Семестр 8

Курс 4

Лекция 1

Введение. Основные определения в области ЭМС.

В широком смысле электромагнитная совместимость (ЭМС) это область науки, занимающаяся исследованием условий нормального функционирования технических средств (ТС) в их электромагнитной среде, а также нормальной жизнедеятельности биологических объектов (включая человека) в условиях действия электрических, магнитных полей и излучений. В связи с этим различают ЭМС технических средств и биоэлектромагнитную совместимость (БиоЭМС).

Электромагнитной средой в электроэнергетике являются: электрические проводники, включая электрические сети, связывающие источники и приемники электрической энергии, а также заземлители; земля (грунт); диэлектрические и магнитные среды, через которые распространяются электрические, магнитные поля и излучения.

ЭМС технических средств – это способность ТС функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке, не создавая недопустимых электромагнитных помех другим ТС. Она обеспечивается регламентированным уровнем помех в их электромагнитной среде.

Электромагнитная помеха (ЭМП) в технике – это вредное, нарушающее качество функционирования воздействие одного элемента технической системы на другой в виде добавочного тока (напряжения) в цепи устройства или поля (электрического, магнитного и электромагнитного). Например, возникновение напряжения на заземляющем устройстве вследствие протекания токов КЗ может вызвать отказ в работе присоединенной к нему аппаратуры, сильное магнитное поле может привести к ложному срабатыванию электромагнитных элементов РЗ и А, искажать изображение в электронно-лучевых трубках и т.п.

Максимальную амплитуду ЭМП, при которой еще не возникает недопустимого ухудшения функциональных свойств ТС, называется уровнем устойчивости ТС к действию данной помехи.

Электромагнитной обстановкой называется совокупность количественных характеристик основных электромагнитных помех на конкретном объекте, на котором расположены ТС. Электромагнитная помеха – это электромагнитное явление или процесс, которые снижают или могут снизить качество функционирования ТС. Она проявляет себя как электромагнитное воздействие в виде ЭДС, напряжения, тока или поля (электрического, магнитного, электромагнитного)

До 70-х годов ХХ столетия проблемы ЭМС технических средств рассматривали преимущественно в отношении радиоэлектронных средств различного назначения.В 70-х годах ХХ столетия начинается интенсивное внедрение цифровых технологий во все сферы человеческой деятельности. В отличие от обычных электромеханических устройств цифровая аппаратура весьма чувствительна к помехам. Поэтому в настоящее ЭМС определяют более широко, применительно к любым техническим средствам, содержащим чувствительные к электромагнитным помехам электрические и электронные компоненты.

Электромагнитная совместимость нарушается, если уровень помех слишком высок или недостаточна помехоустойчивость оборудования, что может привести к нарушениям или отказам в работе различных систем. Таким образом, возможно два подхода к техническому обеспечению ЭМС: 1) повышение устойчивости к помехам применяемых ТС; 2) улучшение электромагнитной обстановки на объектах.

В электроэнергетике к техническим средствам (объектам), к которым предъявляются требования по ЭМС, относятся: электрические сети, источники и приемники электрической энергии, системы релейной защиты и автоматики (РЗА), автоматизированные системы управления (АСУ) и т.д. Наиболее актуальная проблема ЭМС на объектах, содержащих чувствительную электронную, в первую очередь, микропроцессорную аппаратуру.

Проблемы ЭМС в электроэнергетике

Проблемы ЭМС возникают во всех областях техники, использующих электрические и магнитные явления. В электроэнергетике они имеют специфические особенности, обусловленные рядом причин:

− многочисленность объектов электроэнергетики и большая протяженность линий электропередач;

− наличие высоких напряжений и больших токов, создающих высокую интенсивность электрических и магнитных полей на объектах электроэнергетики;

− регулярные переключения, связанные с коммутацией больших токов, порождающие кратковременные переходные процессы микросекундного диапазона;

− возможность возникновения аварийных режимов короткого замыкания, при которых протекают токи силой до десятков тысяч ампер, вызывающие повышение потенциала «земли» и создающие магнитные поля высокой напряженности;

− удары молний в линии электропередач и другие объекты электроэнергетики, вызывающие перенапряжения и другие электромагнитные помехи.

Основными проблемами ЭМС в электроэнергетике являются:

− обеспечение показателей и норм качества электроэнергии в электрических сетях систем электроснабжения;

− обеспечение надежного функционирования современных систем РЗА и АСУ;

− защита объектов электроэнергетики от природных электромагнитных явлений (удары молний, магнитные бури и т.п.);

− уменьшение вредного влияния объектов электроэнергетики на подземные металлические сооружения (электрохимическая коррозия) и линии связи;

− снижение вредного влияния объектов электроэнергетики и силовых электротехнических устройств на окружающую среду и людей (БиоЭМС).

Общие принципы обеспечения ЭМС в электроэнергетике

Законодательно-нормативное обеспечение ЭМС – это совокупность законов и нормативных актов, устанавливающих приемлемый уровень электромагнитных помех.

Основой для установления системы обязательных требований по ЭМС, сертификации и контроля является закон РФ «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств».

Организационное обеспечением ЭМС направлено на организацию выполнения соответствующих нормативных актов и требований нормативно-тех-нической документации, обучение оперативного обслуживающего персонала.

Техническое обеспечение ЭМС состоит в разработке технических решений, направленных на улучшение ЭМС, прежде всего на стадии проектирования объектов ЭЭ.

Сертификация технических средств на соответствие требованиям ЭМС удостоверяет 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.

Биоэлектромагнитная совместимость обеспечивается снижением уровней электрических, магнитных полей и электромагнитных излучений, создаваемых техническими средствами, до значений, не оказывающих вредного влияния на биологические объекты, включая человека.

Основные источники и рецепторы помех на объектах электроэнергетики

Источниками помех могут являться как технические средства, так и физические явления искусственного и природного характера (переходные процессы в системе электроснабжения, электростатические разряды, молнии, магнитные бури и др.).

Основными источниками и процессами, вызывающими помехи на объектах ЭЭ являются: коммутационные переходные процессы в установках высокого, среднего и низкого напряжения, силовое электрооборудование (до и выше 1 кВ), к ороткие замыкания, коронный разряд на линиях электропередачи, разряды молнии,используемые персоналом портативные рации, материалы, способные накапливать заряд и вызыватьэлектростатический разряд и др.

Основными рецепторами помех на объектах ЭЭ являются автоматизированные системы технологического управления и контроля, электронные и микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики, кабельные линии связи цепей вторичной коммутации, высокочастотные линии связи, компьютерные сети и др.

Электромагнитные помехи, их виды и классификация

Электромагнитные помехи, воздействующие на ТС в виде напряжений и токов, в зависимости от особенностей распространения (каналов передачи) разделяют на кондуктивные, индуктивные, емкостные и излучаемые. Кондуктивные ЭМП передаются от одного ТС к другому через соединяющие их проводники. Индуктивные и емкостные – за счет соответствующих связей: индуктивной (через магнитное поле) и емкостной (через электрическое поле); излучаемые – посредством электромагнитного поля (радиоволн).

Приведенная классификация помех условна. В реальности протекает комбинированный электромагнитный процесс, затрагивающий проводящую и непроводящую среду. Индуктивные, емкостные и излучаемые помехи в начале воздействуют на электрическую цепь технических средств (рецепторов) посредством поля через непроводящую среду, а затем, распространяясь по проводникам, в конечном итоге оказывают на них влияние в виде напряжений и токов, то есть, как кондуктивные помехи. С другой стороны, проводники с наведенными в них напряжениями и токами сами создают электрические и магнитные поля.

Условность деления помех на кондуктивные, индуктивные и емкостные наглядно проявляется, например, при анализе каналов проникновения высокочастотных помех внутрь электронной аппаратуры, представляющих комбинацию металлических проводников и «дорожек» на платах аппаратуры и паразитных емкостных и индуктивных связей.

По характеру воздействия напряжения источника на цепи рецептора помехи разделяют на синфазные (синонимы: типа "провод-земля", несимметричные, продольные) и противофазные (синонимы: типа "провод-провод", симметричные, поперечные, дифференциального вида). В первом случае напряжение помехи приложено между каждым из проводников цепи и землей (рис. 1.1,а), во втором – между различными проводниками одной цепи (рис. 1.1,б).

Рис. 1.1. Схема приложения синфазной (а) и противофазной (б) помехи.

В частности, по первому типу действует напряжение емкостной помехи, по второму – индуктивной. Реальные помехи обычно представляют собой комбинацию помех различного типа.

Электромагнитные помехи различают по спектральным характеристикам:

– узкополосные и широкополосные;

– низкочастотные и высокочастотные.

К узкополосным относятся помехи от систем питания переменным током, систем связи на несущей частоте и т.п. Характер изменения этого вида помех во времени является синусоидальным или близким к нему. При этом спектр помехи близок к линейчатому (максимальный уровень - на основной частоте, пики меньшего уровня - на частотах гармоник).

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. Типичными широкополосными помехами являются:

– молниевые импульсы;

– импульсы, создаваемые при коммутационных операциях;

– электростатические разряды и др.

К низкочастотным относятся помехи в диапазоне 0-9 кГц. В большинстве случаев они создаются силовыми электроустановками и линиями.

Высокочастотные узкополосные помехи (с частотой выше 9 кГц) обычно создаются различными системами связи. Высокочастотными являются все распространенные типы импульсных помех. Иногда также вводят понятия радиочастотной помехи (диапазон - от 150 кГц до 1−2 ГГц) и СВЧ-помехи (порядка нескольких ГГц).

Основные виды помех регламентированы стандартами в области ЭМС.

Характеристики помех

Каждый из видов кондуктивных высокочастотных электромагнитных помех характеризуется определенным набором параметров:

– непрерывные помехи (наведенные непрерывные колебания) – амплитудой, частотой и видом модуляции наведенного напряжения (тока), а также внутренним сопротивлением источника помех;

– апериодические и колебательные переходные процессы – длительностью фронта (скоростью нарастания), полной длительностью, пиковым значением, спектром, общей энергией, частотой возникновения, частотой колебаний (для колебательного переходного процесса) наведенного напряжения (тока), а также внутренним сопротивлением источника помех.

Электромагнитные помехи влияют на электромагнитную обстановку в местах размещения технических средств.

Уровень помехи – ее количественное значение величины, найденное регламентированным способом. Уровень помехи может выражаться как в физических, так и в логарифмических единицах, например, в децибелах, относительно опорного значения.

Максимальная величина ЭМП, при которой еще не возникает недопустимого ухудшения функциональных свойств аппаратуры, называется уровнем устойчивости этой аппаратуры к действию данной помехи.

Помехоустойчивостью называется способность технических средств сохранять заданное качество функционирования при воздействии на них регламентированных стандартами электромагнитных помех.

Лекция 2

Каналы передачи электромагнитных помех.

Как указывалось выше электромагнитные помехи могут передаваться:

− гальваническим путем через проводники, связывающие источник и рецептор помех (кондуктивная связь);

− за счет индуктивной связи (через магнитное поле) источника и рецептора помех (индуктивная связь);

− через емкостную связь (через электрическое поле) источника и рецептора помех;

− излучением электромагнитных волн.

Передача электромагнитных помех через общие проводники

Электроснабжение приемников осуществляется через проводники – электрические сети, которые и являются основным каналом передачи различных видов кондуктивных помех.

По сетям передаются:

– помехи, вызванные источником питания (отклонение частоты, несинусоидальность напряжения, несимметрия напряжения);

– помехи, обусловленные нагрузкой (колебания напряжения, несинусоидальность напряжения, несимметрия напряжения и др.);

– помехи, вызванные коммутациями, производимыми в электрической сети (импульс напряжения, временное перенапряжение);

– помехи, обусловленные неодинаковостью (несимметрией) сопротивлений фаз ЛЭП, а также вызываемые изменением сопротивления линии, например, из-за нарушения контакта между токопроводящими проводниками (несимметрия напряжения, колебания напряжения, фликер);

– помехи, вызванные аварийными режимами: обрывами, короткими замыканиями фаз и др. (провал напряжения, временное перенапряжение, несимметрия напряжения).

– помехи, вызванные природными явлениями, например ударами молний в объекты электроэнергетики.

Кондуктивные помехи могут также передаваться через заземлители и иные проводники.

Распространение электромагнитных возмущений по проводникам во многих случаях может быть описано методами теории электрических цепей.

На рисунке изображена схема электроснабжения некоторого электроприемника и соответствующая схема замещения. На основе этой схемы можно, например, проанализировать и при необходимости рассчитать влияние тока электроприемника и параметров электрической сети на показатели напряжения в различных точках.

Из схемы замещения видно, что нагрузка оказывает влияние на напряжение в различных точках сети за счет падения напряжения на сопротивлениях (привести формулы на основе схемы замещения).

Помехи, источником которых является нагрузка (электроприемники) по мере приближения к первичному источнику питания (генератору) уменьшаются. Соответственно, показатели КЭ, на которые они оказывают влияние, улучшаются.

Наведение электромагнитной помехи за счет магнитной связи
источника и рецептора помех

Магнитная связь между электрическими цепями возникает через потокосцепление взаимной индукции. В электроэнергетике многие электротехнического устройства, обтекаемые током: реакторы, многоамперные низковольтные шинопроводы, токораспределительные устройства и т.п., – возбуждают в окружающем его пространстве весьма интенсивное переменное магнитное поле. Линии этого поля могут пересекать электрические контуры других устройств и наводить в них ЭДС помехи.

В теории индуктивно-связанных цепей (на рис. цепи 1 и 2) магнитная (индуктивная) связь учитывается с помощью параметра M – взаимная индуктивность, которая зависит от расстояния между цепями, особенностей их конструкции и взаимной ориентации, наличия между ними других устройств, магнитной проницаемости среды. Ее определение в общем случае является сложной задачей, решаемой методами теории поля. Если взаимная индуктивность найдена или известна, то ЭДС, наведенная в цепи 2 переменным магнитным полем цепи 1 может быть рассчитана в соответствии с теорией цепей по формуле:

E ₂= j w M I ₁

Из этого выражения видно, что наведенная ЭДС прямо пропорциональна взаимной индуктивности между цепями, частоте и величине тока источника помех.

Наведение электромагнитной помехи за счет емкостной связи
источника и рецептора помех

Емкостная связь между электрическими цепями возникает через электрическое поле, которое возбуждается в окружающем пространстве зарядами на поверхности проводников. Наличие этих поверхностных зарядов приводит к возникновению на проводниках электрического «напряжения». Поэтому, когда на проводниках любого электротехнического устройства имеется напряжение, это означает, что на их поверхности присутствуют электрические заряды. В электроэнергетике многие установки: ЛЭП, трансформаторы, распределительные устройства и т.п., – находятся под высоким напряжением (до сотен тысяч вольт) и являются источниками весьма интенсивного переменного электрического поля. В этом поле могут находиться другие устройства, на поверхности проводников которых индуцируются электрические заряды. В переменном электрическом поле индуцированные поверхностные заряды непрерывно изменяют знак. Замена зарядов одного знака на заряды противоположного знака возможна только за счет их перетока с одной части поверхности на другую. В результате в проводниках возникает переменный ток, вызывающий на входе цепи 2 напряжение. В теории цепей действие электрического поля цепи 1 на цепь 2 учитывается с помощью параметра C – емкость. Величина емкости (как и взаимной индуктивности) зависит от конструктивных факторов: расстояния между цепями, площадь поверхности проводников, взаимное расположение и т.п. Определение емкости в общем случае производится методами теории поля.

Если емкость известна, то наведенное на входе цепи 2 напряжение в соответствии с теорией цепей может быть рассчитано по формуле:

U ₂= E ₁ Z ₂/[ Z ₁- j (1/w C)+ Z ₂]

Из этого выражения видно, что наведенное напряжение прямо пропорционально ЭДС E ₁ источника помех и входному сопротивлению Z ₂ рецептора помех, а также зависит от величины емкости связи и сопротивления цепей 1 и 2.

Наведение электромагнитной помехи через излучение электромагнитных волн

Излучение электромагнитных волн происходит при любом изменении во времени зарядов или их токов. Как известно из курса физики, интенсивность излучения увеличивается с ростом частоты периодических процессов или с ростом скорости изменения во времени непериодических процессов.

Примеры помех в электроэнергетике, передаваемых связью излучением:

– помехи, вызванные электрическими переходными процессами при коммутациях, прежде всего на подстанциях, оснащенных элегазовыми выключателями;

– помехи при удаленных ударах молнии (несколько сотен метров от приемника;

– помехи высокой частоты, создаваемые радиопередатчиками) и др.

Индуктивная и емкостная связь сказывается при относительно небольших расстояниях между взаимодействующими цепями. Это обусловлено тем, что электрические и магнитные поля электроустановок достаточно быстро спадают по мере удаления от них. Интенсивность электромагнитных волн в свободном пространстве снижается значительно медленнее. А металлические провода и оболочки могут играть роль волноводов с весьма небольшим затуханием. Поэтому связь через электромагнитное излучение может возникать при значительных расстояниях между источниками и рецепторами помех.

Распространение излучаемых электромагнитных помех в различных средах описывается методами теории поля.

Дата добавления: 2014-01-11