Определение электромагнитных помех, их классификация

Г.Я. ВАГИН, А.А. СЕВОСТЬЯНОВ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

КОМПЛЕКС УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано Ученым советом Нижегородского

государственного технического университета

в качестве учебно-методического пособия для студентов   заочной

и дистанционной форм обучения по специальности

140211.65 "Электроснабжение"

Нижний Новгород 2007

УДК 621.311.6.03

Вагин Г.Я., Севостьянов А.А.Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: комплекс учебно-методических материалов / Г.Я.Вагин, А.А Севостьянов.; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е.Алексеева. Нижний Новгород, 2007. 106 с.

Приведены: рабочая программа курса; опорный конспект лекций; описание практических занятий; задания и варианты контрольных работ; методические указания по выполнению контрольных работ; вопросы для проверки знаний.

Предназначено для студентов специальности 140211.65 «Электроснабжение» заочной и дистанционной форм обучения.

Рецензент: доктор технических наук, профессор Л.А. Герман

Редактор Э.Б. Абросимова

Компьютерная верстка С.А. Михайлин

Подп. в печать 2007. Формат 60´84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л.

Уч. - изд. л. 6 Тираж 300 экз. Заказ   

___________________________________________________________________

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Типография НГТУ. 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина,24.

© Нижегородский государственный технический

университет им. Р.Е. Алексеева, 2007

© Вагин Г.Я., Севостьянов А.А., 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Цель преподавания дисциплины. На промышленных предприятиях (ПП) наблюдается рост числа и мощности электроприемников (ЭП), создающих различные виды электромагнитных помех (ЭМП). Эти помехи, распространяясь как в воздушной среде, так и по линиям электропередач, оказывают различное влияние на сами ЭП, на системы их управления, защиты, ЭВМ и автоматику. В связи с этим проблема обеспечения совместной работы различных потребителей, то есть их электромагнитной совместимости (ЭМС), с каждым годом становится все более актуальной. Поэтому целью курса "Электромагнитная совместимость в электроэнергетике" является стремление дать будущим энергетикам основные понятия ЭМС, показать источники ЭМП и влияние ЭМП на различные ЭП, ЭВМ и их системы управления, ознакомить с методами нормирования ЭМП и ЭМС и методами снижения ЭМП.

Основные знания и умения, приобретаемые студентами в результате изучения дисциплины.

Изучая курс "Электромагнитная совместимость в электроэнергетике", студенты приобретают знания:

· по источникам ЭМП;

· воздействию ЭМП на различные ЭП системы управления и ЭВМ;

· по нормированию ЭМП и ЭМС.

Большое внимание уделяется умению студентов:

· определять уровни ЭМП в различных точках систем электроснабжения;

· знать методы снижения ЭМП;

· правильно строить системы электроснабжения с учетом ЭМС электроприемников.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

Тематический план дисциплины "Электромагнитная совместимость в электроэнергетике" представлен в табл. 2.1.

Тема 1. Основные понятия и определения

Основные определения ЭМП. Основные понятия ЭМС.

Тема 2. Источники электромагнитных помех

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.

Таблица 2.1

Тема 3. Влияние ЭМП на электроприемники, системы управления, защиты и ЭВМ

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.

Тема 4. Методы нормирования ЭМП и ЭМС

Нормирование ЭМП и ЭМС в РФ. Нормирование ЭМП и ЭМС в странах Евросоюза.

Тема 5. Методы расчета электромагнитных помех

Исходные положения. Расчет отклонений напряжения. Расчет колебаний и провалов напряжения, Расчет несинусоидальности напряжения. Расчет несимметрии напряжения.

Тема 6. Помехозащитные устройства

Фильтры. Разрядники. Оптронные и светодиодные линии. Электромагнитные экраны. Грозозащита.

Тема 7. Электромагнитная совместимость электроприемников и питающих сетей

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.

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Основные понятия и определения

Определение электромагнитных помех, их классификация

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 переносаК_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 Df, 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 f_i на интервале времени, равном 20 с, по формуле

,                            (3.2)

где f_i - значение частоты в i-м наблюдении, Гц. Число наблюдений N должно быть не менее 15.

Установившееся отклонение напряжения dU_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 U_i на интервале времени 1 мин по формуле

,                                     (3.4)

где U_i - 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 U_t, %:

,            (3.5)

где U_i, U_i+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 Dt_i,i+1, с, в соответствии с рис. 3.2 определяют по выражению

,                        (3.7)

где t_i, t_i+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 Dt_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 dU_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 (dU_п, Dt_п) - число провалов напряжения глубиной dU_п и длительностью Dt_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 К_U и коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения К_U(n).

Значения K_Ui и K_U(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_2U) и нулевой (K_0U) последовательности напряжений.

Значения K_2U и K_0U, %, 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).