Методические указания к выполнению

Министерство образования и науки

Российской Федерации

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. Шухова

Электромагнитная совместимость в электроэнергетике

Методические указания к выполнению

Лабораторных работ

для студентов направления 140400.62 - Электроэнергетика

и электротехника

Белгород

Министерство образования и науки Российской Федерации

Белгородский государственный

Технологический университет им. В. Г. Шухова

Кафедра электроэнергетики и автоматики

Утверждено

научно-методическим советом

университета

Электромагнитная совместимость в электроэнергетике

Методические указания к выполнению

Лабораторных работ

для студентов направления 140400.62 - Электроэнергетика

и электротехника

Белгород

УДК 621.3 (07)

ББК 31.2 я7

Т 54

Составитель доцент М.Ю. Михайлова

Рецензент канд. техн. наук, кафедры «Электроэнергетика и автоматика» А.А. Виноградов

Т 54	Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов направления 140400.62 – Электроэнергетика и электротехника/ сост.: М. Ю. Михайлова – Белгород: Изд-во БГТ У, 2014, 83 с.

Методические указания составлены в соответствии с программами обучения по дисциплине «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике» и предназначены для студентов направления 140400.62 – Электроэнергетика и электротехника, а также для студентов неэлектрических направлений обучения.

Издание публикуется в авторской редакции.

УДК 621.3 (07)

ББК 31.2 я7

© Белгородский государственный

технологический университет

(БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2014

Содержание

Введение. 5

Лабораторная работа №1 Исследование электромагнитного фона от источников сотовой связи 10

Лабораторная работа № 2 Описание периодических помех в частотной области 18

Лабораторная работа № 3 Исследование электромагнитной обстановки в компьютерном классе 26

Лабораторная работа №4 Исследование электромагнитного фона 1- и 2-ого этажей мех. корпуса 31

Лабораторная работа №5 Исследование схем заземления. 33

Лабораторная работа №6 Устройства защитного отключения. 38

Лабораторная работа №7 Расчет электростатического поля коаксиального кабеля 44

Лабораторная работа №8 Решение задачи на растекание токов. 62

Приложение. 78

Введение

Одной из форм практического обучения являются лабораторные занятия, на которых студенты получают навыки работы с электротехническим оборудованием, электроизмерительными приборами.

Настоящие методические указания содержат описания общего цикла лабораторных работ по дисциплине «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике». Указания составлены по единой схеме, содержат краткие теоретические сведения об исследуемом процессе, явлении или элементе, схему лабораторной установки, порядок выполнения работы и обработки результатов измерений, требований к содержанию отчета, контрольные вопросы.

Цель и порядок выполнения работ

Лабораторные работы являются одним из видов практического обучения. Их цель – закрепление теоретических знаний, проверка на опыте некоторых положений теории и законов электротехники, приобретение практических навыков при сборке электрических цепей, проведении эксперимента, использовании основных электроизмерительных приборов и устройств.

Подготовка к лабораторным работам

Серьезное отношение к лабораторной работе позволит студенту сделать правильные выводы, проанализировать результаты опытов, научиться самостоятельно решать некоторые несложные задачи исследовательского характера. Задание на проведение очередной лабораторной работы выдается заблаговременно до ее выполнения. Для качественного выполнения лабораторной работы студенту необходимо:

- повторить теоретический материал по конспекту, учебнику или методическому пособию;

- ознакомится с описанием лабораторной работы;

- записать название и номер работы, цель работы, краткие теоретические сведения, вычертить электрические схемы и таблицы для записи показаний приборов и результатов расчета;

- выяснив цели работы, четко представить себе поставленную задачу и способы ее достижения, оценить ожидаемые результаты опытов;

- сделать предварительный домашний расчет, если это указанно в задании;

- ответить письменно или устно на контрольные вопросы.

Ознакомление с приборами.

CHAUVIN ARNOUX 40 (C.A 40) Gaussmeter

Специально созданный для измерения ЭМП, подходит как для измерения в лабораториях, так и на производстве. Может производить измерение низкочастотных магнитных полей в диапазоне от 20 до 2000 мТл, в частотном диапазоне от 30 до 300 Гц (рис. 1)

Рис. 1. Прибор C.A 40

CHAUVIN ARNOUX43 (C.A 43) Fieldmeter

Измеритель интенсивности полей предлагает эффективное решение в вопросах ЭМС. Может быть использован для определения излучения от излучающих устройств или для измерения окружающих полей. Частотный диапазон от 100 кГц до 2,5 ГГц, диапазон измерения электрических полей от 0,1 до 200 В/м; диапазон измерения ППЭ от 0,1 до 2 ; пиковое измерение 1 мс (рис. 2).

Рис. 2. Прибор C.A 43

Составление отчета. Защита лабораторной работы.

Отчет является документом о проделанном эксперименте, поэтому в нем должны содержаться все необходимые сведения для проверки результатов опыта и расчета. Составление отчета – индивидуальная работа каждого члена бригады. Отчет выполняется чернилами (пастой). Текст должен быть написан четким, понятным почерком. Схемы, таблицы, графики и другие построения выполняются карандашом с применением чертежного инструмента, специальных шаблонов или на компьютере. При начертании электрических схем должны соблюдаться требования ГОСТов на графические и буквенные обозначения их элементов (см. приложение). В одной системе координат можно изображать несколько кривых различая их, например, по цвету.

Масштаб на графиках предпочтительно выбирать равным 1×10ⁿ, 2×10ⁿ, 5×10ⁿ. Математическую обработку экспериментальных данных проводят в отчете полностью или частично, но в любом случае обязательно указывают расчетные формулы. Не исключено, что опытные и расчетные данные не совпадут на 5÷10 %. Это возможно из-за колебаний напряжения в сети, погрешности при измерениях, нестабильности параметров цепи. Такие отклонения считаются допустимыми.

В заключение работы делается вывод по выполнению задач, указанных в цели работы, подтверждении опытным путем тех законов, правил и формул, которые изучались в теоретическом курсе. Выводы должны быть конкретными с приведением конкретных числовых значений.

Каждая работа должна быть защищена студентом. В ходе защиты студент должен показать знания теории по теме работы, умение собирать цепь, рассказать ход лабораторной работы, пояснять, как проводился расчет, уметь проанализировать полученные результаты и объяснить причины расхождения расчетных и опытных данных. Так же защита лабораторных работ может осуществляться путем решения студентом задач на тематику соответствующей работы. Защита лабораторных работ проводится систематически в течение учебного семестра, как правило, на следующем лабораторном занятии, назначенном преподавателем или в конце семестра после выполнения всех лабораторных работ.

Основные правила безопасности при работе в электрических лабораториях.

Согласно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ) для помещений без повышенной опасности поражения током, к которым относятся лаборатории электротехники, безопасным считается напряжение переменного тока частотой 50 Гц до 42 В. Сопротивление тела человека определяется сопротивлением кожного покрова и равно примерно 200-500 кОм. В расчетах по электробезопасности сопротивление тела человека принимают равным 1000 Ом. Увлажнение или повреждение кожи снижает сопротивление до 600–800 Ом. Большое влияние на сопротивление тела оказывает также общее состояние организма нервной системы. Таким образом, при нормальных условиях при напряжении 42 В по телу человека будет протекать ток 0,1÷0,3 мА. Величина тока в 50 мА может привести к электротравме, а в 100 мА – смертельному исходу. Случается, что при токах даже меньше 50 мА мышцы кистей рук непроизвольно сокращаются и токоведущая часть может оказаться зажатой в кулаке, при этом самостоятельно не удается разжать кисть руки и прервать ток через тело.

В лабораториях электротехники используются напряжения до 250 В, поэтому меры предосторожности следует соблюдать особенно тщательно.

Основные правила по технике безопасности следующие:

1. Перед началом сборки цепи следует убедиться, что выключатель находится в выключенном состоянии, а вилки вынуты из штепсельных разъемов. То есть, все оборудование должно быть обесточено и отключено от источников электрической энергии.

2. Не допускается использование приборов и аппаратов с неисправными клеммами, проводов с поврежденной изоляцией, неисправных реостатов и т.п.

3. Перед тем как, присоединить конденсатор, его необходимо разрядить, замкнув выводы проводником накоротко.

4. Собранную цепь включают, только проверив схему и получив разрешение руководителя занятия.

5. Пред включением цепи следует убедиться, что никто не прикасается к открытым токоведущим частям.

6. Все необходимые вносимые в схему изменения нужно производить только при снятом напряжении.

7. Запрещается самостоятельно производить какие-либо переключения на главном распределительном щите лаборатории, за исключением случаев экстренного отключения.

8. Если во время проведения опытов возникают повреждения, появляется дым, специфический запах горящей изоляции или накаляются реостаты – следует быстро отключить напряжение и сообщить преподавателю о случившемся.

9. Если кто-либо попадает под напряжение и не сможет самостоятельно оторваться от токоведущих частей, то не пытайтесь оттащить его – вы сами будете поражены током. Быстро выключите напряжение на стенде или главном распределительном щите. Сообщите преподавателю о случившемся.

Студентов допускают к лабораторным работам после ознакомления с настоящими правилами, что должно быть зафиксировано в специальном журнале присвоения 1-ой группы по электробезопасности (в журнале по технике безопасности).

Лабораторная работа №1
Исследование электромагнитного фона от источников сотовой связи

Цель работы: измерить основные величины: напряженность электрического поля, магнитную индукцию и плотность потока энергии от источников высокой частоты.

Таблица 1.1

Приборы и оборудование

№ п/п	Наименование прибора	Измеряемая величина	Предел измерений	Примечания
…
n

Краткие теоретические сведения

Интенсивное использование электромагнитной и электрической энергии в современном обществе привело к возникновению нового фактора загрязнения – электромагнитного. Современный человек буквально окутан электромагнитными полями (ЭМП), которые могут представлять опасность для его организма.

Воздействие на организм человека зависит от следующих факторов:

· объем поглощённой энергии;

· длительность воздействия;

· возраст человека и состояние его здоровья;

· факторы внешней среды;

· область облучения.

Проблема электромагнитного загрязнения усложняется существованием взаимодействия естественного электромагнитного поля и антропогенного загрязнения. Организм человека осуществляет свою жизнедеятельность путем ряда сложных процессов и механизмов и в том числе с использованием внутри и внеклеточных электромагнитных взаимодействий. Электромагнитная среда обитания фактически является источником электромагнитных помех в отношении жизнедеятельности человека и биоэкосистемы. В связи с этим возникает проблема биоэлектромагнитной совместимости. В этой ситуации живой организм вынужден постоянно искать защиту от быстро меняющейся обстановки, используя свои внутренние возможности и, естественно, довольно часто не справляется с этой задачей.

Рис. 1.1. Зависимость мнимой составляющей диэлектрической проницаемости биологических тканей от частоты ЭМП

Рис. 1.2. Зависимость удельной проводимости биологических тканей от частоты ЭМП

Диэлектрические свойства биологических тканей существенно зависят от частоты электромагнитных колебаний. Эти зависимости приведены на рисунках 1.1 и 1.2.

Воздействие ЭМП на биоткань вызывает поляризацию, что приводит к возникновению ионных токов, которые протекают по межклеточной жидкости, так как мембраны клеток – диэлектрики.

При частоте менее 10 кГц период электромагнитных колебаний достаточно высок и клеточные мембраны успевают перезарядиться за счет ионов внутри и вне клетки. Последующий рост частоты приводит к неполной перезарядке изолированных мембран, что в свою очередь вызывает вовлечение внутриклеточной жидкости в процесс образования ионных токов, проводимость ткани при этом плавно возрастает, а ее диэлектрическая проницаемость – падает.

Лавинное вовлечение внутриклеточной среды на частотах 10-100 кГц приводит к резкому росту удельной проводимости.

При частотах 100 кГц – 10 МГц мембраны практически не перезаряжаются, а емкостное сопротивление тканей падает. Содержимое клеток все активнее включается в процесс образования ионных токов.

При частотах выше 10 МГц емкостное сопротивление достаточно мало и клетку можно считать короткозамкнутой. Возбужденные молекулы приходят в колебательное движение, сталкиваются с псевдо возбужденными молекулами и передают им свою энергию, что проявляется в виде нагрева тканей и различных химических преобразований.

ЭМП наиболее интенсивно воздействует на органы с большим содержанием воды. Перегрев же особенно вреден для тканей со слабо развитой сосудистой системой или с недостаточным кровообращением (почки, мозг), так как кровеносную систему можно уподобить системе водяного охлаждения. Облучение глаз вызывает помутнение хрусталика, которое проявляется достаточно быстро (несколько дней, недель).

Наиболее ранними клиническими проявлениями последствий воздействия электромагнитных излучений на человека являются функциональные нарушения со стороны нервной системы, проявляющиеся прежде всего в виде вегетативных дисфункций неврастенического и астенического синдрома. Лица, длительное время находившиеся в зоне воздействия ЭМП, отмечают слабость, раздражительность, быструю утомляемость, ослабление памяти, нарушение сна. Обычно эти изменения возникают у лиц, по роду своей работы постоянно находившихся под воздействием ЭМП с достаточно большой интенсивностью.

Все бытовые приборы, работающие с использованием электрического тока, также являются источниками ЭМП.

Опасность воздействия ЭМП может усугубиться в случаях:

· использования сложных режимов генерации ЭМП;

· при воздействии на больного человека, в частности, на страдающих аллергическими заболеваниями или имеющих генетическую склонность к развитию опухоли;

· при облучении организмов в период эмбриогенеза и детском возрасте;

· при совместном действии ЭМП и других факторов внешней среды обитания человека.

Некоторые данные о воздействии ЭМП на организм человека с учетом интенсивности излучения представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Возможные изменения в организме человека под влиянием электромагнитных излучений различной интенсивности

ППЭ	Возможные изменения в организме
500-800	Болевые ощущения при облучении
	Угнетение окислительно-восстановительных процессов в тканях
	При включении – повышение кровяного давления с последующим резким спада; при длительном воздействии – стойкая гипотония, двухсторонняя катаракта
	Ощущение тепла; расширение сосудов; при облучении более 30 минут – повышение кровяного давления на 20-30 мм. рт. ст.
	Стимуляция окислительно-восстановительных процессов в тканях
	Изменения условно- рефлекторной деятельности; изменения биоэлектрической активности головного мозг астенизация после 15 минут облучения
	Неопределенные сдвиги со стороны крови с общим временем облучения 150 часов изменение свертываемости крови
	Электрокардиографические изменения; изменения в рецепторном аппарате
4-5	Изменение артериального давления при многократных облучениях; непродолжительная лейкопения
3-4	Замедление электропроводимости сердца

Продолжение таблицы 1.2

2-3	Выраженный характер снижения артериального давления; учащение пульса; незначительные колебания объема сердца
	Снижение артериального давления; тенденции к учащению пульса
0,4	Слуховой эффект при воздействии импульсными электромагнитными излучениями
0,3	Некоторые изменения со стороны нервной системы при хроническом воздействии в течение 5-10 лет
0,1	Электрокардиографические изменения
до 0,05	Тенденции к понижению артериального давления при хроническом воздействии

В части требований ГОСТа и гигиенических нормативов по проведению контроля записано, что контроль уровней электромагнитного поля осуществляется по следующим величинам:

· напряженность электрического поля, ;

· напряженность магнитного поля, ;

· магнитная индукция, ;

· плотность потока магнитной энергии, ;

Ниже представлен ряд таблиц нормирующих предельно допустимые уровни (ПДУ) выше перечисленных величин от различных источников ЭМИ.

Таблица 1.3

ПДУ для потребителей продукции являющейся
источником ЭМП

Источник	Диапазон	ПДУ	Примечания
Индукционная печь	20-22 кГц		Условие измерения расстояния 0,3 м от корпуса
СВЧ печь	2,45 ГГц		Расстояние 0,5 м от любой точки при нагрузке 1 л воды

Продолжение таблицы 1.3

Монитор	5 Гц-2кГц		Условие измерения расстояние 0,5 м от монитора
2-400 кГц
Прочие	до 50 Гц		Условие измерения расстояние 0,5 м
0,3-300 кГц
0,3-300 МГц
3-30 МГц
30-300 МГц

Таблица 1.4

ВДУ от сотовой радио связи не профессионального
воздействия

Категория облучения	ВДУ	Примечания
Население поживающее на прилегающей территории от антенн базовых станций
Радио телефон		Измерения от источника ЭМИ, соответствует положению человека подвергшемуся излучению

Таблица 1.5

ПДУ от ЛЭП

ПДУ,	Условия облучения
0,5	внутри жилых зданий
	на территории зоны жилищной застройки

Продолжение таблицы 1.5

	В населенной местности вне зоны жилищной застройки
	для участка пересечения ВЛЭП с автодорогами
	вне населенной местности
	в труднодоступной местности

ЭМП является неотъемлемым фактором обитания человека, этот вид излучения вызывает характерные биологические эффекты, что должно расцениваться как потенциальный вред для населения.

Ход работы

1. Измерить электромагнитный фон от сотовых телефонов в следующих режимах: покоя, приема сигнала и ответа на расстоянии 0 см от источника излучения. Полученные данные занести в таблицы 1.6-1.8, произвести не менее 10 измерений в каждом из заданных режимов.

Таблица 1.6

Измерения (режим покоя)

№ п/п	Наименование объекта	E,	D,	B, мкТл	H,	ППЭ,
…
n

Таблица 1.7

Измерения (режим приема сигнала)

№ п/п	Наименование объекта	E,	D,	B, мкТл	H,	ППЭ,
…
n

Таблица 1.8

Измерения (режим ответа)

№ п/п	Наименование объекта	E,	D,	B, мкТл	H,	ППЭ,
…
n

2. Выполнить расчет одной строки таблицы, согласно предложенным ниже формулам:

– электрическое смещение;

– напряженность магнитного поля,

где – электрическая постоянная,

– магнитная постоянная.

3. Сделать вывод о проделанной работе проанализировав по марке сотового телефона и излучению, сравнить с ПДУ и таблицей возможных изменений в организме.

Контрольные вопросы

1. От каких факторов зависит воздействие на организм человека?

2. Каким образом электромагнитное загрязнение влияет на организм человека?

3. Как увеличение частоты электромагнитных колебаний влияет на организм человека?

4. Что может усилить опасность воздействия ЭМП?

5. Какие величины используют для контроля уровней ЭМП?

Лабораторная работа № 2
Описание периодических помех в частотной области

Цель работы: исследовать график несимметричной функции, рассчитать меру передачи.

Таблица 2.1

Приборы и оборудование

№ п/п	Наименование прибора	Измеряемая величина	Предел измерений	Примечания
…
n

Краткие теоретические сведения

Классификация помех

Помехи – это электромагнитные воздействия, способные вызвать в устройстве нежелательный эффект. В зависимости от источника электромагнитные помехи можно разделить на:

· естественные помехи – это электромагнитные помехи, источниками которых являются природные физические явления. К ним относят: электрические разряды в атмосфере, излучения Солнца, звезд и электризацию;

· искусственные помехи – электромагнитные помехи, источниками которых являются устройства, созданные человеком; помехи образованные электромагнитными процессами в технических устройствах. В результате действия искусственных помех в окружающем пространстве возникает электромагнитный фон который может значительно превышать естественные помехи.

В зависимости от источника создающего искусственную помеху их можно разделить на:

· функциональные источники – это источники, которые вырабатывают и передают в окружающую среду электромагнитные волны с целью передачи полезной информации (радиопередатчики, генераторы высокой частоты для медицинских целей, микроволновые печи);

· нефункциональные источники – это устройства, для которых электромагнитный сигнал является «побочным продуктом». Помехи возникают при выполнение заданных функций (люминесцентные лампы, сварочные аппараты, схемы выпрямления).

В зависимости от среды распространения, помехи классифицируют на:

· индуктивные – электромагнитные помехи, распространяющиеся в виде электромагнитных полей в непроводящих средах. Они в свою очередь делятся на:

o низкочастотные (магнитные и электрические поля);

o высокочастотные (магнитные и электрические поля, электромагнитные поля, в том числе вызываемые непрерывными колебаниями и переходными процессами, электростатические разряды);

· кондуктивные – это помехи распространяющиеся по элементам электрической сети, по проводящим конструкциям и в земле при протекании электрического тока. В цепях имеющих более одного провода кондуктивные помехи делят на:

o синфазные помехи обусловлены разностью потенциалов в цепях заземления устройств. Эти помехи могут быть вызваны токами в земле или магнитными полями. Данный вид помех не вызывает мешающих напряжений на приемнике, но воздействуют на изоляцию проводов относительно земли и могут вызвать пробой изоляции;

o противофазные помехи возникают через гальванические связи, посредством передачи электромагнитным полем, или вследствие преобразования синфазной помехи в противофазную. Противофазные помехи суммируются с полезным сигналом и могут вызвать ошибочное функционирование систем, кроме того эти помехи также воздействуют на линейную изоляцию между проводами.

Деление помех на индуктивные и кондуктивные условно. Классическим примером кондуктивной помехи является процесс распространения электрического сигнала по ЛЭП. При этом линия является только волноводом, направляющей, по которой распространяется электромагнитная энергия. При этом вокруг линии создаются электрические, магнитные и электромагнитные поля, т.е. возникают излучаемые помехи. В ходе распространения многие помехи могут превращаться из индуктивных в кондуктивные и наоборот.

Помехи электрических систем в зависимости от характера их протекания подразделяют на:

· помехи установившегося режима возникают в нормальном режиме и длительно существуют. Сюда относят устройства, служащие для производства, передачи и распределения электроэнергии и превращения ее в другие виды энергии. Эти помехи носят периодический характер и располагаются в широком диапазоне частот;

· помехи переходных режимов возникают при изменении или нарушении нормального режима могут носить апериодический характер и существуют ограниченное время. Причины их появления: короткие замыкания, коммутации холостых линий, конденсаторных батарей, трансформаторов.

По спектральным характеристикам помехи делят на:

· узкополосные к ним относят помехи от систем связи на несущей частоте, систем питания переменным током. Характер изменения помехи во времени является синусоидальным или близким к нему, при этом спектр помехи близок к линейчатому;

Рис. 2.1. Узкополосная помеха

· широкополосные помехи имеют существенно несинусоидальный характер и обычно проявляются в виде либо отдельных импульсов, либо их последовательности. Для периодических широкополосных сигналов спектр состоит из большого набора пиков на частотах, кратных частоте основного сигнала. Для апериодических помех спектр является непрерывным и описывается спектральной плотностью. К широкополосным помехам относят: молниевый импульс, импульсы при коммутации, шум в сети питания при работе импульсного блока питания.

Рис. 2.2. Широкополосная помеха.

Другой спектральной характеристикой является область частот, в которой лежит основная часть спектра помехи. Условно принято делить все помехи на:

· низкочастотные диапазон от 0-9 кГц (силовые электроустановки, и линии);

· высокочастотные диапазон выше 9 кГц (системы связи).

Каналы передачи помех

Выделяют 4 канала передачи помех:

· гальваническая связь;

· емкостная связь;

· индуктивная связь;

· электромагнитная связь.

Гальваническое влияние осуществляется через общие полные сопротивления. Как правило, это сопротивления общих «обратных» проводов, систем опорных потенциалов или через систему защитных и заземляющих проводов.

Емкостное влияние осуществляется через паразитные емкости между проводами или проводящими элементами, принадлежащими разным контурам и находящимися под разным потенциалом.

Индуктивное влияние обусловлено паразитным потокосцеплением между контурами.

Причиной возникновения электромагнитного влияния являются электромагнитные волны, излучаемые токовым контуром и распространяющиеся в окружающем пространстве со скоростью света. При воздействии электромагнитной волны на электропроводные объекты вследствие антенного эффекта возникают высокочастотные напряжения, непосредственно или косвенно являющиеся помехами в сигнальных контурах.

Ход работы

1. Собрать электрическую схему (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Принципиальная схема

2. Подать напряжение 220 В.

3. Снять график периодической функции

4. Разложить несинусоидальную функцию в ряд Фурье до 6 слагаемого включительно.

Для этого необходимо полный период заданной функции разбить на m=12 отрезков по оси абсцисс. После этого необходимо найти соответствующие полученным отрезкам значения функций (). Значение постоянной составляющей можно найти из следующей формулы:

Для нахождения , необходимо найти следующие ее составляющие:

где – номер гармоники, – углы соответствующие отрезкам .

Сдвиг фаз находится по следующей формуле:

Конечная форма ряда Фурье имеет вид:

5. Включить схему и используя осциллограф снять графики для следующих сочетаний фильтров:

а. C;

б. L;

в. L-C;

г. C-C;

д. C-L-C.

6. Рассчитать для L-C фильтра коэффициент передачи четырехполюсника.

Основные уравнения четырехполюсников в матричной форме:

Для обратимых четырехполюсников справедливы уравнения связи:

Матричные коэффициенты могут быть найдены при расчете схемы замещения четырехполюсника.

U 1

U 1

U 2

U 2

z 2

z 3

z 5

z 4

z 6

z 1

I 1

I 2

I 1

I 2

а.

б.

Рис. 2.4. Схемы замещения четырехполюсника,
а. Т-схема, б. П-схема

Выражения A-формы для Т-схемы:

Выражения A-формы для П-схемы:

Из коэффициентов А-формы можно получить коэффициенты всех остальных форм записи уравнений четырехполюсника:

Для симметричного четырехполюсника в режиме согласованной нагрузки, когда , можно определить характеристическое сопротивление

и меру передачи

где – коэффициент затухания; – коэффициент фазы.

Коэффициент полезного действия в режиме согласованной нагрузки

7. Сделать вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое помеха?

2. По каким признакам можно классифицировать помехи?

3. Назовите каналы передачи помех?

4. Назовите отличие естественной помехи от искусственной?

5. На какие два вида делят индуктивные помехи?

6. На какие два вида делят кондуктивные помехи?

7. Назовите частотные диапазоны низкочастотных и высокочастотных помех.

Лабораторная работа № 3
Исследование электромагнитной обстановки в компьютерном классе

Цель работы: определить класс электромагнитной обстановки в компьютерном классе.

Таблица 3.1

Приборы и оборудование

№ п/п	Наименование прибора	Измеряемая величина	Предел измерений	Примечания
…
N

Краткие теоретические сведения

Совокупность уровней помех на объекте называется электромагнитной обстановкой (ЭМО).

На основании моделирования и анализа ЭМО определяют классы ЭМО для энергообъектов, устанавливают классы жесткости испытаний устройств автоматизированных систем технологического управления по условиям помехоустойчивости.

ЭМО разделена на следующие 4 класса:

Класс 1. Легкая электромагнитная обстановка

- осуществлены оптимизированные и скоординированные мероприятия по подавлению помех, защите от перенапряжений во всех цепях;

- электропитание отдельных элементов устройств резервировано, силовые и сигнальные цепи выполнены раздельно;

- выполнение заземлений, прокладка кабелей, экранирование произведено в соответствии с требованиями электромагнитной совместимости (ЭМС);

- климатические условия контролируются, и приняты специальные меры по предотвращению разрядов статического электричества.

Класс 2. Электромагнитная обстановка средней жесткости

- цепи питания и управления частично оборудованы помехозащитными устройствами и устройствами для защиты от перенапряжений;

- отсутствуют силовые выключатели, устройства для отключения конденсаторов, катушек индуктивностей;

- электропитание устройств осуществляется от сетевых стабилизаторов;

- имеется тщательно выполненное заземляющее устройство;

- токовые контуры разделены гальванически;

- предусмотрено регулирование влажности воздуха, материалы способные электризоваться трением отсутствуют;

- применение радиопереговорных устройств, передатчиков, запрещено.

Класс 3. Жесткая электромагнитная обстановка

- защита от перенапряжений в силовых цепях и цепях управления не предусмотрена;

- повторного зажигания дуги в коммутационных аппаратах не происходит;

- имеется контур заземления;

- провода электропитания, управления и коммутационных цепей недостаточно разделены;

- кабели линий передачи данных, сигнализации, управления разделены;

- относительная влажность воздуха поддерживается в определенных пределах, нет материалов электризуемых трением;

- использование переносных радиопереговорных устройств ограничено (установлены ограничения приближения к приборам на определенное расстояние).

Класс 4. Крайне жесткая электромагнитная обстановка

- защита в цепях управления и силовых контурах от перенапряжений отсутствует;

- имеются коммутационные устройства, в аппаратах которых возможно повторное зажигание дуги;

- существует неопределенность в выполнении заземляющего устройства;

- нет пространственного разделения проводов электропитания, управления и коммутационных цепей;

- управление и сигнализация осуществляются по общим кабелям;

- допустимы любая влажность воздуха и наличие электризуемых трением материалов;

- возможно неограниченное использование переносных переговорных устройств;

- в непосредственной близости могут находиться мощные радиопередатчики;

- вблизи могут находиться дуговые технологические устройства (электропечи, сварочные машины и т.п.).

Основные этапы проведения работ по определению ЭМО:

· получение исходных данных об энергообъекте для проведения работ;

· -экспериментально-расчетное определение ЭМО на объекте;

· -определение соответствия между уровнями помехоустойчивости устройств и ЭМО на объекте.

В соответствии с классом ЭМО окружающей среды устанавливают состав и степень жесткости испытаний технических средств.

Испытания на ЭМС делят на:

· испытание на помехоэмиссию (рассматривают индуктивные и кондуктивные электромагнитные помехи, гармоники и фликер);

· испытание на помехоустойчивость (осуществляют к кондуктивным и индуктивным помехам).

Основные этапы проведения работ по определению электромагнитной обстановки. Работы по определению ЭМО на энергообъекте включает в себя следующие этапы:

· получение исходных данных об энергообъекте для проведения работ;

· экспериментально-расчетное определение ЭМО на объекте;

· определение соответствия между уровнями помехоустойчивости устройств и ЭМО на объекте.

В соответствии с классом ЭМО окружающей среды устанавливают состав и степень жесткости испытаний технических средств.

Испытания на ЭМС делятся на:

· испытание на помехоэмиссию (рассматривают индуктивные и кондуктивные электромагнитные помехи, гармоники и фликер);

· испытание на помехоустойчивость (осуществляют к кондуктивным и индуктивным помехам).

Помехоустойчивость аппаратуры, устройств, различных элементов системы обусловливает надежность функционирования этих технических средств в определенной электромагнитной обстановке.

При испытаниях технических средств на помехоустойчивость применяют критерии качества функционирования оборудования:

Критерий А - воздействие электромагнитных помех никак не отражается на функциональных характеристиках аппаратуры. Выполнение критерия А необходимо для аппаратуры высокой важности в реальном масштабе времени, такие как аппаратура защиты и противоаварийной автоматики.

Критерий В – допускается кратковременное ухудшение функциональных характеристик аппаратуры в момент воздействия помехи. После прекращения воздействия электромагнитных помех функционирование полностью восстанавливается без вмешательства обслуживающего персонала. Пример цифровая аппаратура.

Критерий С – нарушение функционирования или ухудшение параметров, требующее вмешательство персонала для восстановления работоспособности аппаратуры.

Критерий D – нарушение функционирования или ухудшения параметров, требующее ремонта из-за вывода из строя оборудования или компонентов.

Мероприятия по улучшению электромагнитной обстановки:

- Первая группа: выполнение систем заземления, питания, молниезащиты объекта и других элементов в соответствии с требованиями ЭМС.

- Вторая группа – применение специальных средств или устройств, позволяющих снизить помехи:

· Гальваническая развязка и изоляция;

· Применения устройства подавления импульсных перенапряжений;

· Фильтрация (фильтры частоты);

· Контроль параметров сети (стабилизаторы питания, источники бес-перебойного питания, реле контроля фаз);

· Экранирование кабелей и оборудования.

Ход работы

1. В компьютерном классе, площадью 33,75 м², включить 15 компьютеров, зарисовать геометрическую схему соединения с указанием источников электромагнитной индукции.

2. Измерить напряженность электрического поля, магнитную индукцию и плотность потока энергии. Занести полученные данные в таблицы 3.2-3.4

Таблица 3.2

Измерения E,

x	y
		…	n
…
n

Таблица 3.3

Измерения B, мкТл

x	y
		…	n
…
n

Таблица 3.4

Измерения ППЭ,

x	y
		…	n
…
n

3. В MS Excel построить трехмерный график из полученных величин.

4. Сделать вывод о проделанной работе, проанализировав график согласно ПДУ.

Контрольные вопросы

1. Что такое ЭМО?

2. На какие 4 класса делят ЭМО?

3. Назовите критерии для 1 класса ЭМО.

4. Назовите критерии для 2 класса ЭМО.

5. Назовите критерии для 3 класса ЭМО.

6. Назовите критерии для 4 класса ЭМО.

7. Приведите примеры для каждого из классов ЭМО.

8. Назовите этапы работ по определению ЭМО.

9. Назовите и опишите 4 критерия качества функционирования оборудования.

Лабораторная работа №4
Исследование электромагнитного фона 1- и 2-ого этажей мех. корпуса

Цель работы: измерить параметры электромагнитного поля: напряженность электрического поля, магнитную индукцию, плотность потока энергии; рассчитать следующие величины: напряженность магнитного поля и электрическое смещение. Сравнить полученные значения с ПДУ.

Таблица 4.1

Приборы и оборудование

№ п/п	Наименование прибора	Измеряемая величина	Предел измерений	Примечания
…
N

Краткие теоретические сведения

См. лабораторную работу №3.

Ход работы

1. Измерить параметры электромагнитного поля с шагом 1 м на 1- и 2-ом этажах мех. корпуса (кафедра электроэнергетики). Данные занести в таблицы 4.2 и 4.3.

Таблица 4.2

Измерения (1-ый этаж)

№ п/п	Расстояние (l), м	E,	D,	B, мкТл	H,	ППЭ,
…
N

Таблица4.3

Измерения (2-ой этаж)

№ п/п	Расстояние (l), м	E,	D,	B, мкТл	H,	ППЭ,
…
N

2. Выполнить расчет одной строки таблицы, согласно следующим формулам:

– электрическое смещение;

– напряженность магнитного поля,

где – электрическая постоянная,

– магнитная постоянная.

3. По полученным данным построить графики зависимости: , , , , в одной системе координат для обоих этажей.

4. Сделать вывод о проделанной работе: на основании графиков выявить наличие источников ЭМИ, описать вид источника, сравнить полученные данные с ПДУ для населения.

Лабораторная работа №5
Исследование схем заземления

Цель работы: получить практические навыки использования схем заземления.

Краткие теоретические сведения

По классификации Международной электротехнической комиссии (МЭК) и в соответствии с действующими Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) электроустановки до 1 кВ подразделяют в зависимости от способа заземления на следующие: TN-S, TN-C, TN-C-S, ТТ, IT.

Первая буква означает характер заземления источника питания:

Т - непосредственное присоединение одной точки токоведущих частей источника питания к земле;

I - все токоведущие части изолированы от земли или одна точка заземлена через сопротивление.

Вторая буква означает характер заземления открытых проводящих частей электроустановки:

Т - непосредственная связь открытых проводящих частей с землей, независимо от характера связи источника питания с землей;

N - непосредственная связь открытых проводящих частей с точкой заземления источника питания (в системах переменного тока обычно заземляется нейтраль).

Последующие буквы (если таковые имеются) - устройство нулевого рабочего и нулевого защитного проводников:

S - функции нулевого защитного (РЕ) и нулевого рабочего (N) проводников обеспечиваются раздельными проводниками;

С - функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников объединены в одном проводнике (PEN-проводник).

Примеры типов систем заземления для трехфазных сетей переменного тока приведены на рисунках 1.27 -1.3

Рис. 5.1. Система TN-C

Рис. 5.2. Система TN-S

Рис. 5.3. Система TN-C-S

Рис. 5.4. Система TT

Рис. 5.5. Система IT

На рисунках приняты следующие обозначения:

1 – заземление источника питания;

2 – открытые проводящие части;

3 – заземление корпусов оборудования.

4 – заземление корпусов оборудования.

Рис. 5.6. Обозначения

Ход работы

5. Убедиться в том, что все устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

6. Собрать схему (рис 5.6, 5.7) заданную преподавателем.

Рис. 5.6. Схема групповой двухпроводной с устройством защитного отключения электрической сети освещения и розеток комнаты в квартире

ХТ1- розетка для электроплиты;

ХТ4, EL1 - розетки и освещение кухни.

Рис. 5.7. Схема групповой электрической сети освещения и розеток ванной и туалетной комнат в квартире повышенной комфортности с системой заземления TN-C-S

ХТ2, ХТЗ - сеть розеток прихожей и кухни;

ХТ1- розетка для электроплиты.

7. Проверить работоспособность освещения и розеток.

8. Отключить электропитание и разобрать схему.

9. Сделать вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Дайте расшифровку системам TN-C и TN-S.

2. Дайте расшифровку системам TT и IT.

3. В чем разница между системами TN-C и TN-C-S?

4. В чем разница между системами TN-S и TN-C-S?

5. В каких случаях применяется система заземления TT?

Лабораторная работа №6
Устройства защитного отключения

Цель работы: получить практические навыки по включения УЗО в схему питания.

Краткие теоретические сведения

К устройствам защитного отключения (УЗО), реагирующим на дифференциальный ток, относятся быстродействующие электрические аппараты, обеспечивающие автоматическое отключение электроустановки в случае нарушения изоляции, связанного с превышением тока утечки на землю определенного значения.

Устройства защитного отключения предназначены для защиты людей и животных от поражения электрическим током при контакте с проводящими частями электроустановок, а также предотвращения пожароопасных проявлений токов утечки через изоляцию (включая раз­вивающиеся короткие замыкания) в электропроводках и электропотребителях.

По принципу действия УЗО является быстродействующим коммутационным аппаратом, управляемым сигналом (дифференциальным током), соответствующим току утечки на землю, который возникает в сети при повреждении изоляции, коротком замыкании на землю, прикосновении людей и животных к токоведущим частям и выделяется из тока нагрузки дифференциальным трансформатором тока. Структура УЗО формируется из следующих основных функциональных блоков (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Структура УЗО

1 – дифференциальный трансформатор тока;

2 – пороговое устройство;

3 – исполнительный механизм;

4 – кнопка контроля.

В нормальном режиме – при отсутствии дифференциального тока (тока утечки) – рабочий ток нагрузки, протекая в фазном и нулевом рабочем проводниках, образующих встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока (ДТТ) 1, наводит в магнитном сердечнике трансформатора равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2, компенсирующие друг друга. В результате ток во вторичной обмотке равен нулю и не вызывает срабатывания порогового устройства 2.

При возникновении тока утечки на землю нарушается баланс токов в прямом и обратном проводниках, а следовательно, и магнитных потоков, и во вторичной обмотке