2014-02-02
5816
Определение электромагнитных помех, их классификация
Основные понятия и определения
ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Тема 7. Электромагнитная совместимость электроприемников и питающих сетей
Тема 6. Помехозащитные устройства
Тема 5. Методы расчета электромагнитных помех
Тема 4. Методы нормирования ЭМП и ЭМС
Тема 3. Влияние ЭМП на электроприемники, системы управления, защиты и ЭВМ
Таблица 2.1
Тема 2. Источники электромагнитных помех
Тема 1. Основные понятия и определения
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
Тематический план дисциплины "Электромагнитная совместимость в электроэнергетике" представлен в табл. 2.1.
Основные определения ЭМП. Основные понятия ЭМС.
Основные понятия и определения. Классификация источников ЭМП. Помехи, генерируемые электротермическими, электросварочными и электрохимическими установками. Помехи, создаваемые электроприемниками с электродвигателями, преобразователями тока и частоты. Помехи, создаваемые линиями электропередач, трансформаторами и автотрансформаторами.
| № п/п | Наимено-вание раздела, темы | Заочная форма обучения | ||||||
| Всего часов | Аудитор-ные | Лек-ции | Лаборатор-ные работы | Практичес-кие занятия | Самостоя-тельная работа | Контроль-ная работа | ||
| Тема 1 | - | - | - | |||||
| Тема 2 | - | - | - | |||||
| Тема 3 | - | - | - | |||||
| Тема 4 | - | №1 | ||||||
| Тема 5 | - | - | - | |||||
| Тема 6 | - | - | ||||||
| Тема 7 | - | - | - | |||||
| Итого | - | - | ||||||
| Форма контроля знаний студента зачет |
Восприимчивость осветительных электроприемников к ЭМП. Влияние ЭМП на электротехнологические установки. Восприимчивость электроприемников с электродвигателями к ЭМП. Влияние ЭМП на электросварочные установки. Влияние ЭМП на системы управления, измерения, защиты и ЭВМ. Влияние ЭМП на линии связи.
Нормирование ЭМП и ЭМС в РФ. Нормирование ЭМП и ЭМС в странах Евросоюза.
Исходные положения. Расчет отклонений напряжения. Расчет колебаний и провалов напряжения, Расчет несинусоидальности напряжения. Расчет несимметрии напряжения.
Фильтры. Разрядники. Оптронные и светодиодные линии. Электромагнитные экраны. Грозозащита.
Классы электромагнитной среды. Рекомендации по снижению ЭМП, генерируемых машинами контактной сварки, дуговыми сталеплавильными и индукционными печами, электролизными установками и прокатными станами. Рекомендации по повышению помехоустойчивости электроприемников. Распространение ЭМП в электрических сетях. Схемные пути обеспечения ЭМС. Применение специальных устройств для обеспечения ЭМС.
Под электромагнитными помехами понимаются электромагнитные, электрические и магнитные явления, создаваемые любым источником в пространстве или проводящей среде, которые нежелательно влияют или могут влиять на полезный сигнал при его приеме и (или) преобразовании к определенному виду. Данное определение является достаточно исчерпывающим и, хотя ориентировано на радиотехнические и электронные устройства, в полной мере относится к той электромагнитной обстановке, в которой функционируют ЭП промышленных предприятий и вообще любые электротехнические объекты, устройства автоматики, производства и передачи электроэнергии и т.п.
Различают источники и приемники помех. На ПП одни и те же ЭП могут быть источниками ЭМП и их приемниками.
Под полезным сигналом можно понимать как питающее напряжение, по отношению к которому все ЭП являются в полном смысле приемниками, так и любой сигнал в процессе его приема или преобразования отдельными узлами ЭП или других устройств.
Вопрос об отнесении электромагнитного воздействия к разряду ЭМП решается в каждом конкретном случае по реакции ЭП или степени искажения одного или нескольких параметров принятого (преобразованного) сигнала. При этом следует учитывать, что ЭМП, являясь таковыми по отношению к одному виду ЭП, могут не оказывать влияния или быть допустимыми для других. Таким образом, ЭМП и степень их влияния индивидуальны.
Различают преднамеренные и непреднамеренные ЭМП. В системах электроэнергетики ПП имеются только непреднамеренные ЭМП, поэтому в дальнейшем будем оперировать только этими ЭМП. Непреднамеренные ЭМП возникают в процессе нормальной работы ЭП и различного рода устройств.
Существует большое разнообразие ЭМП. Применительно к предмету изложения их можно систематизировать по ряду признаков.
Рассмотрим более подробно эти признаки. По признаку происхождения различают естественные и искусственные помехи. Естественные помехи создаются источниками естественного (природного) происхождения. Для промышленных предприятий и энергосистем такими источниками могут быть, например, грозовые разряды молний, магнитные аномалии и т.п.
Искусственные помехи создаются ЭП, коммутационной аппаратурой, высоковольтными линиями и рядом других электротехнических и электронных устройств, а также могут возникать в ненормальных и аварийных режимах (например, при различных видах коротких замыканий в питающей сети или электрооборудовании). Искусственные помехи чаще всего рассматриваются как результат воздействия на параметры электрической энергии.
По признаку источника помех можно выделить: внешние - источник помех находится вне приемника; внутренние - источник помех находится в самом приемнике; межсистемные - источник помех находится в системе, не относящейся к рассматриваемой, включающей приемник; внутрисистемные - источник помех находится внутри рассматриваемой системы.
По признаку среды распространения различают: помехи излучения, то есть распространяющиеся в пространстве, и помехи проводимости (кондуктивные), распространяющиеся в проводящих средах. Помехи излучения есть результат воздействия электростатическим, электрическим, магнитным полем или их комбинациями. Помехи проводимости наиболее характерны для ПП и распространяются по проводам, кабелям, оболочкам, шинопроводам, проводящим конструкциям и т.п., в том числе в электролите, расплаве и аналогичных средах.
Проявление помех во времени может быть охарактеризовано длительностью действия ЭМП и их периодичностью.
По длительности действия различают: непрерывные помехи, уровни которых не уменьшаются ниже определенного порогового значения; длительные, время действия которых превышает три постоянных времени контролируемого параметра; кратковременные, время действия которых менее трех постоянных времени, но более 0,02 с (одного периода сетевой частоты); импульсные, время действия которых менее 0,02 с.
По периодичности появления (исчезновения) ЭМП разделяют на периодические (регулярные) и непериодические помехи. Последние, в свою очередь, делятся на случайные стационарные и нестационарные.
По частотному признаку помехи разделяют на низкочастотные и высокочастотные. Такое деление в известной степени условно и зависит от типа рассматриваемого устройства и того, какой его параметр (сигнал) анализируется.
Поскольку у большинства промышленных ЭП постоянная времени их параметров режима значительно больше периода основной частоты, то вполне оправдано условно принять частоту разделения низко- и высокочастотных помех равной 50 Гц.
По виду энергетического спектра выделяют ЭМП с непрерывным, дискретным и смешанным спектром. Классификацию по этому признаку следует проводить в пределах амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) или той ее частоты, которая в основном определяет поведение устройства.
По характеру воздействия помехи на полезный сигнал различают: аддитивные помехи, действие которых проявляется в сложении с полезным сигналом; мультипликационные помехи, действие которых на приемник изменяет комплексную структуру полезного сигнала; симметричные относительно выбранной оси помехи и несимметричные.
По отношению приемника к помехе рассматривают: допустимые помехи, действие которых не снижает требуемого качества функционирования ЭП; недопустимые помехи; приемлемые помехи, действие которых снижает качество функционирования ЭП до уровня, принятого удовлетворительным (возможным) в конкретно заданных условиях. Соответствующий уровень помехи называют максимальным или граничным.
Основными видами искусственных ЭМП являются помехиизлучения и проводимости.
Помехи излучения кроме обычных параметров (временных, частотных и других), характеризуются зависимостью распределения напряженности поля в пространстве вокруг источника, а их действие оценивается по величине наведенной ЭДС помехи, которая далее распространяется как помеха проводимости.
Степень связи источника помех излучения с приемником оценивается коэффициентом переноса К п - отношением напряжения помехи на зажимах источника и приемника. Этот коэффициент является функцией большого числа факторов и зависит не только от пространственного расположения источника и приемника и свойств среды распространения (обычно воздух), но также и от наличия других возможных путей распространения помехи: металлических оболочек, корпусов, труб, железобетонной арматуры, кровли и других металлических конструкций, проводов, шинопроводов, кабелей и т.д.
Спектр частот помех излучения достаточно широк и достигает сотен мегагерц. Так, при коммутации низковольтных цепей (реле, контакторы, пускатели) полоса частот помех составляет 5 кГц¼30 МГц, число импульсов 1¼10, длительность импульсов до 
с.
Большие трудности в расчете и измерении К п объясняют малоизученностью этого вида помех на промышленных предприятиях.
Перед определением помех проводимости сделаем некоторые замечания. Полезным сигналом по отношению к ЭП, очевидно, является питающее напряжение, а нежелательными изменениями полезного сигнала - любые изменения его характеристик, вызывающие соответствующие нежелательные изменения параметров режима работы ЭП (например, изменение формы, амплитуды, частоты и т.д.).
Причиной возникновения нежелательных изменений (или в соответствии с определением ЭМП - явлений) являются различные по величине и характеру токи, протекающие по элементам сети, а также в самих ЭП. Поэтому, строго говоря, помехи проводимости следует определить как токи, которые формируются под действием многих факторов: работы ЭП, сетей, переходных процессов, ненормальных и аварийных режимов и индуцированных извне как помехи излучения. Однако в технической литературе под этим видом помех часто понимают не причину, а следствие, т.е. помехами проводимости считают сами нежелательные изменения характеристик питающего напряжения. Во многих случаях это допустимо, поскольку не нарушает физики явлений, протекающих в ЭП. Кроме того, в условиях действующих предприятий наибольший интерес представляет установление количественной и качественной связи параметров режима ЭП именно с характеристиками питающего напряжения.
Поэтому в дальнейшем под помехами проводимости мы будем понимать нежелательные, с точки зрения нормальной работы ЭП, изменения характеристик питающего напряжения, при необходимости оговаривая причину их возникновения и источник помех.
Доминирующее значение для электроприемников ПП имеют параметры, характеризующие отклонения напряжения и частоты, несимметрия и несинусоидальность напряжения, размахи изменения напряжения, провал напряжения, импульсное напряжение и доза колебаний напряжения. Параметры этой группы ЭМП в РФ относят к показателям качества электрической энергии (ПКЭ).
В соответствии с рекомендациями [1,2] определяются следующие ПКЭ:
1. Отклонение частоты D f, Гц:
f = f у - f ном, (3.1)
где f ном - номинальное значение частоты, Гц; f у - усредненное значение частоты за период наблюдения, Гц.
Усредненное значение частоты f у определяется как результат усреднения N наблюдений частоты fi на интервале времени, равном 20 с, по формуле
, (3.2)
где fi - значение частоты в i -м наблюдении, Гц. Число наблюдений N должно быть не менее 15.
Установившееся отклонение напряжения d U у, %:
, (3.3)
где U ном - номинальное междуфазное (фазное) напряжение, В (кВ); U у - величина усредненного напряжения за период наблюдения, В (кВ).
Величина усредненного напряжения U у определяется как результат усреднения N наблюдений напряжений Ui на интервале времени 1 мин по формуле
, (3.4)
где Ui - значение напряжения в i -м наблюдении, В (кВ). Число наблюдений за 1 мин должно быть не менее 18.
К отклонениям напряжения следует отнести изменения напряжения с установившейся длительностью более 1 мин. Графически отклонения напряжения показаны на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Виды отклонений и колебаний напряжения
Размах изменения напряжения Ut, %:
, (3.5)
где Ui, Ui +1 - значения следующих один за другим экстремумов или экстремума и горизонтального участка огибающей среднеквадратичных значений напряжения основной частоты, определенных на каждом полупериоде основной частоты, В (кВ).
Графически колебания напряжения показаны на рис. 3.1.
Для характеристики колебаний напряжения, наряду с размахом изменения напряжения, необходимо знание частоты изменения напряжения 
или интервала времени между изменениями напряжения (
).
Частоту повторения изменений напряжения , с-1, мин-1, вычисляют по формуле
, (3.6)
где m - число изменений напряжения за время Т; Т - интервал времени измерения, принимаемый равным 10 мин.
Интервал времени между изменениями напряжения D ti,i +1, с, в соответствии с рис. 3.2 определяют по выражению
, (3.7)
где ti, ti +1 - начальные моменты следующих один за другим изменений напряжения, с (мин).
Если интервал времени между окончанием одного изменения и началом следующего, происходящего в том же направлении, менее 30 мс, то эти изменения рассматривают как одно.
Доза колебаний напряжения (доза фликера) - это интегральная характеристика колебаний напряжения, вызывающих у человека накапливающееся за установленный период времени раздражение миганиями света.
Рис. 3.2. Колебания напряжения произвольной формы (а) и имеющие форму меандра (б)
(U скв(t) - среднеквадратичное значение напряжения, определяемое на полупериоде основной частоты).
Провал напряжения - это внезапное значительное понижение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от нескольких периодов до нескольких десятков секунд (рис. 3.3).
Длительность провала напряжения D t п, с, определяют по формуле
, (3.8)
где t н, t к - начальный и конечный моменты времени провала напряжения.
Рис. 3.3. Вид провала напряжения
Глубину провала напряжения d U п, %, определяют следующим образом:
, (3.9)
где U min - минимальное действующее значение напряжения в течение провала напряжения, В.
Частость появления провалов напряжения F п, %, вычисляют по формуле
, (3.10)
где m (d U п, D t п) - число провалов напряжения глубиной d U п и длительностью D t п за рассматриваемый период времени наблюдений Т; M - суммарное число провалов напряжения за рассматриваемый период времени наблюдений Т.
Несинусоидальность напряжения в электрических сетях характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности КU и коэффициентом n -й гармонической составляющей напряжения КU ( n ).
Значения KUi и KU (n) i , %, определяют как результат i -го наблюдения по выражениям:
, (3.11)
, (3.12)
где U (1) i - действующее значение междуфазного (фазного) напряжения основной частоты для i -го наблюдения, В; U(n ) i - действующее значение n -ой гармоники.
При определении данного ПКЭ допускается не учитывать гармонические составляющие порядка n > 40 или значения, которые менее 0,1 %.
Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентами обратной (K 2 U) и нулевой (K 0 U ) последовательности напряжений.
Значения K 2 U и K 0 U, %, определяют как результат i -го наблюдения по выражениям:
, (3.13)
, (3.14)
где U 2(1) i - действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i -м наблюдении, В (кВ); U 1(1) i - действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты в i -м наблюдении, В (кВ); U 0(1) i - действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i -м наблюдении, В (кВ).
Под электромагнитной совместимостью (ЭМС) понимается способность устройства или системы удовлетворительно функционировать в его электромагнитном окружении, не создавая недопустимых помех другим устройствам, работающим в этом окружении. Электромагнитная совместимость ЭП имеет важное практическое значение, особенно в связи с внедрением в системах управления ЭП элементов микроэлектроники и микропроцессорной техники, а также широким применением ЭВМ и автоматизированных систем управления технологических процессов. Для оптимального построения систем электроснабжения с учетом ЭМС ЭП необходимо знание уровней помехоустойчивости ЭП и уровней эмиссии помех (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Пояснение ЭМС электроприемников
Норма помехоустойчивости - это максимальное значение определенной ЭМП, воздействующей на ЭП, при котором он может продолжать работу с требуемыми рабочими характеристиками. Норма на помехоустойчивость устанавливается с запасом выше относительного уровня ЭМС, а норма на допустимую эмиссию помех - с запасом ниже относительного уровня ЭМС. Разница рассматривается как нормированный запас ЭМС. Уровни помехоустойчивости конкретных ЭП могут быть выше нормы (кривая 1 на рис. 3.4), а эмиссия помех - ниже нормы (кривая 2 на рис. 3.4). Эти дополнительные запасы, определяемые конструкцией устройства, называются конструктивными.
