжение на входе приемника без фильтра определяется как U 20  U 0 Z S . Z Q  Z S (9.9) Аналогично (9.4) ослабление сигнала в фильтре описывает как логарифм отношения напряжений на входе приемника без фильтра U 20 и с фильтром U 2 : (9.10) a e  20 lg U 20 / U 2 . Коэффициент затухания в фильтре любой структуры в соответствии с (9.5)-(9.10) можно выразить как a e  20 lg Z Q Z S  Z Q Z S 1 A11  A12  A21  A 22 . Z Q  Z S Z Q  Z S Z Q  Z S Z Q  Z S (9.11) 84 Таблица 9.1 - Параметры четырехполюсников простейших схем фильтров Схема Коэффициент A11 A 21 A 22 1 A12 Z 1 1 1 / Z 0 1 1  Z1 / Z Z1 1 / Z 0 1 1 Z 2 1 / Z 0 1  Z 2 / Z 1  Z1 / Z Z Z1  Z 2 Z 1 / Z 0 1  Z 2 / Z 1  Z 0 / Z Z 0 1 / Z1  1 / Z Z 0 Z Z 1  Z 0 / Z 1 1 2 Отсюда следует, что коэффициент затухания зависит, с одной стороны от параметров фильтра A11 , A12 , A 21 , A 22 (см. таблицу 9.1), а с другой - от полных сопротивлений участвующих в процессе источника и приемника помех, что уже отмечалось в связи с обсуждением (9.4). Коэффициент затухания в зависимости от конкретных условий может иметь сильно различающиеся значения для одного и того же фильтра (рисунок 9.4). Рисунок сопротивление сетей: 9.4 Кажущееся электроэнергетических 1 - жилые территории с воздушными линиями электропередачи; 2 – публикация 3 CISFR; 3 – промышленные сети; 4 - жилые территории с кабельными линиями 85 Один и тот же фильтр при различных условиях, т.е. в зависимости значения и частотных характеристик полных сопротивлений Z Q и Z S , может вызывать сильно различающееся затухание. Поэтому, практически невозможно задать общую характеристику фильтра независимо от конкретных условий, и приводимые в фирменных каталогах значения коэффициента затухания фильтров согласно (9.10) относятся всегда к особому случаю системного согласования ( Z Q  Z S ) и к средним значениям Z Q и Z S , например 50, 60, 150 или 600 Ом. Соответствующе нормированные в международном масштабе схемы для измерения коэффициента затухания ае (f) приведены на рисунке 9.5. Паспортные данные о коэффициенте затухания ае (f) можно использовать лишь при конкретных обстоятельствах, a именно в качестве показателя качества при изготовлении фильтра или как характеристику при сравнении фильтров одинаковой конструкции, поставляемых различными изготовителями, также при анализе фильтрового действия в сопоставимых схемах. Рисунок 9.5 - Схемы для измерений симметричного (а) и асимметричного коэффициентов затуханий (б) ае фильтров: при Z Q = Z S = 50 Ом из (4.10) следует ае = 20 lg U0/2 U2, дБ, так как U20 = U0/2 согласно (9.9). Таблица 9.2 - Рекомендации по выбору структуры фильтра Сопротивление источника Схема фильтра Сопротивление приемника Мало Мало Велико Велико Мало Велико Велико Мало Мало, неизвестно Мало, неизвестно Велико, неизвестно Велико, неизвестно   Если значения Z Q и Z S известны приблизительно, выбор подходящей фильтровой структуры может производиться с использованием данных таблицы 9.2. Во всех остальных случаях фактическая эффективность фильтра определяется лишь экспериментально или расчетом по формуле (9.11). 86 9.2. Фильтровые элементы Основными составными элементами фильтров являются катушки индуктивности и конденсаторы. Они могут использоваться для подавления помех отдельно или в комбинации друг с другом (см. табл. 9.2). Рисунки 9.6 и 9.7 дают общие представления о важнейших видах исполнения фильтров. Фильтровые элементы представляют собой в зависимости от номинального напряжения и пропускной способности по току приборы для монтажа в помещениях, компактные элементы, встраиваемые в шкафы, приборы, в разъемы или чип-элементы для монтажа на печатных платах. Рисунок 9.6 - Примеры выполнения помехозащитных конденсаторов: а - конденсатор с двумя выводами; б - конденсатор-ввод с тремя выводами; в - конденсатор-четырехполюсник; г - многоэлементный конденсатор Рисунок 9.7 - Примеры выполнения помехозащитных катушек с рабочим током I b , и синфазным током помехи I c : а - стержневая катушка; б - простейшая катушка с кольцевым сердечником; в кольцевая катушка с двумя встречными обмотками и компенсацией магнитного потока, создаваемого рабочим током I b ; г - ферритовые кольца; д - ферритовые сердечники для плоских жгутов; е - линии с повышенным затуханием, с охватывающей оболочкой из материала с высоким затуханием; ж - ферритовые пластины со многими отверстиями для штекерных соединений и интегральных схем Двухполюсные конденсаторы (рисунок 9.6,а) в зависимости oт соединения их в токовую цепь (между прямым и обратным проводами или же между проводом и землей) пригодны для защиты как от синфазных, так и от противофазных помех (рисунок 9.8,б). Конденсаторы-вводы (рисунок 9.6,б) при соединении с корпусом служат для защиты только от синфазных помех (рисунок 9.8,б). Конденсаторы-четырехполюсники (рисунок 9.6,в) защищают от 87 противофазных помех (рисунок 9.8,в), а многосекционные конденсаторы (рисунок 9.6,г) - как от противофазных, так и синфазных помех (рисунок 9.8,г). Рисунок 9.8 - Защита катушками индуктивности и конденсаторами от синфазных и противофазных токов помех (пояснения см. в тексте): Q1, Q2 - источники противофазных Id и синфазных Ic токов помех; СЕ - паразитные емкости участка схемы относительно заземленного корпуса. Защитные катушки индуктивности представляют собой катушки с возможно малыми емкостью и активным сопротивлением обмотки. Они имеют замкнутые или разомкнутые сердечники (стержни, кольца из ферромагнитного материала - трансформаторной стали, металлооксидной керамики, прессованного порошка из карбонильного железа). Катушки индуктивности со стержневым или простым кольцевым сердечником (рисунок 9.7,а,б) демпфируют как синфазные, так и противофазные сигналы (рисунок 9.8,д). Так как в катушках индуктивности с сердечниками магнитная цепь не замкнута, то их магнитная проницаемость и индуктивность практически не 88 зависят от рабочего тока. Впрочем, при больших токах габаритные размеры таких катушек индуктивности велики. Меньшие размеры имеют катушки индуктивности со скомпенсированным магнитным полем или током (рисунок 9.7,в), в которых магнитное поле, создаваемое рабочим током Ib, компенсируется благодаря встречному включению обмоток. Такие катушки индуктивности демпфируют лишь синфазные токи 1с (рисунок 9.8,е). Это же относится к ферритовым кольцам (рисунок 9.7,г), одеваемым на провода или на плоские жгуты (рисунок 9.7,д), к линиям с усиленным затуханием (рисунок 9.7, е), имеющим, в частности, при частотах f>1 МГц хорошие показатели затухания, к ферритовым пластинам со многими отверстиями (рисунок 9.7, ж), применяемым в разъемах и внутренних соединениях. При использовании катушек индуктивности и конденсаторов для фильтрации следует иметь в виду, что любой конденсатор наряду с емкостью С обладает паразитной индуктивностью Lp, зависящей от длины выводов конденсатора. Она особенно велика у двухполюсных конденсаторов и мала у коаксиальных конденсаторов-вводов. Каждая катушка индуктивности в дополнение к ее индуктивности L имеет паразитную емкость С. Поэтому для кажущегося сопротивления существует зависимость от частоты, представленная на рисунке 9.9, обладающая peзонансной точкой, в отличие от идеальной характеристики. Сведения о собственных резонансных частотах конденсаторов, применяемых для подавления помех, приведены на рисунке 9.10. Рисунок 9.9 - Частотные зависимости кажущихся сопротивлений конденсатора (а) и катушки индуктивности (б) Рисунок 9.10 Значения собственных резонансных частот f0 помехоподавляющих конденсаторов в зависимости от их емкости С Все предыдущие рассуждения относятся к случаю синусоидальной помехи. Если имеет место импульсная помеха, то необходимо определить ее спектр и на основании изложенного материала можно определить коэффициент 89 затухания. Отметим, что демпфирующие свойства фильтра при импульсном воздействии не всегда выражаются зависимостью ае от частоты, так как часто затрудняется переход от частотной области во временную вследствие нелинейности элементов фильтра, в частности катушек индуктивности. Рисунок 9.12 - Коэффициент затухания ае фильтра LC : а - схема замещения фильтра; б - принципиальная частотная зависимость коэффициента затухания ае Однако при известной форме импульса помехи (рис. 4.13) в первом приближении можно при выборе фильтра исходить из того, что область пропускания фильтра должна достигать по крайней мере частот fg = 1/Δt или fg = l/Tr Например, при времени нарастания Тr = 5 нс частота fg = 200 МГц. Рисунок 9.13 - Формы импульсов 9.3 Сетевые фильтры Сетевые помехоподавляющие фильтры представляют собой фильтры низких частот, свободно пропускающие напряжение сети (полезный сигнал) и фильтрующие содержащиеся в сети высокочастотные составляющие (гармонические, в том числе и образующие спектр импульсных помех). Их применение преследует две цели: во-первых, защиту устройства от помех, поступающих из сети питания, и, во-вторых, снижение уровня эмиссии возможной помехи, исходящей от прибора по проводам питания. Продольный элемент фильтра выбирается с учетом потребляемого из сети тока. Хотя обычно значение полного сопротивления источника и приемника помех неизвестно, часто можно принять сопротивление со стороны сети малым, а со стороны нагрузки - большим. В связи с этим для защиты приборов от помех со стороны сети доминируют фильтры (см. строку 3 в таблице 9.2). На рисунке 9.14 приведена схема фильтра, содержащего катушку индуктивности со 90 скомпенсированным магнитным полем. Фильтр содержит конденсатор СХ для демпфирования симметричных напряжений помехи и два конденсатора Рисунок 9.14 - Пример сетевого фильтра на 250 В, 1А: а - схема, Сх = 0,1 мкФ, Су = 2x3 нФ, L = 2x3,7 мГн; б - частотная зависимость ае, схемы измерений согласно рисунка 9.5; 1 - асимметричные помехи; 2 — симметричные помехи Рисунок 9.15 - Пример трехфазного сетевого фильтра на 440 В, 16 А : а - схема, L1 = 60 мкГн, L2 = 4,4 мГн, Сх= 2,2 мкФ, Су = 15 нФ, R - разрядные сопротивления; б - частотная зависимость ае: 1 асимметричные помехи; 8 симметричные помехи CY для отвода асимметричных токов помехи. Впрочем, существует множество вариаций фильтров, различающихся в зависимости от изготовителя схемными и конструктивными деталями и поэтому обладающих различными демпфирующими свойствами. В заключение приведем схему и частотную характеристику трехфазного сетевого фильтра (рисунок 9.15). Через типичные для сетевых фильтров конденсаторы, включенные между проводами сети и, как правило, заземленным корпусом прибора (CY на рисунках 9.14 и 9.15), в нормальном режиме протекает ток. При этом не должно создаваться опасности при прикосновении к корпусу прибора в отсутствие или повреждении заземляющего провода. Поэтому ток через конденсаторы не должен превышать значений, лежащих в диапазоне 0,75-3 мА, что соответствует предельному значению емкости конденсаторов Су. Приведенный пример иллюстрирует, что при использовании фильтров необходимо удовлетворять требованиям соответствуощих норм по технике безопасности (напр. VDE 0565). 91 10 Экранирование 10.1 Принцип действия экранов Экранирование служит для ослабления электрических, магнитных и электромагнитных полей, а именно для того, чтобы исключить проникновение и воздействие таких полей на элементы, блоки, приборы, кабели, помещения и здания, а также для того, чтобы подавить исходящие из электрических и электронных промышленных средств и устройств помехи, обусловленные полями. Экран устанавливается между источником и приемником помех и снижает напряженности Е0, Н0 воздействующего поля до значений E1 H1 за экраном (рисунок 10.1). Физически экранирование объясняется наведением на поверхности экрана заряда или индуктированием в нем тока, поле которых накладывается на воздействующее, ослабляя его. Тем самым как бы удаляется чувствительный приемник помехи от источника. На эффективность экранирования оказывают существенное влияние частота поля, электропроводность и магнитная проницаемость материала экрана, конфигурация и размеры экрана. Для уточнения этих общих положений будем исходить из того, что экранирование осуществляется частично поглощением энергии поля материалом экрана (коэффициент затухания аSA обусловленный поглощением), а частично - отражением падающей волны (коэффициент затухания aSR, обусловленный отражением). Рисуно 10.1 - Экранирование токовых контуров от внешних электрических и магнитных полей: а - принципиальное расположение контуров 1, 2 и экрана S; б - граница между условиями ближнего (нижняя левая часть) и дальнего (верхняя правая часть) полей Результирующий коэффициент затухания, дБ, можно определить как (10.1) a S  20 lg( E 0 / E1 ) 92 Или же (10.2) a S  20 lg( H 0 / H 1 ) Т.е. a S состоит из двух компонентов: a S  a SA  a SR . (10.3) При этом не учитываются многократные отражения от стенок экрана и помещения. Для установления существенных взаимосвязей между этими коэффициентами затухания и характеристиками магнитного поля, а также размерами экрана и свойствами его материала удобно воспользоваться понятием полных сопротивлений по аналогии с распространением волн в электрически длинной двухпроводной линии. В зависимости от расстояния х приемника помехи от источника (рис. 4.23, а) и частоты f в ближней или дальней областях (рисунок 10.1, б) для определения коэффициентов затухания a SA и a SR , дБ, пригодны следующие выражения: для магнитного поля в ближней зоне (x с / 2 π f), a SR  168  10 lg( r /  r )  20 lg( x / xб )  10 lg( f / f б ) , (10.6) а коэффициент поглощения, как для ближней, так и дальней зон  a SA  (0,1314d / d б )  r  r  f / fб , (10.7)  r ,  r - относительная магнитная проницаемость материала, его где электропроводность, отнесенная к электропроводности меди (  Cu = 5,8 107 См/м); fб = 1 Гц - базовая частота; d - толщина экрана, отнесенная к d6 = 1 мм; хб = 1 м. Кроме того, выражения, заключенные в квадратные скобки формул (4.28)-(4.31), характеризуют влияние свойств материала экрана и его толщины на коэффициент затухания, и при f = 1 Гц ординаты функций (10.4)(10.7) представляют собой значения аSR и аSA. Зависимость результирующего коэффициента aS от частоты при наличии магнитного поля для ближней зоны представлена на рисунке 10.2. Эта зависимость получается суммированием aSR и aSA в соответствии с (10.3). 93 Зависимости aSA, aSR и aS от частоты для дальнейшей зоны в соответствии с (10.6) и (10.7) и для ближней зоны в соответствии с (10.6) и (10.7) представлены на рисунке 10.3. Следует подчеркнуть, что спад коэффициента aSR согласно (10.5) для ближней зоны происходит не на 10, как в остальных случаях, а на 30 дБ при увеличении частоты на порядок. Эффективность экранирующих устройств ориентировочно может быть оценена следующим образом. Если aS не выше 10 дБ, то экранирование, как правило, недостаточно. При 10 < aS < 30 дБ удовлетворяются минимальные требования по экранированию. Для многих случаев достаточно, если 30 < aS < 60 дБ. Если 60 < aS < 90 дБ, то имеет место хорошее экранирование, при 90 >1,  r <1) ослабляют электрические поля в области низких частот хуже, чем экраны из немагнитных, однако, в отличие от последних, они оказывают определенное ослабление постоянных магнитных полей. С повышением частоты демпфирующее действие в отношении электрических и магнитных полей возрастает, что следует из (10.7) и рисунка 10.2 и 10.3. Имеются различные экранирующие материалы и устройства, поставляемые в различных формах, в зависимости от решаемых задач. Это: -прикрепляемые болтами пластины и привариваемые тонкие стальные и медные листы для изготовления экранированных корпусов и для покрытия стен помещений; -тонкая легкоразрезаемая и деформируемая фольга из мягкомагнитных сплавов с высокой магнитной проницаемостью для изготовления образцов и серийных приборов; -металлические ленты и оплетки для кабелей; -металлические плетеные шланги для дополнительного экранирования кабелей и кабельных жгутов; -металлические сотовые структуры для воздухопроницаемых экранирующих элементов (например, для экранированных кабин); -металлические сетки, проводящая прозрачная фольга и стекла с напыленным металлом для окон при комплексном высокочастотном экранировании; -наносимые на пластмассовые корпусы распылением серебряные, никелевые или медные покрытия; -пластмассовые комбинированные материалы с проводящими добавками (металлическим порошком, нитями, например, из углерода и т.п.) для изготовления экранированных корпусов; -тканые материалы со вплетенными нитями из нержавеющей стали для высокочастотной экранирующей одежды (коэффициент затухания достигает 30 дБ в области частот от 100 кГц до 40 ГГц). Здания, массивные строительные сооружения без особых мер защиты ослабляют внешние поля на 6-10 дБ, железобетонные со сваренной стальной арматурой - до 25-30 дБ. 95 Для обеспечения экранирующих свойств корпусов, кабин и помещений часто неизбежные вводы, щели, стыки стен, дверные проемы и другие элементы, прозрачные для высокочастотного излучения, уплотняются. Соответствующие уплотнения должны гарантировать непрерывность вихревых токов, индуктированных полем. Поэтому они должны быть изготовлены из хорошо проводящих и механически формируемых материалов, достаточно устойчивых к функционально обусловленным воздействиям и окружающим условиям, обладать по возможности малым контактным сопротивлением с соприкасающимися металлическими конструктивными элементами. Находят применение и другие уплотняющие материалы и изделия: - эластомеры с добавками, обеспечивающими достаточную электропроводность, на основе силанового каучука в виде пластин, кольцевых шнуров, трубок. В качестве наполнителей используют углерод, никелевые или серебряные частицы, посеребренный медный, никелевый или стеклянный порошок, посеребренную алюминиевую пудру; полностью металлические плетеные изделия в форме чулка, круглых или прямоугольных прокладок, двойных прокладок с эластомерным сердечником или без него для уплотнения, например, прикрепляемых болтами крышек, стенок корпуса; -проволочные оплетки, пропитанные эластомером, например, уплотнений электрических соединений; -пластины из силиконового каучука, содержащие перпендикулярно расположенные к поверхности металлические нити; -пружинящие устройства из бериллиевой бронзы для уплотнения дверей; -проводящие технологические добавки для улучшения переработки пластмассы и клея. 10.3 Экранирование приборов и помещений Металлические корпусы электронных устройств обеспечивает определенную защиту от проникновения из окружающего пространства в него электромагнитных помех. Однако неизбежные разрезы, швы, отверстия для кабелей и вентиляции сильно снижают их экранирующее воздействие. В корпусах, удовлетворяющих требованиям электромагнитной совместимости, этот недостаток должен быть устранен. Соответствующие конструкции обеспечивают сплошное гальваническое соединение всех стенок прибора, с применением подходящих уплотнений, например проволочных плетеных прокладок. Приборные шкафы имеют непрерывные коррозионно-стойкие контактные поверхности, с которыми по всему периметру дверей соприкасаются пружинные контакты из бериллиевой бронзы, причем специальная система обеспечивает одинаковую силу прижатия пружин пo всему периметру двери. Отвод тепла из шкафов осуществляйся через 96 отверстия или через жалюзи в стенках. Электрические соединения с внешними устройствами осуществляются исключительно при помощи разъемов. Иным образом внутрь шкафа нельзя вводить кабели. При этом коэффициент затухания достигает 40-100 дБ при частоте от 30 МГц до 1 ГГц. Эффективное экранирование электронных приборов с пластмассовыми корпусами (компьютеров, радиопереговорных устройств, измерительных приборов, мониторов и др.) достигается применением металлических нитей в связующем материале или металлизацией поверхности корпуса. Обеспечение электромагнитной совместимости, создание условий измерений и испытаний приборов без помех, как и аспекты обеспечения надежности данных, требуют во многих случаях электромагнитного экранирования помещений. Примерами этого являются: -испытательные помещения и лаборатории для средств связи, измерений, автоматизации и техники высоких напряжений; -измерительные помещения для научных исследований и службы метрологии; -медицинские диагностические и терапевтические кабинеты в больницах; -вычислительные центры на промышленных предприятиях, в банках и многих других гражданских и военных организациях. В последнем случае речь идет не только о защите вычислительной техники от помех, но и о том, чтобы ограничить распространение компрометирующего электромагнитного излучения и тем самым .исключить возможность подслушивания секретной информации. Современные экранирующие устройства помещений выполняются по модульному принципу. При этом техническая задача состоит в том, чтобы для всего защищаемого помещения создать однородную проводящую отражающую электромагнитное излучение оболочку. Важнейшими элементами для реализации этого являются: -экранирующие модули для стен и потолков (стальные листы, стальная и медная фольга для болтового или сварного соединения); -двери, ворота и тамбуры с высокочастотным уплотнением; -внутренние и внешние окна помещений с демпфирующими высокочастотными свойствами ; -сотовые каминные элементы для каналов кондиционирования воздуха; -полые вводы для световодов; -электрические фильтры для системы электрообеспечения, линий передачи данных, коммуникаций и управления, предотвращающие как поступление, так и выход помех, обусловленных гальванической связью. При тщательном выполнении экранирования помещений коэффициент затухания достигает 80-100 дБ в диапазоне гигагерц. По условиям обеспечения безопасности (защиты от напряжения прикосновения) корпусы приборов и экраны помещений заземляются в определенных точках. 97 10.4 Экраны кабелей Кабельные экраны предназначены для снижения влияния напряжений помех на кабели и излучений помех кабелями и проводами, а также для того, чтобы обеспечить развязку помехосодержащих и чувствительных к помехам проводов при их прокладке в общих кабельных трассах, каналах или жгутах, если это необходимо по каким-либо внешним условиям. Кабельные экраны из хорошо проводящих материалов (медные или алюминиевые оплетки) позволяют ослабить эти напряжения, однако при этом существенную роль играет заземление экрана. Если экран заземлен только с одной стороны, то снижается поперечное напряжение, вызванное полем Е, вследствие байпасного действия экрана (U'q< Uq). На первый взгляд, все равно, заземлен ли экран слева или справа (рисунок 10.4, б). При двустороннем заземлении экрана (рисунок 10.4, в) возникает замкнутый контур, в котором при изменении магнитного поля Н во времени индуктируется ток I. Продольное напряжение при этом уменьшается ( U l'  Z K I  U l , где Z K - комплексное полное сопротивление связи экранированного кабеля). Если затухание в одном экране недостаточно, используют два экрана, наложенные друг на друга и изолированные один от другого. При этом вновь возникает вопрос, как заземлить внутренний экран? При двустороннем заземлении (рисунок 10.4, г) продольное напряжение, U l  I Z Ka Z Ka Z Ki ,  Z Ki  jL (10.8) а при одностороннем заземлении (рисунок 10.4, д) U l  I Z Ka Z Ka Z Ki  Z Ki  1 / jL (10.9) В этих уравнениях L представляет собой индуктивность соединеия, а С - емкость между экранами, ZKa и ZKi - комплексные полные сопротивления внутреннего и внешнего экранов соответственно. Сравнение (10.8) и (10.9) позволяет сделать следующие выводы. Двусторонне заземленный внутренний экран при низких частотах не оказывает сильного экранирующего действия, так как практически параллельно соединены лишь ZKa и ZKi. Напротив, при высоких частотах ( jL  Z Ka  Z Ki имеет место значительно лучшее экранирование, чем при одном экране. При одностороннем заземлении внутреннего экрана картина обратная. 98 Рисунок 10.4 - Воздействие экранов кабелей: а - неэкранированный кабель; б - одностороннее заземление экрана; в - двустороннее заземление экрана; г - кабель с двойным экраном и двусторонним заземлением внутреннего экрана; д - кабель с двойным экраном и односторонним заземлением внутреннего экрана Для того чтобы полностью использовать возможности кабельных экранов, необходимо соблюдать следующие правила: -обычные экраны и внешние оболочки двойных экранов должны иметь на обоих концах хорошие контакты с корпусами приборов; -внутренний экран в зависимости от частоты поля помехи следует заземлять с одной стороны или с обеих сторон; -внешний экран нельзя вводить внутрь прибора или там заземлять, так как при этом могут частично утрачиваться экранирующие свойства корпуса Отметим, что экранирование кабелей служит и для того, чтобы снизить влияние разности потенциалов между точками заземления корпусов приборов, связанных кабелями. Отсюда вытекают дальнейшие требования по экранированию и прокладке, например силовых кабелей. 99 11 Разделительные элементы Электронные средства автоматизации, такие, как программное управление, промышленные компьютеры и процессорные системы, содержащие подводящие провода с обширной информацией и отводящие с сигналами управления, подвергаются опасности нарушения функционирования из-за синфазных напряжений помех, возникающих при кабельном соединении элементов. Эффективное средство устранения такой опасности состоит в гальванической развязке внешних и внутренних токовых контуров. Для этого используют разделительные элементы, параметры и обозначения которых приведены в таблице 11.1. При их помощи можно реализовать разности потенциалов в несколько киловольт. Однако эффективность разделения определяется паразитной емкостью Ср элемента. Рационально выполняя схему, необходимо позаботиться о том, чтобы емкость Ср не возросла до недопустимого значения, например, из-за параллельной прокладки входных и выходных проводников. Таблица 11.1 - Разделительные элементы для гальванической развязки Разделительный элемент Обозначение на схеме Электромеханическое реле Емкость связи Ср, пФ До 5 Время задержки, мс 0,5-20 Оптическая связь До 1 10-4-0,5 Твердотельное реле 5-10 8-10 Разделительный трансформатор 10-100 - Разделительные схемы До 1000 - 100 12. Методы испытаний и сертификации элементов вторичных цепей и помехоусойчивость. Измеритеьные и испытательные центры 12.1 Общие сведения об измерении электромагнитного воздействия Для того, чтобы определить уровни электромагнитных воздействий на системы релейной защиты и технологического управления при коммутациях, работе разрядников и при коротких замыканиях на шинах высокого напряжения, необходимо знать: - электрическую схему и взаимное расположение первичных цепей; трассы прокладки кабелей и их марку; - тип и расположение силового оборудования; - фирму-изготовитель, назначение и место расположения устройств релейной защиты и системы технологического управления. Необходимо иметь данные по заземляющему устройству объекта: -исполнительную схему; - удельное сопротивление грунта и импульсное сопротивление заземления оборудования, к которому подходят кабели от устройств релейной защиты и системы технологического управления. Как правило, эти данные могут быть получены лишь экспериментальным путем. Методика диагностики заземляющих устройств энергообъектов представляет самостоятельную задачу. На исполнительной схеме заземляющего устройства должны быть показаны молниеприемники и схема их заземления, а также трассы прокладки кабелей систем релейной защиты и технологического управления. Для зданий и сооружений необходимо иметь схему токоотводов и заземлителей молниеприемников. В качестве исходных данных для определения воздействий токов и напряжений промышленной частоты необходимо иметь сведения о токах короткого замыкания на землю (токи 3I0). При коротком замыкании на шинах высокого напряжения важно знать не только суммарный ток короткого на землю, но и составляющие этого тока (токи с линий 3I0 и токи 3I0 от трансформаторов). Например, при коротком замыкании на землю на шинах 500 кВ одной из подстанций суммарный ток 3I0 = 10300 А, ток от автотрасформатора 4АТ - 3I0 = 3100 А, ток от автотрансформатора 5АТ - 3100 А, ток от линии ВЛ-1 - 3I0 = 2500 А, ток от линии ВЛ-2 - 3I0 = 1500 А. Удельное сопротивление грунта определяется, как правило, экспериментально методом вертикального электрического зондирования в виде зависимости удельного сопротивления ρ от глубины h (рисунок 12.1). 101 Обычно результаты измерений приводятся к двухслойной модели, используя методы математической обработки (например, метод наименьших квадратов). Возможно определение удельного сопротивления грунта на основании данных о геоподоснове территории объекта и справочных данных об удельном сопротивлении различных грунтов. Для определения воздействий электромагнитных полей радиочастотного диапазона необходимо иметь сведения об используемых на данном объекте радиопередающих устройствах (стационарных и переносных). Анализ возможных уровней электромагнитных воздействий по сети электропитания постоянным и переменным током проводится на основе исполнительной схемы электропитания объекта, данных о типе и месте расположения устройств, включенных в систему электропитания (в особенности, электромеханических устройств) и данных о трассе прокладки и типе соединительных кабельных линий. На этом этапе составляется рабочая программа проведения экспериментальных работ на энергообъекте. Рисунок 12.1 - Удельное сопротивление грунта При проведении непосредственных измерений на объекте определяются напряженности электромагнитных полей радиочастотного диапазона, напряженность поля промышленной частоты при нормальных режимах работы, импульсные помехи в цепях постоянного и переменного тока, качество электропитания постоянным и переменным током устройств релейной защиты и системы технологического управления, характеристики покрытий полов и электрические потенциалы тела человека от заряда статического электричества. Путем проведения непосредственных измерений на объекте определяются некоторые характеристики первичного оборудования, цепей вторичной коммутации и устройств релейной защиты и системы технологического управления (амплитудно-частотная характеристика 102 высокочастотной составляющей тока шин и кабелей высокого напряжения, емкость на землю оборудования, входные параметры терминалов). Также проводится тестирование расчетов (например, при проведении измерений помех во время коммутаций разъединителями и выключателями). При имитации электромагнитных возмущений определяются помехи, связанные с ударами молнии, короткими замыканиями, коммутациями в первичных цепях. После измерений производится пересчет полученных значений к реальным воздействиям. Кроме того, при имитации электромагнитных возмущений определяются некоторые параметры (например, коэффициент экранирования кабелей), которые, как правило, невозможно определить расчетным путем. Расчеты используются для определения наиболее опасных режимов, для пересчета результатов измерений, полученных с использованием имитаторов электромагнитных воздействий, к реальным воздействиям и для определения оптимальных мероприятий по улучшению электромагнитной обстановки. При проведении расчетов используются математические модели и специальные программы для ЭВМ. 12.2 Электромагнитные поля радиочастотного диапазона Измерения полей радиочастотного диапазона проводят в местах установки устройств автоматических и автоматизированных систем технологического управления в частотном диапазоне от 1 до 1000 МГц. Измеряют также напряженности электромагнитного поля от переносных и стационарных радиопередающих станций, которые используются персоналом энергообъекта. Измеряют зависимость напряженности поля от расстояния до источника электромагнитного излучения и ослабление поля искусственными преградами (стены, экраны, корпуса шкафов и т.д.). Для измерения помех в радиочастотном диапазоне обычно используют перестраиваемые селективные высокочастотные вольтметры с соответствующим набором антенн. Для сигналов вертикальной поляризации в диапазоне 26-300 МГц возможно использование биконических антенн с круговой диаграммой направленности и входным сопротивлением 50 Ом. Для сигналов с горизонтальной поляризацией следует использовать дипольные антенны с входным сопротивлением 50 Ом. Существенным для правильных измерений является хорошее согласование антенно-фидерного тракта с вольтметром во всем диапазоне измеряемых частот. Значение коэффициента стоячей волны напряжения не должно превышать 3. Для измерения сигналов в диапазоне частот 300-1000 МГц возможно использование калиброванной измерительной антенны, рупорной измерительной антенны П-6-33 с входным сопротивлением 50 Ом. Эта антенна позволяет принимать сигналы любой линейной поляризации, но обладает ограниченной диаграммой направленности (±45°). Для сигналов с 103 горизонтальной поляризацией можно также использовать калиброванную широкополосную антенну в виде конического диполя ДП-3 из измерительного комплекса FSM-8,5. Этот диполь имеет входное сопротивление 50 Ом и коэффициент стоячей волны не более 2. Описанные антенны предназначены для измерения напряженности электрического компонента электромагнитного поля. Магнитный компонент поля определяют пересчетом по формуле Н, дБ (мкА/м) = Е, дБ (мкВ/м) – 52. Возможность быстрого графического представления частотного спектра помех дает применение для измерений радиочастотных сигналов спектроанализоторов. 12.3. Разряды статического электричества Оценку электростатического потенциала тела человека проводят путем непосредственных измерений. При этом измеряют характеристики диэлектрического покрытия пола в помещении, где работает оператор. Измерения удельных поверхностных сопротивлений полимерных диэлектриков осуществляют в соответствии с ГОСТ 64433.3-71 «Материалы электроизоляционные твёрдые. Методы определения электрических сопротивлений при постоянном напряжении». Для измерений поверхностного сопротивления с S используется тераомметр и стандартные электроды, схема подключения которых представлена на рисунке 12.2. Для расчета удельного поверхностного сопротивления  S пользуется следующее выражение: S  где  ( D  g ) RS g ис- , RS - измеренное поверхностное сопротивление, D - диаметр потенциального электрода, g - зазор между потенциальным и измерительным электродами (рисунок 12.2). Измерения потенциала тела человека проводят электростатическим вольтметром (например, типа С 502 с диапазоном измеряемого напряжения 0,4-3 кВ). Для расширения диапазона измерений используется ёмкостный делитель. Потенциал тела оператора определяется из выражения: 104 U P  C1  C 2  / C1 U V , где C1 - суммарная ёмкость вольтметра, соединительного кабеля и оператора, С2 - емкость делителя, UV — показания вольтметра. 1 - потенциальный электрод; 2 - измерительный электрод; 3 - охранный электрод; 4 - образец полимерного диэлектрика; 5 - тераомметр Рисунок 12.2 - Схема измерений поверхностного сопротивления полимерного диэлектрика: 12.4 Магнитные поля промышленной частоты Непосредственные измерения магнитных полей частотой 50 Гц проводят в нормальных режимах в местах установки устройств автоматических и автоматизированных систем технологического управления, на распределительном устройстве ВН вдоль трассы прокладки кабелей при помощи измерителя магнитного поля (например, с помощью ИПМ50/200/400, входящего в комплект КДЗ-1). Для режимов однофазного короткого замыкания на шинах высокого напряжения уровень напряженности магнитных полей определяется расчетным путем. Рассматривается режим однофазного короткого замыкания на шинах высокого напряжения вблизи места установки устройств систем релейной защиты и технологического управления. Приближенные оценки проводят по формуле: H  I кз / 2r (r - расстояние до шин, по которым проходит ток однофазного короткого замыкания Iкз) Точные расчеты проводят по специальной программе. В тех случаях, когда вблизи места установки устройств автоматических и автоматизированных систем технологического управления размещены реакторы или трансформаторы, измеряют напряженность магнитного поля в нормальном режиме и пересчитывают на токи короткого замыкания. Приближенный расчет поля, создаваемого вдоль оси реактора, может быть выполнен по выражению: 105 I n r2 Н 2 (r 2  x 2 )1,5 где r - радиус реактора, х - расстояние по оси реактора от его центра до точки измерения, I - ток в реакторе, п - число витков. Приближенный расчет поля, создаваемого реактором в горизонтальной плоскости на расстояниях более 2-х диаметров реактора, может быть выполнен по выражению Н 2 I n  rx cos   2 2 4  0 r  x  2rx cos   2  1,5 d   r r2 2  x 2  2rx cos   1,5  d   где  - угол между вектором, направленным из центра реактора в точку измерений, и осью абсцисс. Для нескольких реакторов искомое поле определяется методом суперпозиции полей от каждого реактора с учетов фазового сдвига токов. Расчеты могут быть выполнены при помощи программы MathCAD. 12.5 Помехи, связанные с возмущениями в цепях питания низкого напряжения К основным периодическим помехам в цепях постоянного тока относится переменная составляющая напряжения (пульсации) и кондуктивные помехи радиочастотного диапазона. К импульсным помехам в цепях постоянного тока относятся помехи, возникающие при срабатывании реле, электромагнитов, приводов силовых выключателей, автоматических выключателей в цепях постоянного тока. К основным периодическим помехам в цепях питания переменного тока относят гармонические составляющие напряжения. К импульсным помехам в цепях переменного тока относят помехи, возникающие при коммутациях автоматическими выключателями в этих цепях. Измерительную аппаратуру в ходе определения помех подключают к цепям питания по противофазной схеме (провод-провод) и, при необходимости, по синфазной схеме (провод-земля). При этом проводят следующие виды измерений: - кратковременные измерения (осциллографирование формы сигнала помехи); - длительная регистрация (в том числе при коммутациях в цепях высокого напряжения). Кратковременные измерения проводят в нормальных режимах (стационарные режимы работы силового оборудования, режим срабатывания 106 реле аппаратуры автоматических и автоматизированных систем технологического управления; режим срабатывания автоматических выключателей в цепях питания; режим срабатывания электромагнитных приводов силовых выключателей 6 - 10 кВ). При измерениях в стационарных режимах определяют характеристики пульсаций или коэффициент синусоидальности переменного напряжения. Измерения помех, возникающих при срабатывании реле, проводят при принудительном их срабатывании, например, при опробовании силовых выключателей, проверке защит. При этом помехи измеряют в тех панелях (шкафах), где срабатывают реле. Измерения помех при срабатывании автоматических выключателей в цепях питания проводят при коммутациях в силовых сборках, на щите собственных нужд, щите постоянного тока. Помехи фиксируют в местах установки аппаратуры систем релейной защиты и технологического управления. Измерения помех в цепях оперативного тока при срабатывании электромагнитных приводов силовых выключателей проводят в местах установки аппаратуры систем релейной защиты и технологического управления. При этом возможно проведение коммутаций выключателями на холостом ходу. Особое внимание следует уделять этому виду помех в том случае, когда питание аппаратуры релейной защиты и технологического управления и приводов выключателей осуществляется от одной системы шин. Длительную регистрацию проводят с целью определения диапазона характеристик помех в длительно существующих режимах. При данном типе измерений определяют амплитуду переменных и импульсных помех в цепях постоянного тока и гармонических составляющих и импульсных помех в цепях переменного тока. Измерения проводят в тех же цепях, что и при кратковременной регистрации. Измерения проводят продолжительностью не менее одной недели при помощи самописцев или специализированных регистраторов параметров качества электрической энергии. Анализируют также аварийные режимы в сети питания и определяют возможные уровни пульсаций в сети постоянного тока и максимальное время провалов напряжения. 107 13 Влияние полей, создаваемых устройствами электроэнергетики, на биологические объекты. Предельно допустимые уровни электромагнитных полей, действующих на персонал 13.1. Роль электрических процессов в функционировании живых организмов Живые организмы, включая организм человека, представляют собой исключительно сложные системы, функционирование которых обеспечивается разнообразными процессами - физическими, химическими, биологическими, регулирующими внутренние условия функционирования живых организмов, их воспроизводство, мыслительную деятельность человека и многое другое. В основе реализации этих процессов лежат электрические явления на молекулярном и клеточном уровнях. По структуре живой организм, как правило, состоит из совокупности клеточных тканей, образующих мышечную, кровеносную, лимфатическую, нервную и иные системы. Внутренняя среда организма является электропроводящей. В ней, представляющей собой водные электролиты, осуществляется транспорт ионов, молекул, циркулируют электрические токи, которыми возбуждаются, определяются и регулируются все жизненно важные процессы. Токи возбуждаются электрическими полями, создаваемыми ионами, концентрация которых зависит от вида химических реакций, протекающих в организме, вида и скорости обменных процессов и т.д. Следует отметить ключевую роль электрических процессов и в двигательных функциях мышечных тканей. В них на заключительном этапе сложных биохимических процессов осуществляется преобразование энергии электрического поля в механическую работу. Нормальное функционирование клеток организма связано с обменом веществ через мембраны. Обмен осуществляется путем открытия каналов в мембране, через которые проходят ионы натрия, кальция, хлора и других элементов. Открытие каналов происходит за счет электростатических сил, действующих на белковые молекулы мембраны, при изменениях напряжения между стенками мембраны вследствие различия концентраций ионов внутри и снаружи клетки. Изменения концентрации ионов снаружи клетки и возникновение потенциала действия являются неотъемлемыми элементами механизмов электрохимической передачи информации по тканям. В спокойном состоянии напряжение составляет примерно 80 мВ. Для того чтобы каналы мембраны оказались прозрачными для ионов натрия, достаточно уменьшить напряжение на 20 мВ. С учетом электропроводности и структуры нервных тканей этому состоянию соответствуют усредненные напряженность электрического поля в организме человека 40 В/м и плотность тока 4 А/м2. Если внутри тела человека искусственно создать указанные поле или плотность тока, то будут нарушены естественные 108 процессы функционирования органов, например, наступит паралич нервных тканей или нарушится ритм сокращений сердечной мышцы. Таким образом, указанные значения напряженности поля или плотности тока являются, безусловно, опасными. Поле внутри тела может быть создано как при непосредственном касании человеком токоведущих частей, так и за счет протекания по телу токов смещения, если человек находится в переменном электрическом поле, или в поле индуктированных токов при нахождении в переменном магнитном поле. Указанной напряженности поля или плотности тока внутри тела соответствует напряженность внешнего электрического поля промышленной частоты 100 МВ/м или магнитного поля примерно 1 МА/м. Следует отметить, что ни магнитные, ни электрические поля указанной напряженности на практике не встречаются и случаев непосредственного поражения человека магнитным или электрическим полем промышленной частоты не зарегистрировано. Однако правомерен вопрос, при каких напряженностях внешних полей, возможно, негативное или позитивное влияние на человека электромагнитных возмущений, создаваемых электрическими, электронными и иными приборами, в которых используется электрическая энергия. В организме человека при нахождении в электрическом, магнитном или электромагнитном внешних полях, индуктируются токи, накладывающиеся на собственные биотоки, в результате чего могут измениться естественные процессы или возникнуть новые явления. Постоянные внешние электрические поля не могут вызвать токов в организме. Единственным следствием воздействия таких полей, может быть возникновение электрических зарядов на поверхности тела. Постоянные магнитные поля проникают внутрь организма без изменения, так как в организме отсутствуют ферро- или диамагнитные образования. Переменные электрические и магнитные поля вызывают соответственно токи смещения и индуктированные токи. Для оценки возможного влияния этих токов на организм необходимо сопоставить их амплитуды и частоты с аналогичными параметрами естественных биотоков. Электромагнитные поля высокой частоты также способны индуктировать токи в организме. Появление этих токов, безусловно, является новым, влияющим на процессы в организме, фактором, так как в естественных условиях высокочастотные токи в организме отсутствуют. Поскольку электрические, магнитные и электромагнитные поля становятся все более сильным фактором искажения окружающей среды и достоверно известны некоторые конкретные механизмы воздействия полей на человека, в зарубежной печати появилось новое определение этому явлению - электросмог. В загрязнение окружающего пространства электрическими и магнитными полями промышленной частоты основной вклад вносят объекты электроэнергетики, в первую очередь линии электропередачи и подстанции высокого напряжения, электрифицированный 109 транспорт, мощные промышленные установки, а также разнообразные бытовые электроприборы. Проблема электромагнитной обстановки как фактора негативного влияния на самочувствие и здоровье человека привлекает все большее внимание общественности, причем часто опасность преувеличивается из-за недостатка знаний в этом вопросе либо по конъюнктурным соображениям, таким как стремление найти рынки сбыта устройств для измерения параметров полей или устройств и методов ослабления напряженности полей. В связи с развитием электроэнергетики, с непрерывно расширяющимся применением мощных электротехнических и электронных устройств на производстве, транспорте и в быту искажения электромагнитной обстановки становятся все более заметным, а напряженности электрических и магнитных полей на рабочих местах, например, на объектах электроэнергетики, могут существенно превышать значения естественных полей. Изучению влияния электромагнитной обстановки на состояние здоровья человека в последние годы придается большое значение. Оно обусловлено, в частности, появлением сообщений о повышенном риске раковых заболеваний у людей, длительно проживающих вблизи линий электропередачи высокого напряжения, что связывается с влиянием на организм человека магнитного поля, создаваемого токами в проводах линий; жалобами персонала объектов электроэнергетики напряжением выше 220 кВ на ухудшение самочувствия при длительном воздействии электрических и магнитных полей промышленной частоты на рабочих местах и т.п. Как в научных трудах, так и в средствах массовой информации все чаще появляются сенсационные материалы об опасности для здоровья электрических, магнитных и электромагнитных полей, в том числе и слабых, но длительно действующих. Например, появляются безосновательные утверждения, что опасной для человека границей является напряженность магнитного поля промышленной частоты 0,16 А/м при нормированной за рубежом напряженности 80 А/м и более. Как правило, фактическая база таких утверждений оказывается недостоверной. Однако интерес к этой проблеме не ослабевает, так как существует вероятность недооценки опасного влияния полей на здоровье и повторения ситуации, сходная с той, которая складывалась при недооценке опасности ионизирующих излучений. Упомянутые проблемы находятся в поле зрения многих международных организаций, таких как Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Международная электротехническая комиссия (МЭК), Международная ассоциация по защите от ионизирующих излучений (IRPA), Европейский комитет по нормированию в области электротехники (CENELEC), Комиссии европейского союза (CEU), национальные комиссии и т.д., занимающиеся вопросами нормирования воздействующих на персонал и население электрических, магнитных и электромагнитных полей, включая поля промышленной частоты. 110 Согласно многочисленным исследованиям воздействия полей на человека неопасной считается плотность тока в организме ~10мА/м2, что соответствует при частоте 50 Гц напряженности внешних полей 20 кВ/м и 4 кА/м. При больших плотностях наблюдаются такие последствия, как обратимые изменения скорости синтеза протеинов и ДНК, нарушения ионного равновесия, концентрации промежуточных продуктов обмена и активных веществ в клетках, изменения процессов деления клеток и т.п. При плотностях тока 100—1000 мА/м2 могут происходить сильные возбуждения клеток и тканей, центральной нервной системы, возникают болевые ощущения, а при больших плотностях тока возможны аритмия и фибрилляция сердца. Интересно отметить, что напряженность полей, кратковременно создаваемых приборами электротерапии в организме человека, как правило, выше границы восприимчивости (ощущения человеком наличия поля), а при работе дефибриллятора в сердечной мышце создается импульсное поле напряженностью ~600 В/м, что соответствует плотности тока ~60 А/м2. Таким образом, следует четко различать возможные негативные или позитивные последствия электрических и магнитных полей в зависимости от их напряженности и экспозиции Плотность тока ~10 мА/м2 в теле человека считается уровнем естественных биотоков. Все клетки нормально функционируют при такой плотности тока. Частоты биотоков, как правило, лежат в диапазоне 4—1000 Гц. Регистрация сигналов, связанных с биотоками (электрокардиограммы, энцефалограммы) является эффективным средством диагностики состояния организма человека. Более удобным для пользования является не плотность тока, а ток, протекающий через тело по направлению рука-рука. Безопасный для человека ток зависит от времени его воздействия. Согласно ГОСТ 12.1.038 эти зависимости для производственных и бытовых условий приведены в таблице 13.1. Таблица 13.1 - Предельно допустимые токи через тело человека в зависимости от времени протекания при частоте 50 Гц, мА Условия 0,01- 0,1 0,08 Производственные 650 400 Бытовые 220 200 0,2 0,3 Время протекания, с 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 >1,0 190 100 160 70 140 55 75 30 65 27 50 25 6 2 125 50 105 40 90 35 Используя эти нормированные токи, можно оценить внешние поля, которые создают указанные в таблице 13.1 токи. Такие оценки, как уже отмечалось, при времени воздействия более 1 с дают значения 25 кВ/м и 4 кА/м. При сокращении времени воздействия предельно допустимые напряженности полей возрастают примерно на 2 порядка, при этом напряженность электрического поля становится выше напряженности, при 111 которой произойдет электрический пробой по воздуху вдоль тела человека. Вероятно, этим объясняются случаи разряда генератора импульсных напряжений в лабораториях на человека, не приводящих к летальному исходу Учитывая важную роль электрических процессов в функционировании организма человека, возможное влияние на организм внешних полей, создаваемых электрическими и электроэнергетическими устройствами, далее рассмотрим электромагнитную обстановку, окружающую человека на производстве и в быту, механизмы воздействия полей на организм, а также некоторые вопросы нормирования допустимых напряженностей. 13.1.1 Электромагнитная обстановка на рабочих местах и в быту Электромагнитная обстановка характеризуется напряженностями электрического и магнитного полей. При высоких частотах речь может идти о воздействии электромагнитного поля, при этом наибольший интерес представляет воздействие плоской электромагнитной волны, при которой плотности энергии электрической и магнитной составляющих равны. Подразделяют естественную электромагнитную обстановку и обстановку от электрических, электроэнергетических и иных, созданных человеком устройств, в которых используется электрическая энергия. Поля естественного и искусственного происхождения накладываются друг на друга, векторы напряженностей суммируются. Естественное электрическое поле Земли обусловлено отрицательным избыточным зарядом поверхности и составляет на открытой местности примерно 100-500 В/м, (см. заштрихованную область в левой части рисунка 13.1). При наличии грозового облака напряженность поля может возрасти до нескольких десятков и даже сотен кВ/м, менять направление, а при грозовых разрядах возникают импульсы электромагнитного поля. Сильные электрические поля промышленной частоты в основном создаются объектами электроэнергетики (линии электропередачи высокого напряжения). Здания экранируют постоянное электрическое поле Земли и электрическое поле промышленной частоты, созданное линиями электропередачи высокого напряжения и иными объектами. Внутри зданий постоянное электрическое поле как естественного, так и искусственного происхождения определяется, в основном, наличием электризующихся природных и синтетических материалов, являющихся основой для покрытий полов, мебели, одежды, обуви и т.д. Напряженность электростатического поля в помещении может достигать десятков и сотен кВ/м. При разрядах статического электричества наблюдаются электромагнитные импульсы с очень высокой крутизной. Возникают сильные электрические поля вблизи некоторых приборов, не имеющих специальной защиты и использующих 112 высокое постоянное напряжение (телевизоры, мониторы, осциллографы и т.д.). Рисунок 13.1 - Характерные напряженности электрических и магнитных полей промышленной частоты Постоянное магнитное поле Земли создается токами внутри нее. Оно ориентировано относительно магнитных полюсов. Напряженность магнитного поля зависит от географических координат и составляет 55,7 А/м у магнитных полюсов и 33,4 А/м у магнитного экватора, где вектор напряженности параллелен поверхности Земли. В средних широтах напряженность составляет примерно 40 А/м. Значения напряженности постоянного магнитного поля Земли лежат в пределах заштрихованной зоны в правой части рисунка 13.1. На постоянное поле накладывается медленно изменяющееся геомагнитное поле, порожденное токами в магнитосфере и ионосфере, содержащее широкий спектр частот, в том числе и низкочастотную (до 100 Гц) составляющую напряженности до 0,1 А/м. Во время магнитных бурь, причиной которых являются процессы усиления солнечной активности, амплитуда низкочастотной составляющей многократно возрастает. Геомагнитные постоянные и низкочастотные поля, в отличие от электрических, не экранируются стенами зданий и другими объектами, за исключением изготовленных из ферромагнитных материалов. Внутри зданий, имеющих стальной каркас, напряженность геомагнитного поля снижается в несколько раз. Представление о типичных напряженностях электрического и магнитного полей на объектах электроэнергетики дают рисунок 13.1 и таблица 13.2. В таблице приведены граничные значения напряженностей, воспринимаемых человеком, вызывающих нарушение ритма сокращений сердечной мышцы; напряженность электрического поля, приводящая к пробою воздушных промежутков, а также некоторые нормированные 113 напряженности по данным ВОЗ, IRPA и DIN VDE индустриальные нормы Союза немецких электротехников). (немецкие Таблица 13.2 - Электромагнитная обстановка на объектах электроэнергетики Наименование объекта или параметра ОРУ 500, 750 кВ ВЛ 380 кВ ВЛ 330 кВ ВЛ-110 кВ Напряженность электрического поля, В/м Напряженность магнитного поля, А/м 103 - 5·104 103 - 104 103 - 5·103 102 - 3·103 10 - 100 1 - 40 10 - 100 0,1 - 20 Как видно из рисунка 13.1 и таблицы 13.2, сильные электрические поля промышленной частоты в основном создаются объектами электроэнергетики (линии электропередачи высокого напряжения, сборные шины подстанций, трансформаторы и аппараты высокого напряжения). В остальных случаях электрические поля имеют относительно невысокие напряженности. Некоторое представление о напряженности таких полей дает рисунок 13.1, где приведены усредненные данные, полученные в результате анализа многочисленных отечественных и зарубежных публикаций, а также непосредственных измерений под воздушными линиями электропередачи (ВЛ) и на открытых распределительных устройствах (ОРУ) 500 и 750 кВ. Напряженность вблизи ВЛ 220 кВ и выше может достигать границы индивидуальной восприимчивости поля, когда человек по косвенным признакам (шевеление волос, ощущение покалывания при микроразрядах между телом и одеждой и т.д.) может установить наличие поля. Напряженность электрических полей, создаваемых бытовыми электроприборами, проводами систем электропитания, по амплитуде меньше, чем естественная напряженность постоянного поля Земли на открытой местности. Таким образом, магнитная обстановка внутри помещений в основном определяется постоянным полем Земли, на которое накладываются переменные поля. Амплитуда этих полей может иметь такой же порядок величин, что и переменная составляющая естественного магнитного поля Земли. Напряженность магнитного поля промышленной частоты внутри помещений может быть достаточно высокой, если вблизи проходит ВЛ электропередачи, проложены сильноточные кабели или расположены мощные электротехнические устройства. Напряженность поля, созданного ВЛ электропередачи, даже при расстоянии нескольких сотен метров от линии может составлять десятые доли А/м. Кабельные линии создают несколько большие напряженности вблизи них, чем воздушные, однако напряженность уменьшается сильнее при удалении от кабеля, и зона заметного поля (напряженность порядка десятых 114 долей А/м) обычно не превышает нескольких десятков метров. Кабели и ВЛ среднего напряжения (6 - 10 кВ) из-за малого расстояния между фазами создают невысокие напряженности поля, и с их влиянием внутри помещений можно не считаться. Поле трансформаторов системы электроснабжения изменяется обратно пропорционально расстоянию, и оно может быть заметным на расстоянии менее 10 м. Сети электроснабжения низкого напряжения создают поле, зависящее от несимметрии нагрузки фаз. Его напряженность обратно пропорциональна расстоянию и может быть заметной на расстоянии до 20 м. В производственных условиях на рабочих местах напряженность магнитного поля промышленной частоты может быть гораздо большей, чем в жилых помещениях. В экстремальных случаях, например вблизи сварочного аппарата, электродуговой печи или непосредственно у проводов мощных ВЛ при выполнении работ под напряжением, персонал может подвергаться воздействию поля напряженностью 1 - 10 кА/м, что на два порядка и более превышает напряженность поля Земли. Ориентировочные значения напряженности магнитных полей промышленной частоты, создаваемых различными устройствами, показаны в правой части рисунка.13.1. Из этого рисунка видно, что напряженность полей, как правило, лежит много ниже порога восприимчивости (например, ощущение магнитного поля по появлению магнитосфенов в форме мерцаний на периферийных участках поля зрения). Новым фактором, не свойственным естественной обстановке, является появление высокочастотных электромагнитных полей, создаваемых устройствами связи, телекоммуникаций, радиолокационной техники, микроволновыми аппаратами и т.д. Эти поля частично или полностью экранируются проводящими стенами. Обычно напряженности этих полей, воздействующих на человека, малы по сравнению с рассмотренными. Однако, несмотря на это, влияние высокочастотных полей на человека, создаваемых, например, устройствами радиотелефонной связи, в настоящее время является предметом исследований и дискуссий. В жилых помещениях в зависимости от числа, мощности включенных приборов, схемы и исполнения электропроводки напряженность поля может меняться в широких пределах. При современном исполнении сети электропитания, отсутствии токовых петель, связанных с заземленными системами водопровода, отопления и т.д., она обычно не превышает десятых долей А/м . Электромагнитная обстановка в жилых помещениях в основном определяется естественным магнитным полем. Напряженность магнитного поля промышленной частоты при включении электроприборов, как правило, не превышает одного процента от напряженности постоянного поля Земли. Напряженность магнитного поля промышленной частоты имеет тот же порядок, что и переменная составляющая естественного магнитного поля Земли. Исключение составляет лишь использование сравнительно мощных 115 электроприборов, находящихся в непосредственной близости от организма (электроодеяло, утюг, фен, электроинструмент и т. д.). Сказанное означает, что организм человека практически не испытывает неестественного воздействия, и типичное искажение электромагнитной обстановки в быту не может рассматриваться как электросмог. Однако на рабочих местах и на объектах электроэнергетики напряженности электрического и магнитного полей могут достигать и даже в десятки раз превышать напряженности полей естественного происхождения. Поэтому рассмотрим возможное влияние таких полей на человека. 13.1.2 Механизмы воздействия электрических и магнитных полей на живые организмы В настоящее время научно установлены два механизма влияния электрических, магнитных и электромагнитных полей на человека за счет индуктированных в теле токов: - изменение разности потенциалов между наружными и внутренними поверхностями мембран клеток (возникновение так называемого потенциала действия); - нагрев тканей. Проявления этих механизмов при воздействии магнитного поля в зависимости от частоты показаны на рисунке 13.2. Обстоятельства, связанные с проявлением первого механизма, рассмотрены в разделе 13.1. Кроме отмеченных там эффектов существуют более слабые эффекты воздействия электрических и магнитных полей на организм, обусловленные изменением потенциала действия, которые имеют место при меньших, чем указанные в разделе 13.1 (на несколько порядков), напряженностях полей. Одним из таких эффектов является восприимчивость поля человеком не только по косвенным признакам (шевелению волос или ощущениям покалывания при частичных разрядах между кожей и одеждой), но и по подсознательному ощущению наличия поля, а также появлению магнитоили электрофосфенов (ощущению мерцаний на периферийных участках поля зрения) при наличии магнитного или электрического поля определенной напряженности. Восприимчивость полей исключительно индивидуальна. Примерно 5% людей чувствуют наличие электрического поля промышленной частоты, начиная с напряженности 7 кВ/м, а 60 % не ощущают поле напряженностью до 20 кВ/м. Усредненные границы восприимчивости электрических и магнитных полей промышленной частоты приведены на рисунке13.1, а граница ощущения наличия магнитного поля в зависимости от частоты дана на рисунке 13.2 (кривая 2). Объективно регистрируемые нарушения зрения, недомогание, головные боли наблюдаются при напряженностях около 105 А/м (рисунок 13.2, кривая 3). У некоторых людей магнитофосфены появляются при напряженностях, соответствующих кривой 1. 116 Как видно из рисунка 13.2, кривые 1 и 2 имеют минимум в области промышленных частот. Возрастание кривых с увеличением частоты объясняется инерционностью системы открытия каналов в стенках клеточных мембран, а с уменьшением частоты - снижением индуктированных токов. Значения напряженности магнитного и электрического полей, воспринимаемых человеком, лежат, как правило, выше встречающихся в быту и на производстве (рисунок 13.1). Если напряженность электрического поля частотой 50 Гц, воспринимаемая человеком, может встречаться на практике, например, под проводами линий электропередачи или на территории ОРУ сверхвысокого напряжения, то соответствующая напряженность магнитного поля может быть получена только в специальных условиях. Рисунок 13.2 - Эффекты воздействия магнитного поля разной частоты на человека: 1- появление мерцания на периферийных участках поля зрения; 2 - ощущение наличия поля; 3 - объективно регистрируемые нарушения зрения, недомогание, головные боли; 4 - нарушение работы сердца; 5 - нарушения работы нервной системы; 6 - джоулев нагрев тканей при мощности 4 Вт/кг Вторым, научно установленным механизмом воздействия полей на организм человека, является нагрев тканей при протекании в них емкостных или индуктированных токов. Считается безопасным для организма нагрев тканей на 1 ºС, чему соответствует удельная мощность 4 Вт, приходящаяся на 1 кг массы тела. При этой мощности система терморегулирования организма способна обеспечить отвод тепла в окружающее пространство без опасного повышения температуры внутренних органов человека. При частоте 50 Гц напряженность внешнего электрического поля, способная обеспечить тепловую удельную мощность 4 Вт/кг, составляет около 4 МВ/м, то есть превышает электрическую прочность воздуха. Напряженность магнитного поля, необходимая для выделения указанного тепла в организме, равна ~50 МА/м. Таким образом, напряженности электрического или магнитного полей промышленной частоты, способные повысить температуру на безопасное значение, равное примерно 1 ºС, на много порядков превышают пороговые значения восприимчивости полей человеком и встречающиеся на практике. Ситуация меняется при высоких частотах, так как индуктированные токи с увеличением частоты возрастают. Количественные данные о зависимости напряженности магнитного поля от частоты, при 117 которой удельная мощность тепла, выделенного внутри организма человека, составляет 4 Вт/кг, приведены на рисунке 13.2 (кривая б). 13.2 Нормирование безопасных для человека напряженностей электрических и магнитных полей 13.2.1. Нормативная база за рубежом и в РФ Во многих странах, включая Россию, идет процесс совершенствования нормирования безопасных для здоровья людей напряженностей электрического и магнитного полей, а также потока мощности высокочастотных полей. Обоснование норм в последние годы становится все более актуальным. При этом все отчетливее проявляются две тенденции: стремление установить более жесткие нормы, закладывая в них большие коэффициенты запаса и возможности проявления пока научно не установленных механизмов влияния на здоровье, например слабых, но длительно действующих полей промышленной частоты, и стремление оценить реальную опасность полей для здоровья человека и на этой базе пересмотреть существующие и обосновать новые нормы по допустимым напряженностям полей и ограничениям пребывания человека в них. Проявление этих тенденций тесно связано с экономическими аспектами, так как соблюдение санитарных и строительных норм по допустимым напряженностям полей, обеспечение нормированных зон отчуждения для линий электропередачи высокого напряжения и т.д. сопряжено с большими затратами или экономическими потерями. Следует заметить, что процесс пересмотра норм по воздействию электрических, магнитных и электромагнитных полей на человека в настоящее время является чрезвычайно динамичным. Нормативные документы за рубежом часто пересматриваются и изменяются, становится иным их правовой статус. В настоящее время в основу нормирования допустимых напряженностей магнитных и электрических полей положены научно установленные механизмы влияния на организм человека: изменение разности потенциалов на мембранах клеток при частотах ниже 10 кГц и нагрев тканей при более высоких частотах. Соответственно базовыми величинами являются безопасные плотность тока в тканях организма в диапазоне частот 4 - 1000 Гц 10 мА/м2, а при частотах выше 10 кГц удельная энергия 4 Вт/кг. При частоте 50 Гц указанной плотности тока соответствуют напряженности внешних полей 20 кВ/м и 4 кА/м. При нормировании допустимой напряженности полей и времени их воздействия на рабочих местах и для населения в настоящее время вводят коэффициенты запаса. Так, при тепловом воздействии высокочастотных 118 полей нормы устанавливаются по удельной энергии, в 10 раз меньшей безопасной, т. е. по энергии 0,4 Вт/кг. При низких частотах также устанавливаются коэффициенты запаса от 2,5 до 10 и выше. В нашей стране гигиенические нормы внутри зданий составляют 0,5 кВ/м, напряженность электрического поля на границе отчуждения линий электропередачи не должна превышать 1 кВ/м. Близки к этим значениям и нормы других стран. В США, например, нормированы напряженности электрического поля на границе зоны отчуждения в пределах от 1 кВ/м до 3 кВ/м для различных штатов. В некоторых странах, например в Австралии, в исключительных случаях для линии 500 кВ допускается напряженность на границе зоны отчуждения 5 кВ/м. Аналогичная ситуация и с нормированием допустимой напряженности магнитного поля промышленной частоты на рабочих местах и для населения. Рекомендации и нормы различных международных организаций и стран, как правило, не согласованы между собой, а приводимые в них значения напряженностей могут отличаться в несколько раз. В некоторых странах, в том числе и в России, нормы для населения по допустимым напряженностям магнитного поля промышленной частоты отсутствуют. В настоящее время наиболее обоснованными и полными представляются временные нормы ENV50166, предложенные Техническим комитетом CENELEC и действующие с 1995 г. Срок действия этих норм определен в три года, по прошествии которых они должны стать основными нормами EN-50166 или должны быть отозваны. Остановимся кратко на содержании норм ENV50166. За базисное значение напряженности электрического поля при длительном воздействии приняты: постоянное поле — 42 кВ/м, переменное с частотой (0,1 - 4) Гц 30 кВ/м (критерий воздействия поля на человека — ощущение поля по косвенным признакам). В диапазоне частот 4—1000 Гц базисным значением считается плотность тока в 10 мА/м2, которому соответствуют уже приводимые значения напряженности 20 кВ/м и 4 кА/м. С учетом специфики механизмов изменения разности потенциалов на мембранах клеток при более низких частотах берется базовая плотность тока, обратно пропорциональная, а при более высоких — прямо пропорциональная частоте. Базисным значением напряженности постоянного магнитного поля принято значение 1,6 МА/м. Впервые нормирован ток, протекающий через человека при контакте с объектами, находящимися в электрическом поле промышленной частоты: 3,5 мА на рабочих местах и 1,5 мА для населения. Нормы по напряженности полей промышленной частоты на рабочих местах подразделяются на три категории. Первая категория - 6,1 кВ/м и 159 А/м - обязательна информация персонала о поле; вторая - 12,3 кВ/м, 320 А/м и выше - обязательны мероприятия по ограничению пребывания в поле; третья - 19,6 кВ/м и 480 А/м - обязательно, помимо ограничения пребывания в поле, предупреждение: «опасная работа». Для населения базисные значения берутся в 2,5 раза меньшими, чем на рабочих местах. 119 Следует отметить, что в области низких частот нормы ENV50166 дают более высокие напряженности полей на рабочих местах, чем прежние нормы IRPA. Вероятно, тенденция ослабления ограничений по напряженностям при нормировании может сохраниться и в дальнейшем, если будет доказано, что опасность вредного влияния полей на человека преувеличена. Следует остановиться на последних отечественных санитарноэпидемиологических правилах и нормативах СанПиН 2.2.4.119103. В них установлены предельно допустимые уровни электромагнитных полей на рабочих местах, нормированы допустимые напряженности, потоки мощности, экспозиции высокочастотных электромагнитных полей. Впервые установлены временные (сроком на 3 года) допустимые уровни ослабления геомагнитного поля в два раза в течение смены. Предельно допустимые уровни постоянного магнитного поля составляют: при времени воздействия за рабочий день до 10 мин — 24 кА/м; при времени 11- 60 мин - 16 кА/м; при времени воздействия 61- 480 мин 8 кА/м. Уровень допустимого локально воздействующего поля повышается примерно в 1,5 раза. Напряженность электрического поля частотой 50 Гц в течение всей смены может составлять 5 кВ/м. При сокращении времени воздействия допустимая напряженность увеличивается (до 20 кВ/м). При напряженности 20 - 25 кВ/м допустимое время пребывания человека в поле составляет 10 мин, а при напряженности выше 25 кВ/м пребывание человека без применения средств защиты не допускается. Предельно допустимые уровни напряженностей магнитного поля промышленной частоты, действующего на все тело человека, следующие: при времени пребывания до 1 часа за смену - 1600 А/м; до 2 час - 800 А/м; до 4 час - 400 А/м; до 8 час - 80 А/м. При локальном воздействии (на конечности) предельно допустимые напряженности увеличиваются в 4-10 раз в зависимости от времени пребывания в поле. Импульсные поля частоты 50 Гц могут иметь напряженность в зависимости от режима генерации и времени воздействия, от 6000 А/м до 1400 А/м, то есть в несколько раз большую, чем при непрерывном воздействии. 13.2.2. Нормирование условий работы персонала и проживания людей в зоне влияния ПС и ВЛ СВН Исследования показали, что для персонала подстанций и линий СВН, длительно и регулярно находящегося под воздействием электрического поля, допустимые напряженности поля и длительности их воздействия не должны превышать значений, приведенных в таблице 13.3. 120 При выполнении этих условий обеспечивается самовосстановление физиологического состояния организма в течение суток без остаточных реакций и функциональных или патологических изменений. Нормативные данные таблицы 13.3 действительны, если остальное время рабочего дня человек находится в местах, где напряженность электрического поля меньше 5 кВ/м и исключена возможность воздействия на него электрических разрядов. При этом напряженность определяется на уровне головы человека (1,8 м над уровнем земли). Следует отметить, что данные таблицы 13.3 получены для периодического и длительного пребывания человека в электрическом поле, когда у него через 1 - 2 месяца выработался динамический стереотип восприятия поля. Единовременно допускаются и большие кратковременные воздействия электрического поля. При проектировании подстанций СВН определяются маршруты обхода, виды оперативных переключений при производстве ремонтов и других работ; на моделях или по программе на ЭВМ рассчитывается напряженность электрического поля в этих местах и возможная длительность работ, что сравнивается с данными таблицы 13.3. Таблица 13.3 - Допустимая продолжительность работы персонала в электрическом поле промышленной частоты Напряженность электрического поля кВ/м 5 10 15 20-25 Допустимая продолжительность пребывания персонала в течение суток, мин. Без ограничения (в течение рабочего дня) 180 80 10 При невыполнении условий таблицы 13.3 применяются меры по экранированию рабочих мест, тросовые экраны над дорогами, экранирующие козырьки и навесы над шкафами управления, вертикальные экраны между фазами и др. Для ОРУ подстанции СВН наряду с расчетами, после ее пуска в эксплуатацию проводят измерения напряженности поля в различных точках, после чего при необходимости экранная защита усиливается. При ремонтных работах применяют съемные экраны. Предъявляются определенные требования к компоновке ОРУ, например не допускается расположение ошиновки над выключателями, чтобы обеспечить возможность их безопасного ремонта и др. Для линий СВН, вблизи которых возможно нахождение персонала посторонних организаций и местного населения, на основании специально проведенных исследований установлены следующие нормативы по 121 допустимой напряженности под линией без определения допустимой длительности пребывания: 20 кВ/м - для труднодоступной местности (болота, горные склоны и т. п.); 15 кВ/м - для ненаселенной местности; 10 кВ/м - для пересечений с дорогами; 5 кВ/м - для населенной местности. Кроме того, нормируется допустимая напряженность на границах жилых застроек - 0,5 кВ/м, что допускает пребывание человека в электрическом поле неограниченное время в течение всей жизни. Если, согласно расчетам, при расстоянии проводов до земли, определяемом перенапряжениями, напряженности под линиями 330 кВ не превышают 8,5 кВ/м, а под линиями 500 кВ - 14 кВ/м и не возникают затруднения при их сооружении в ненаселенной местности, то для линий более высокого класса напряжений расстояние до земли в той же местности определяется допустимой напряженностью - 5 кВ/м. Напряженность поля имеет наибольшее значение под линией и по мере удаления от нее быстро уменьшается. Соответственно зона наибольшего влияния поля из-за провисания проводов находится в середине пролета, а наименьшего - у опор, где высота подвеса проводов наибольшая и, кроме того, сказывается экранирующее действие самих опор. Поэтому дороги, трассы прогона скота, пешеходные дорожки, линии связи и линии более низкого напряжения рекомендуется размещать вблизи опор. В охранной зоне линии (ее границы параллельны линии и внутри нее напряженность поля превышает 1 кВ/м, для линий 500 кВ - это 25 м, а 750 кВ - 40 м от крайних фаз) не разрешается размещение постоянных и временных жилых и производственных сооружений, регламентируется режим работы ремонтного персонала. Если при пересечении линией дороги необходимо снизить напряженность, линия экранируется тросовыми экранами, выполненными из одного или двух тросов под каждой фазой, натянутых на железобетонных стойках и заземленных по концам. Тросовые экраны могут применяться и для снижения напряженности электрического поля на границах жилых застроек (у стен жилых зданий). Напряженности поля под линией при принимаемых обычно расстояниях проводов до земли для всех линий СВН значительно превышают допустимое для населенной местности значение - 5 кВ/м. Ввиду того, что этот норматив распространяется только на вновь строящиеся линии, в перспективе станет затруднительным вывод таких линий от крупных ТЭС и АЭС, которые расположены в городах или поселках, так как при этом расстояния от проводов линии до земли должны быть не менее 12 м для ЛЭП 330 кВ; 16,5 м для ЛЭП 500 кВ; 22 м для ЛЭП 750 кВ. Учитывая наличие на шинах станций и выводах линий более низких напряжений, в ряде случаев может оказаться экономичным осуществление таких выводов в виде комбинированных линий, у которых под цепью более высокого напряжения расположена цепь более низкого напряжения со сдвигом систем напряжений цепей на 120° за счет изменения фазировки нижней цепи (например, 330/110, 122 500/220, 750/330). Возможно также использование линий с сильным сближением фаз, экранировка линий и др. В густонаселенной местности такие решения могут быть приняты и для всей линии электропередачи СВН, так как они не только снижают напряженность поля, но и повышают пропускную способность. Вторичным фактором, оказывающим существенное влияние на условия работы в охранной зоне, является ток, стекающий с проводящего, но изолированного объекта при прикосновении к нему. Величина этого тока должна быть безопасна для местного населения, причем необходимо учитывать возможность соприкосновения с этими объектами не только мужчин, но также женщин и детей. В этих случаях используются американские данные, согласно которым безопасным для мужчин является ток 9 мА, для женщин - 6,5 мА, для детей - 4,5 мА (как уже отмечалось, ENV50166 устанавливает более жесткие нормы - 3,5 мА на рабочих местах и 1,5 мА для населения). Стекающий ток при прикосновении человека определяется напряжением линии, емкостью объекта относительно линии, определяемой объемными параметрами объекта и активным сопротивлением человека. Этот ток эмпирически можно выразить как I пр  K фVE где K ф - коэффициент формы объекта; V - объем объекта; Е - напряженность поля на уровне 1,8 м над землей Таким образом, стекающий ток пропорционален напряженности поля и объему объекта. Например, при напряженности поля 15 кВ/м комбайн СК-4 с прицепом дает стекающий ток 6—6,5 мА, крупные автобусы – 5 - 6 мА и т. д., т. е. этот ток может быть опасен для женщин и детей. Вышесказанное регламентирует условия труда и нахождения местного населения в охранной зоне линии 750 кв и выше, в частности, все сельскохозяйственные машины и механизмы должны быть оборудованы двумя заземляющими цепями с утяжеленными грузами на концах для обеспечения постоянного контакта с землей и сбрасываемыми заглубляемыми заземлителями. Следует отметить, что эффективным средством ограничения напряженности поля под воздушными линиями электропередачи являются растительные массивы. Выполненные измерения показали, что в зоне сплошных растительных массивов высотой 3-4 м напряженность поля под линиями не отличается от напряженности поля земли ясного дня. В зоне фруктовых садов (яблони, вишни) с расстояниями между деревьями 6-8 м напряженность поля под ВЛ в междурядьях снижается в 2-3 раза по сравнению со случаем прохождения линии в полевых условиях. В кронах деревьев напряженность поля не отличается от напряженности поля земли ясного дня. 123 13.3 Экологическое влияние коронного разряда Коронный разряд на линиях электропередачи создает помехи радио- и телевизионному приему, а также акустический шум. Основная причина радиопомех и шума - стримерная корона на проводах. Поскольку наиболее благоприятные условия для возникновения стримерной короны складываются при атмосферных осадках, когда значительно снижается начальная напряженность поля, наиболее сильные радиопомехи и акустический шум возникают при коронировании линий сверхвысокого напряжения во время дождя и снега. В хорошую погоду помехи возрастают по мере загрязнения проводов. 13.3.1 Радиопомехи Спектр частот излучения, создающего радиопомехи, охватывает диапазон от 10 кГц до 1 ГГц. Помехи на частотах выше 30 МГц оказывают мешающее влияние на телеприем и возникают только при коронировании линий 750 кВ. Источниками помех в этом случае помимо короны на проводах служат частичные разряды в зазорах и трещинах изоляторов и корона на заостренных элементах арматуры. В хорошую погоду корона на проводах практически не создает помех телевизионному приему Интенсивность радиопомех характеризуется вертикальной составляющей напряженности электрического поля вблизи поверхности земли (Е2). Уровень радиопомех, дБ, определяется величиной E Y  10 lg 2  E1 2  E   20 lg 2 , E1  где Е1 — базовая напряженность электрического поля, мкВ/м Обычно за базовое значение принимают Е1 = 1 мкВ/м, тогда Y  20 lg E В качестве расчетной частоты по рекомендации Международного комитета по радиопомехам принимается 0,5 МГц. Уровень полезного сигнала при этой частоте составляет примерно 60 дБ. Радиоприем считается удовлетворительным, если полезный сигнал превышает помехи на 20 дБ. Поэтому допустимый уровень радиопомех в хорошую погоду составляет 40 дБ, что дает Е=100 мкВ/м. Это значение напряженности электрического поля радиопомех принято в качестве допустимого на расстоянии 100 м от проекции на землю крайнего провода линии электропередачи напряжением 330 кВ и выше. 124 По мере удаления от линии уровень помех снижается. Между уровнями радиопомех Y1 и Y2 на расстояниях соответственно l1 и l 2 существует зависимость l Y2  Y1  20k lg 1 , l2 где k — коэффициент затухания, равный 1,6 в диапазоне частот 0,15-1 МГц Зависимость между уровнем радиопомех и напряженностью электрического поля на поверхности проводов линейна и выражается эмпирической формулой Y2  Y1  k l l ( E пр 2  Е пр1 ) , где Y1 и Y2 - уровни радиопомех, дБ, при напряженностях на проводах E пр1 и E пр 2 кВ/см, k l - коэффициент, равный 1,8 при напряженностях поля на проводах 20-30 кВ/см Увеличение радиуса проводов при неизменной напряженности поля на них приводит к росту уровня радиопомех, поскольку спад напряженности поля у провода в радиальном направлении при этом замедляется и создаются условия для развития более интенсивной стримерной короны. Связь между уровнями радиопомех и радиусами проводов устанавливается эмпирической формулой r Y2  Y1  20 lg 2  r1 где r2 и r1 - радиусы проводов. 2   ,  Радиопомехи практически не зависят от числа составляющих проводов расщепленной фазы, поскольку происходит взаимное электромагнитное экранирование проводов фазы. Если известны уровень радиопомех Y1 на нормированном расстоянии от линии и параметры Е1 и r1 тщательно исследованной базовой линии электропередачи, то уровень радиопомех при хорошей погоде Y2 создаваемый другой линией, например проектируемой с параметрами Е2 и r2, может быть определен по обобщенной формуле r Y2  Y1  1,8( E 2  E1 )  40 lg 2 . r1 13.3.2. Акустический шум Акустический шум возникает главным образом в плохую погоду, когда усиливается интенсивность коронирования проводов. Звуковой эффект при этом имеет две составляющие: 1) шипение, соответствующее частоте 100 Гц 125 и кратным ей частотам; 2) широкополосный шум. Первая составляющая обусловлена движением объемного заряда у проводов, что дважды за период создает волны звукового давления. Вторая генерируется стримерной короной. Уровни громкости шумов в дБ (А) измеряются с применением корректирующих фильтров типа А, которые позволяют учесть физиологические особенности органов слуха человека (псофометрическую характеристику). Особенно интенсивный шум от короны возникает при сильном дожде, однако такой дождь сам создает шум, превышающий по громкости возможные акустические помехи от линии электропередачи. Поэтому более существенны помехи при моросящем дожде, в туман, при мокрых проводах после сильного дождя. Уровень громкости в этих случаях на 5 - 6 дБ (А) ниже, чем в сильный дождь, но значительно превышает общий звуковой фон. Оценка акустического шума делается по условиям «влажных» проводов. Для оценки громкости при дожде может быть использована эмпирическая формула A  16  1,14 E max  9r  15 lg n  10 lg l , где А - уровень громкости, дБ (А); r - радиус провода, см; Етах - максимальная напряженность поля на поверхности проводов, кВ/см; n - число проводов в расщепленной фазе; l - расстояние от крайней фазы, м. В соответствии с действующими в РФ нормами для чистых районов допустимые напряженности на поверхности проводов ВЛ определяются акустическими помехами при диаметре проводов d > 3,26 см. В районах с промышленным загрязнением допустимые напряженности определяются радиопомехами при d = 2,7 ÷ 3,3 см и акустическим шумом при d > 3,3 см. 126 14 Закон РФ об электромагнитной совместимости 14.1 Общие сведения о Федеральном законе Федеральный закон «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств» принят Государственной Думой 1 декабря 1999 года. Федеральный закон направлен на создание условий для обеспечения электромагнитной совместимости технических средств в целях предотвращения причинения вреда личности или имуществу физических лиц, предотвращения причинения вреда имуществу юридических лиц, окружающей природной среде в результате нарушения функционирования технических средств при воздействии электромагнитных помех, обеспечения безопасности жизни и здоровья населения в условиях электромагнитных воздействий, повышения конкурентоспособности отечественной продукции, а также укрепления национальной безопасности государства. Федеральный закон устанавливает правовые и организационные основы деятельности органов государственной власти в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств в Российской Федерации, определяет в этой области основные направления и систему мер государственного регулирования, права и обязанности физических лиц, в том числе индивидуальных предпринимателей, и юридических лиц, разрабатывающих, изготовляющих, реализующих (поставляющих, продающих), использующих (эксплуатирующих) и ввозящих на территорию Российской Федерации технические средства, а также производящих, передающих, распределяющих и потребляющих электрическую энергию. В Федеральном законе используются следующие понятия: электромагнитная совместимость технических средств – способность технических средств функционировать с заданным качеством в определенной электромагнитной обстановке, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам и недопустимых электромагнитных воздействий на биологические объекты; электромагнитная помеха – электромагнитное явление или процесс естественного или искусственного происхождения, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства. Электромагнитная помеха может излучаться в пространство или распространяться в проводящей среде; электромагнитное воздействие – электромагнитное явление или процесс, которые влияют или могут повлиять на биологические объекты. К электромагнитным воздействиям относятся создаваемые техническими средствами в окружающем пространстве электромагнитные, электрические и магнитные поля; 127 биологические объекты – люди (персонал, обслуживающий технические средства, и население), животные и растения; электромагнитная обстановка – совокупность электромагнитных явлений и (или) процессов в данной области пространства или данной проводящей среде в частотном и временном диапазонах; электромагнитная безопасность биологических объектов – состояние защищенности биологических объектов от неблагоприятных электромагнитных воздействий; устойчивость технических средств к электромагнитным помехам (помехоустойчивость технических средств) – способность технических средств сохранять заданное качество функционирования при воздействии на них регламентированных стандартами электромагнитных помех; сертификат электромагнитной совместимости - документ, выданный в соответствии с правилами сертификации для подтверждения соответствия сертифицированного технического средства установленным стандартами требованиям по электромагнитной совместимости; сертификация системы качества энергоснабжающей организации – действие организации, независимой от энергоснабжающей организации и потребителей электрической энергии, удостоверяющее, что должным образом идентифицированная система качества энергоснабжающей организации обеспечивает стабильность качества подаваемой потребителям электрической энергии в соответствии с установленными стандартами требованиями. 14.2 Основные направления государственного регулирования в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств Основными направлениями государственного регулирования в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств являются: разработка и внедрение стандартов, устанавливающих требования по электромагнитной совместимости технических средств и требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения; создание испытательной базы для осуществления проверки и подтверждения соответствия технических средств требованиям по электромагнитной совместимости; проведение обязательной сертификации технических средств на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости, а также обязательной сертификации электрической энергии по показателям качества и сертификации систем качества энергоснабжающих организаций; осуществление государственного контроля и надзора за соблюдением требований по электромагнитной совместимости технических средств и 128 требований к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения; проведение государственного мониторинга электромагнитной обстановки. 14.3 Общие требования в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств Электромагнитные помехи, создаваемые техническими средствами, не должны нарушать нормальное функционирование других технических средств при условии, что уровни их помехоустойчивости соответствуют установленным требованиям. Электромагнитные воздействия, создаваемые техническими средствами, не должны нарушать электромагнитную безопасность биологических объектов. Уровень помехоустойчивости технических средств должен обеспечивать их нормальное функционирование в окружающей электромагнитной обстановке при условии, что уровень электромагнитных помех, создаваемых другими техническими средствами в указанной обстановке, соответствует установленным требованиям. Качество электрической энергии в электрических сетях общего назначения должно обеспечивать нормальное функционирование подключенных к ним технических средств. 14.4 Обязательная сертификация технических средств на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости Для подтверждения соответствия технических средств, включая технические средства двойного применения, установленным стандартами требованиям по электромагнитной совместимости осуществляется обязательная сертификация технических средств. Перечень технических средств, подлежащих обязательной сертификации на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости, утверждается Правительством Российской Федерации. Для подтверждения соответствия установленным стандартами требованиям качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения, предназначенных для подачи электрической энергии потребителям, осуществляется обязательная сертификация электрической энергии по показателям качества или сертификация системы качества энергоснабжающей организации. Наличие сертификата соответствия у энергоснабжающей организации при подаче потребителям электрической энергии в электрических сетях общего назначения на территории Российской Федерации подтверждает, что качество подаваемой электрической энергии соответствует требованиям, установленным государственными стандартами Российской Федерации. 129 Реализация (поставки, продажа) и эксплуатация индивидуальными предпринимателями и юридическими лицами технических средств, подлежащих обязательной сертификации на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости, без сертификата электромагнитной совместимости, выданного уполномоченным на то органом по сертификации, запрещаются. 14.5 Обучение и переподготовка кадров Образовательные учреждения среднего профессионального, высшего профессионального и послевузовского профессионального образования, учреждения по переподготовке кадров в программах по обучению специалистов в области электроники, радиоэлектроники и электротехники должны предусматривать изучение основ обеспечения электромагнитной совместимости технических средств. 14.6 Обязанности физических и юридических лиц, использующих технические средства и потребляющих электрическую энергию Физические лица, использующие технические средства и потребляющие электрическую энергию, обязаны: соблюдать установленные инструкциями по эксплуатации технических средств нормы и правила, позволяющие обеспечить электромагнитную совместимость технических средств и электромагнитную безопасность биологических объектов; не допускать умышленное создание электромагнитных помех и неблагоприятных электромагнитных воздействий при использовании технических средств; соблюдать установленные требования по ограничению отрицательного влияния используемых ими технических средств, подключенных к электрическим сетям общего назначения, на качество электрической энергии в электрических сетях общего назначения. Физические лица, в том числе индивидуальные предприниматели, и юридические лица обязаны создать необходимые условия для осуществления государственного контроля и надзора за соблюдением установленных стандартами требований по электромагнитной совместимости технических средств и к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения. 130 15 Качество электроэнергии 15.1 Область применения ГОСТ 13109-97 Основным документом, регламентирующим нормы качества электроэнергии, является ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Стандарт устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приемники электрической энергии (точки общего присоединения). Нормы КЭ являются уровнями электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соблюдении указанных норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электрической энергии (приемников электрической энергии). Нормы, установленные ГОСТ 13109-97, подлежат включению в технические условия на присоединение потребителей электрической энергии и в договоры на пользование электрической энергией между электроснабжающими организациями и потребителями электрической энергии. При этом для обеспечения норм стандарта в точках общего присоединения допускается устанавливать в технических условиях на присоединение потребителей, являющихся виновниками ухудшения КЭ, и в договора на пользование электрической энергией с такими потребителями более жесткие нормы (с меньшими диапазонами изменения соответствующих показателей КЭ), чем установлены в настоящем стандарте. По согласованию между энергоснабжающей организацией и потребителями допускается устанавливать в указанных технических условиях и договорах требования к показателям КЭ, для которых в настоящем стандарте нормы не установлены. 131 15.2 Показатели качества электрической энергии Показателями КЭ являются: - установившееся отклонение напряжения Uy; - размах изменения напряжения Ut; - доза фликера Pt; - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения KU; - коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения KU(n); коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U; коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U; - отклонение частоты f; - длительность провала напряжения tп; - импульсное напряжение Uимп; - коэффициент временного перенапряжения Kпер U. 15.3 Нормы качества электроэнергии Установлены два вида норм КЭ: нормально допустимые и предельно допустимые. Оценка соответствия показателей КЭ указанным нормам проводится в течение расчетного периода, равного 24 ч. 15.3.1 Отклонение напряжения Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения, для которого установлены следующие нормы: - нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения Uy на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10 % от номинального напряжения электрической сети. - нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ и более должны быть установлены в договорах на пользование электрической энергией между энергоснабжающей организацией и потребителем с учетом необходимости выполнения норм настоящего стандарта на выводах приемников электрической энергии. Определение указанных нормально допустимых и предельно допустимых значений проводят в соответствии с нормативными документами, утвержденными в установленном порядке. 132 15.3.2 Колебания напряжения Колебания напряжения характеризуются следующими показателями: - размахом изменения напряжения; - дозой фликера. Предельно допустимые значения размаха изменения напряжения Ut в точках общего присоединения к электрическим сетям при колебаниях напряжения, огибающая которых имеет форму меандра, в зависимости от частоты повторения изменений напряжения F Ut или интервала между изменениями напряжения ti, i+1 равны значениям, определяемым по кривой 1 рисунка 15.1, а для потребителей электрической энергии, располагающих лампами накаливания, в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, - равны значениям, определяемым по кривой 2 рисунка 15.1. Перечень помещений с разрядами работ, требующих значительного зрительного напряжения, устанавливают в нормативных документах, утверждаемых в установленном порядке. Рисунок 15.1 - Предельно допускаемые размахи изменений напряжения в зависимости от частоты повторения изменений напряжения за минуту для колебаний напряжения, имеющих форму меандра Предельно допустимое значение суммы установившегося отклонения напряжения Uy и размаха изменений напряжения Ut в точках присоединения к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ равно ±10 % от номинального напряжения. Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера РSt при колебаниях напряжения с формой, отличающейся от меандра, равно 1,38, а для длительной дозы фликера РLt при тех же колебаниях напряжения равно 1,0. Кратковременную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 10 мин. Длительную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения, равном 2 ч. 133 Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера РSt в точках общего присоединения потребителей электрической энергии, располагающих лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, при колебаниях напряжения с формой, отличающейся от меандра, равно 1,0, а для длительной дозы фликера РLt в этих же точках равно 0,74. 15.3.3 Несинусоидальность напряжения Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями: - коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения; - коэффициентом i-ой гармонической составляющей напряжения. Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в таблице 15.1. Нормально допустимые значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением Uном приведены в таблице 15.2. Таблица 15.1 - Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, в процентах Нормально допустимое значение при Uном, кВ 0,38 6 - 20 35 110 - 330 8,0 5,0 4,0 2,0 Предельно допустимое значение при Uном, кВ 0,38 6 - 20 35 110 - 330 12,0 8,0 6,0 3,0 n-ой Таблица 15.2 - Значения коэффициента составляющей напряжения, в процентах Нечетные гармоники, не кратные 3, Нечетные гармоники, кратные 3**, при Uном, кВ при Uном, кВ 110 110 n* 0,38 6 - 20 35 n* 0,38 6 - 20 35 330 330 5 6,0 4,0 3,0 1,5 3 5,0 3,0 3,0 1,5 7 5,0 3,0 2,5 1,0 9 1,5 1,0 1,0 0,4 11 3,5 2,0 2,0 1,0 15 0,3 0,3 0,3 0,2 13 3,0 2,0 1,5 0,7 21 0,2 0,2 0,2 0,2 17 2,0 1,5 1,0 0,5 > 21 0,2 0,2 0,2 0,2 19 1,5 1,0 1,0 0,4 23 1,5 1,0 1,0 0,4 25 1,5 1,0 1,0 0,4 > 25 0,2 + 0,2 + 0,2 + 0,2 + + 1,3 0,8  0,6  0,2   25/n 25/n 25/n 25/n гармонической Четные гармоники при Uном, кВ n* 0,38 6 - 20 35 2 4 6 8 10 12 > 12 2,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,2 0,2 1,5 0,7 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 1,0 0,5 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 110 330 0,5 0,3 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 *n - номер гармонической составляющей напряжения. ** Нормально допустимые значения, приведенные для n, равных 3 и 9, относятся к однофазным электрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения принимают вдвое меньшими приведенных в таблице 134 Предельно допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле: KU(n)пред = 1,5 KU(n)норм, (15.1) где KU(n)норм - нормально допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, определяемое по таблице 15.2. 15.3.4 Несимметрия напряжений Несимметрия напряжении характеризуется следующими показателями: коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности; коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности. Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 % соответственно. Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точках общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ равны 2,0 и 4,0 % соответственно. 15.3.5 Отклонение частоты Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены следующие нормы: - нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно. 15.3.6 Провал напряжения Провал напряжения характеризуется показателем длительности провала напряжения, для которого установлена следующая норма: - предельно допустимое значение длительности провала напряжения в электрических сетях напряжением до 20 кВ включительно равно 30 с. Длительность автоматически устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к электрическим сетям определяется выдержками времени релейной защиты и автоматики. 15.3.7 Импульс напряжения Импульс напряжения характеризуется показателем импульсного напряжения для грозовых и коммутационных импульсов, возникающих в электрических сетях энергоснабжающей организации. 15.3.8 Временное перенапряжение. Временное перенапряжение характеризуется показателем коэффициента временного перенапряжения. 135 15.4 Требования к погрешности измерений показателей качества электроэнергии Значения погрешности измерений показателей КЭ должны находиться в интервале, ограниченном предельно допускаемыми значениями, указанными в таблице 15.3. Таблица 15.3 - Погрешность измерений показателей качества электроэнергии Пределы допустимых погрешностей измерений Показатель КЭ, единица показателя КЭ измерения нормально предельно относительной, абсолютной допустимые допустимые % Установившееся отклонение 5 10 0,5 (5.2.1) (5.2.1) напряжения  Uy, % Размах изменения напряжения Кривые 1, 2 8 на рисунке  Ut, % 15.1 Доза фликера, отн. ед. кратковременная PSt 1,38; 1,0 5 длительная PLt 1,0; 0,74 5 Коэффициент искажения По таблице По таблице 10 синусоидальности напряжения 15.1 15.1 KU, % Коэффициент n-ой По таблице По таблице 0,05 при 5 при гармонической составляющей 15.2 15.2 KU(n) < 1,0 KU(n)  1,0 напряжения KU(n), % Коэффициент несимметрии 2 4 0,3 напряжений по обратной последовательности K2U, % Коэффициент несимметрии 2 4 0,5 напряжений по нулевой последовательности K0U, % Отклонение частоты f, Гц 0,2 0,4 0,03 Нормы КЭ (пункты стандарта) Длительность провала напряжения tп, с Импульсное напряжение Uимп, кВ Коэффициент временного перенапряжения Кпер U, отн. ед. - 30 0,01 - - - - 10 - - - 10 15.5 Требования к интервалам усреднения результатов измерений показателей качества электроэнергии Интервалы усреднения установлены в таблице 15.4. результатов измерений показателей КЭ 136 Таблица 15.4 - Интервалы усреднения результатов измерений показателей качества электроэнергии Показатель КЭ Интервал усреднения, с Установившееся отклонение напряжения 60 Размах изменения напряжения Доза фликера Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения 3 Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения 3 Коэффициент несимметрии напряжений по обратной 3 последовательности Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой 3 последовательности Отклонение частоты 20 Длительность провала напряжения Импульсное напряжение Коэффициент временного перенапряжения - Список литературы 1. Харлов Н.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 207 с. 2. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники: учеб. пособие.- 5-е изд., стер. М.: Высш. шк., 2004. 752 с. 3. ГОСТ Р 54149-2010. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 2013-01-01. М.: Изд-во стандартов, 2012.- 31 с. 4. ГОСТ Р 51317.6.2-2007 (МЭК 61000-6-2:2005). Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в промышленных зонах. Требования и методы испытаний.— Взамен ГОСТ 51317.6.2-99; введ. 2008-07-01 .— М. : Стандартинформ, 2008. 9 с. (Совместимость технических средств электромагнитная). 5. ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001). Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанциях. Требования и методы испытаний.— Введ.2007-07-01.— М.: Стандартинформ, 2007. 25 с. (Совместимость технических средств электромагнитная). 6. СО 34.35.311-2004. Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях. Стандарт организации.— Введ. 2004-02-13.— М.: Изд-во МЭИ, 2004. 76 с. 7. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К., Кужекин И.П., Жуков А.В. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехеике./ Под ред. А.Ф. Дьякова.-М.: Энергоатомиздат, 2003.768 с.