Лекции ЭМС

1

Электромагнитная обстановка

Взаимодействие между источниками МЭМП и РЭС осуществляется через электромагнитные поля. В реальной обстановке РЭС подвержены воздействию электромагнитных полей излучения от большого числа источников. Ввиду взаимной проницаемости электромагнитных полей в любой области пространства в один и тот же момент времени существуют поля различных источников. В реальных условиях они будут оказывать влияние на нормальную работу РЭС, что может привести к ухудшению качества функционирования этих средств или выходу их из строя. Все это является следствием той или иной электромагнитнюй обстановки (ЭМО).

Электромагнитная обстановка – совокупность электромагнитных явлений и процессов в данной области пространства в частотном и временном диапазонах.

Электромагнитные поля в окружающем пространстве создаются источниками, излучение которых не предусмотрено их функциональным назначением, а также источниками естественного происхождения. При этом влияние источников МЭМП на РЭС, приводящее к ухудшению качества их функционирования, как правило, сопровождается неблагоприятными последствиями для этих средств. ЭМО, которая соответствует таким последствиям, определяется как неблагоприятная.

При решении задач организационного и технического характера, связанных с формированием ЭМО, ее разделяют на существующую и предполагаемую. Если источники электромагнитного излучения заранее известны, неизменны места их расположения, то ЭМО, формируемая такими источниками, определяется как существующая.

На практике в основном приходится сталкиваться с предполагаемой ЭМО, когда к существующим источникам электромагнитного излучения в любой момент могут добавиться другие, ранее не участвующие в ее формировании, например молнии или близлежащие высоковольтные линии электропередачи, по той или иной причине оказавшиеся в аварийных режимах.

Электромагнитная обстановка также может быть стабильной и нестабильной во времени. Такая классификация характерна для движущихся объектов или РЭС, подвергающихся воздействию электромагнитных полей, перемещающихся в пространстве источников излучения, когда интенсивность излучения изменяется при входе или выходе из зоны действия ранее не учитываемых источников .

Если в основу отличительных признаков ЭМО положить место расположения источников электромагнитных излучений, оказывающих неблагоприятное влияние на РЭС, то ее можно подразделить на внешнюю и внутреннюю. Когда источники помехонесущих полей не являются составной частью РЭС, они создают внешнюю по отношению к рассматриваемым РЭС ЭМО. В противном случае, когда РЭС оказывают неблагоприятное влияние на свое качественное функционирование, ЭМО определяется как внутренняя. Особый интерес представляет внешняя ЭМО.

На формирование характеристик внешней ЭМО оказывают влияние:

разновидность источников МЭМП и их энергетические характеристики;

амплитудно-временные (частотные) характеристики излучения МЭМП;

поляризационные характеристики направленности излучения МЭМП;

состояние среды в области формирования ЭМО;

расстояние от источника электромагнитного излучения до рассматриваемой области и соответствующие ему поля ближней и дальней зоны излучения.

При определении процессов формировании ЭМО в заданной области и ее характеристик важную роль играют способы описания электромагнитной обстановки. Без количественного ее описания невозможно правильно оценить и обеспечить стойкость РЭС к воздействию МЭМП.

К настоящему времени существуют установившиеся в практике подходы для ее описания: электродинамический, энергетический и вероятностный

Электродинамический подход является наиболее распространенным и широко применяемым в практике. Он базируется на решении системы дифференциальных уравнений Максвелла и определении значений напряженности электрических Е и магнитных Н полей в интересующей точке или области от заданных сосредоточенных или распределенных источников.

Количественно электромагнитное поле удобно характеризовать и описывать известными из электродинамики скалярным и векторным запаздывающими электродинамическими потенциалами. Если электродинамические потенциалы известны, то легко определяются векторы напряженности электрического и магнитного полей.

Если существует несколько источников излучения, то на основе принципа суперпозиции электромагнитных полей ЭМО в рассматриваемой области определяется суммарным значением полей излучения источников при условии, что они не оказывают влияния друг на друга.

Энергетический подход применяют в том случае, когда необходимо знать мощность, которая может выделиться в рецепторе (чувствительном элементе РЭС) электромагнитной энергии. Это позволяет оценить вероятность выхода из строя РЭС, если энергия электромагнитного поля, трансформируясь в тепловую на элементах РЭС, приводит к выплавлению, выгоранию или другим необратимым процессам в полупроводниковых или иных, чувствительных к изменению эксплуатационных условий, элементах.

При создании ЭМО группой независимых источников энергия, выделившаяся в нагрузке антенны, суммируется.

Вероятностный подход широко использует при определении характеристик надежности радиоэлектронных средств, их отдельных блоков и узлов, имеющих рецепторы энергии МЭМП. При этом количественно оценивают ЭМО сравнением между собой вероятности превышения наперед заданных, по условиям сохранения работоспособности РЭС, уровней сигналов с входными сигналами помех.

Приведенные подходы для описания характеристик ЭМО применяют в зависимости от конкретных условий или требований, вытекающих из выбранных способов количественной оценки и обеспечения стойкости РЭС к воздействию МЭМП.

Особенности ЭМО на энергетических объектах

Электрические станции, как и другие объекты энергетики, имеют сложную структуру, занимают большую площадь, имеют электрические связи с электроэнергетическими системами, содержат разветвленные устройства собственных нужд, управления, релейной защиты, автоматизированного управления, измерений, связи, сигнализации и т.д.

Они подвергаются разнообразным внешним и внутренним электромагнитным воздействиям в нормальных и аварийных режимах. Основными причинами таких воздействий являются:

• удары молнии непосредственно в объекты, подходящие линии или вблизи них;

• коммутационные процессы на стороне высокого напряжения в результате плановых переключений, аварийных процессов (короткие замыкания, перекрытия изоляции линий электропередачи, переключения и т.д.), в том числе операции с разъединителями;

• коммутационные процессы на стороне низкого напряжения при включениях и отключениях аппаратуры, содержащей индуктивные цепи с током или емкостные устройства с напряжением

• наличие сильноточных устройств, создающих сильные электрические и магнитные поля промышленной частоты;

• наличие мощных высокочастотных устройств связи, передачи данных и т.д.;

• наличие колебаний напряжения частоты высших гармоник, перерывов питания в цепях электроснабжеиия, оперативного тока и т.д.;

• разряды статического электричества.

Этими причинами наряду с нормальными рабочими режимами определяется электромагнитная обстановка. Ее принято характеризовать уровнем перенапряжений или помех.

Уровни допустимых помех можно регулировать различными техническими мероприятиями. К таким мероприятиям относятся выбор режима работы (например, ограничение токов короткого замыкания, регулирование напряжения, частоты, алгоритма оперативных переключений и т.д.), обеспечение молниезащиты, заземление, экранирование, прокладка электрических коммуникаций, выравнивание потенциалов, использование защитных устройств, ограничивающих перенапряжения (например, разрядников, ограничителей перенапряжений, варисторов, ограничительных диодов, комбинированных устройств), фильтров, использование строительных конструкций в качестве экранов, рациональное размещение оборудования и многое другое.

С другой стороны, все технические средства рассчитываются и испытываются на работу при воздействии помех и перенапряжений определенных видов и уровней. Задачей обеспечения электромагнитной совместимости является согласование этих уровней.

Существует два подхода к решению проблемы ЭМС.

Во-первых, это контроль и повышение устойчивости применяемой аппаратуры к помехам.

Во-вторых, это оценка и улучшение электромагнитной обстановки на объектах.

Параметры ЭМО на различных объектах имеют большой разброс. Поэтому действующие нормы неизбежно ориентируются на некую «идеализированную» ЭМО, характерную для объектов без существенных дефектов. Теоретически можно изготовить аппаратуру, выдерживающую практически любые возможные помехи, но стоимость ее будет непомерно высока. Поэтому наиболее экономичным является сочетание обоих подходов к решению проблемы ЭМС. В большинстве случаев проблемы ЭМС объясняются:

1. Недостаточной проработкой проектных решений в части соблюдения особых условий ЭМС. Внимание проблеме ЭМС при проектировании энергетических и промышленных объектов, зданий и помещений управления и связи стало уделяться в основном лишь с середины 90-х годов.

2. Отклонением от проекта в ходе его реализации и последующих реконструкций. В качестве примера можно назвать прокладку непредусмотренных изначально дополнительных цепей резервного питания с объектов, обладающих высоким уровнем помех на заземляющем устройстве, на узлы управления и связи.

3. Низким качеством строительно-монтажных работ. Пример - дефекты монтажа заземляющего устройства (от полного отсутствия сварного соединения до дефекта типа «точечной сварки» вместо сплошного шва.).

4. Физическим и моральным старением объекта. Например, коррозия заземляющего устройства может в течение 10 - 20 лет сделать ЭМО крайне жесткой из-за ухудшения или полной потери значительного количества связей в пределах ЗУ.

5. Повреждением заземлителей при земляных работах, реконструкции и т.п.

2

Уровни помех на объектах электроэнергетики атомных станций

Во многих нормативных документах электромагнитную обстановку подразделяют на 4 вида:

• легкая;

• средней жесткости;

• жесткая;

• крайне жесткая.

Степень жесткости устанавливается по признакам технического выполнения объекта. При этом количественные параметры обстановки, такие как напряженность электрического, магнитного или электромагнитного полей, не указываются. Если присутствуют признаки разных видов обстановки, то считается, что обстановка относится к виду более жесткой. Остановимся на признаках жесткости электромагнитной обстановки.

Легкая электромагнитная обстановка:

• технические средства электрических станций снабжены специально спроектированными системами сигнального и защитного заземления;

• стены, пол и потолок помещения обладают удовлетворительными экранирующими свойствами. Коэффициент ослабления помех в диапазоне 0,15—30 МГц не менее 20—30 дБ;

• технические средства питаются от источника бесперебойного питания;

• коммутируемые индуктивные нагрузки снабжены помехоподавляющими средствами. Питающие и информационные линии экранированы, и экраны на одном из концов или на обоих концах подсоединены к системе заземления. Питающие линии имеют сетевые фильтры и защиту от перенапряжений;

• технические средства размещены в одном помещении. Внешние информационные кабели, подсоединяемые к средствам, защищены от перенапряжений и гальванически развязаны;

• в помещении нет постороннего оборудования, подключенного к сети питания технического средства. Освещение (лампы накаливания или люминесцентные лампы) осуществляется от отдельной сети;

• применение переносных радиотелефонов и радиостанций в местах размещения технических средств запрещено.

Электромагнитная обстановка средней жесткости:

• технические средства снабжены специально спроектированной системой сигнального заземления и присоединены к общей системе защитного заземления;

• помещение не обладает экранирующими свойствами. Коэффициент ослабления помех в диапазоне 0,15—30 МГц не превышает 10 дБ;

• питание технических средств осуществляется от сети через разделительные трансформаторы, от источника бесперебойного питания или автономного фидера;

• индуктивные нагрузки, коммутируемые реле, не снабжены средствами подавления помех, а нагрузки, коммутируемые контакторами, снабжены такими средствами. Линии с разными уровнями сигналов и напряжений разнесены между собой неудовлетворительно. Имеются кабели, содержащие вместе линии питания, управления и связи, информационные линии. Линии питания содержат средства защиты от перенапряжений;

• часть технических средств расположена в других помещениях того же здания. Информационные линии, идущие к указанным частям, гальванически развязаны. Связи от аппаратуры, выходящие за пределы здания, защищены от перенапряжений и гальванически развязаны;

• в помещении имеется другое оборудование, подсоединенное к той же сети питания, что и техническое средство. В помещении могут быть оборудование высокого напряжения и источники статического электричества;

• ограниченное использование переносных радиостанций и радиотелефонов мощностью не более 2 Вт при расстоянии до технического средства или подключенных к нему кабелей связи и электропитания не менее 5 м;

Жесткая электромагнитная обстановка:

• технические средства имеют общую с энергетическим оборудованием систему защитного заземления;

• технические средства питаются от общей с другим оборудованием (включая силовое) сети;

• линии с различными уровнями сигналов и напряжений, кабели питания, управления, связи, информационные линии не разнесены. Кабели не экранированы и не защищены от перенапряжений;

• технические средства расположены за пределами основного здания. Сосредоточенные части технического средства гальванически развязаны друг с другом. Кабели связи, выходящие за пределы основного здания, защищены от перенапряжений;

• в помещении имеется другое оборудование, подсоединенное к той же системе питания, что и техническое средство. В помещении могут быть оборудование высокого напряжения и источники

статического электричества;

• возможно использование переносных радиотелефонов и радиостанций мощностью не более 12 Вт.

Крайне жесткая электромагнитная обстановка:

Она отличается от жесткой следующими признаками:

• отсутствует специально спроектированная система защитного заземления технических средств и они заземляются неупорядоченно;

• технические средства расположены в основном здании и вне его. Не все удаленные друг от друга части аппаратуры гальванически развязаны. Не все информационные кабели защищены от перенапряжений. Имеются информационные кабели, выходящие за пределы основного здания;

• возможно неограниченное использование переносных радиотелефонов и радиостанций. Поблизости могут находиться мощные радиопередатчики.

Степень жесткости электромагнитной обстановки устанавливается по наличию хотя бы одного признака, характеризующего ту или иную степень.

Все технические средства по устойчивости к электромагнитным воздействиям подразделяются на 4 группы исполнения — от I до IV. Группа исполнения, как правило, указывается в технической документации технического средства, выпускаемой изготовителем.

Критерии качества функционирования технических средств электрических станций при электромагнитных воздействиях или испытаниях на помехоустойчивость следующие:

А - нормальное функционирование, в соответствии с техническими условиями;

В - техническое средство нормально функционирует после прекращения воздействия. Помехи вызывают кратковременное нарушение функционирования. Вмешательство оператора для восстановления нормального функционирования после прекращения воздействия не требуется;

С - временное нарушение функционирования технического средства под воздействием помехи. для восстановления нормального функционирования после прекращения воздействия помехи требуется вмешательство оператора.

3

Экспериментальное обследование ЭМО на объектах электроэнергетики.

В соответствии с природой источников помех и с учетом практического опыта при обследовании электромагнитной обстановки на объектах АС, на ОРУ высокого и сверхвысокого напряжений, необходимо выполнить следующие работы:

• проверить целостность контура заземления открытых распределительных устройств (ОРУ) и целостность присоединений оборудования и конструкций ОРУ к контуру заземления;

• выполнить коммутации разъединителями ненагруженных участков шин ОРУ с одновременной регистрацией кондуктивных импульсных помех на входах кабелей от трансформаторов тока и напряжения к устройствам релейной защиты;

• измерить индустриальные радиопомехи в цепях трансформаторов тока, напряжения к в цепях оперативного постоянного тока;

• измерить напряженности магнитного поля промышленной частоты в помещении релейного щита в нормальных условиях (фоновое поле) и при коротком замыкании в сети питания 220 В переменного тока;

• измерить напряженности затухающего колебательного магнитного поля при коммутации участков шин разъединителями на ОРУ и при коммутационных переключениях в помещении релейного щита;

• измерить напряженности радиочастотных электромагнитных полей в нормальных режимах работы оборудования в разное время суток (мониторинг фонового ноля) и выполнить те же измерения при работе устройств мобильной радиосвязи и электроприборов (пылесоса, электродрели и пр.) в помещении релейного щита;

• выполнить мониторинг напряжений и регистрацию импульсных явлений в цепях трансформаторов тока, напряжения и в цепях оперативного постоянного тока;

• выполнить имитационные эксперименты, необходимые для последующих расчетов параметров редких явлений и соответствующих им параметров помех, воспроизвести которые в натуре невозможно (короткие замыкания, разряды молний на молниеприемники или элементы конструкций ОРУ);

• измерить потенциалы электростатических зарядов оперативного персонала при работе на изолирующих подставках в условиях низкой влажности в помещении релейного щита;

• проанализировать результаты проведения обследования электромагнитной обстановки на ОРУ и при необходимости дать рекомендации проектным организациям по применению устройств защиты от недопустимого для оборудования уровня помех.

Ниже приводятся некоторые особенности исследований электромагнитной обстановки на действующем энергоблоке АС.

Исследование магнитных полей в помещении релейного щита ОРУ сверхвысокого напряжения. В процессе эксплуатации оборудование релейного щита постоянно находится в окружении электротехнических устройств, токи которых создают магнитные поля, образующие в итоге некоторое среднее, слабо изменяющееся по амплитуде во времени, фоновое магнитное поле промышленной частоты. Для измерения этого поля необходима установка датчиков магнитного поля в трех пространственных координатах и соответствующего измерителя. Эти датчики должны быть расположены в месте предполагаемой установки микропроцессорной релейной защиты.

Измерение напряженности импульсного магнитного поля. В процессе эксплуатации оборудование релейная щита может подвергаться действию импульсного магнитного поля, возникающего в результате протекания тока молниевого разряда в расположенных поблизости металлоконструкциях. Сложность измерения амплитуды напряженности такого магнитного поля заключается в случайной природе разряда молнии, что требует постоянного длительного и непрерывного контроля ситуации (как минимум в течение грозового сезона).

Измерение затухающего колебательного магнитного поля. В процессе эксплуатации оборудование релейного щита может подвергаться действию затухающего колебательного магнитного поля, возникающего, например, при протекании затухающих колебательных импульсов тока в ошиновке ОРУ при коммутациях находящихся под напряжением, но обесточенных участков шин.

Другим источником затухающего колебательного магнитного поля может быть затухающий ток высокочастотного переходного процесса, возникающий при отключении индуктивных нагрузок постоянного или переменного тока.

Экспериментальное исследование характеристик радиочастотных электромагнитных полей в помещении релейного щита и на ОРУ АС. В процессе эксплуатации оборудование релейного щита и подходящие к нему цепи постоянно находятся в электромагнитных полях очень широкого диапазона частот. Среди этих электромагнитных полей и частот в стандартах РФ по испытаниям на ЭМС выделяются обязательные для испытаний на устойчивость к действию электромагнитных полей диапазоны 30-230 МГц и 230-1000 МГц (так называемые радиочастотные электромагнитные поля).

Экспериментальное исследование характеристик кондуктивных радиочастотных помех в цепях тока и напряжения микропроцессорной релейной защиты, в цепях оперативного постоянного тока о исследование эффективности способов ограничения их уровня. Кондуктивные радиочастотные помехи являются очень опасными для микропроцессорных устройств электромагнитными воздействиями, распространяющимися по информационным, измерительным и силовым цепям, т.е. фактически являются направленными электромагнитными воздействиями, способными проникать в самые чувствительные элементы систем.

Источниками кондуктивных радиочастотных помех могут являться как внешние электромагнитные поля, наводящие потенциалы или токи на жилах измерительных цепей и цепей питания микропроцессорной релейной защиты, так и токи и потенциалы, наведенные расположенными в одном пучке соседними высокочастотными кабелями и подключенные к данной сети устройства (что особенно характерно для разветвленной сети питания постоянного тока). В стандартах РФ предусмотрены соответствующие испытания на эмиссию кондуктивных радиочастотных помех и на устойчивость к их действию.

Экспериментальное исследование характеристик импульсных и низкочастотных помех в цепях тока и напряжения микропроцессорной релейной защиты и в цепях оперативного постоянного тока. Кроме высокочастотных электромагнитных воздействий, рассмотренных выше, устанавливаемая микропроцессорная релейная защита является объектом электромагнитной агрессии со стороны внешних цепей (напряжения, тока и питания), по которым распространяются как низкочастотные колебательные паразитные сигналы, так и импульсы напряжения и тока в широком спектре амплитуд и длительностей.

Сложность экспериментального исследования этих помех заключается в самом их случайном происхождении, определяющимся такими явлениями, как коммутации аппаратов высокого напряжения ОРУ под напряжением, подключения и отключения различных устройств к цепи питания в условиях нормальной эксплуатации и при выполнении профилактических, электросварочных работ в помещении релейного щита, разряды молнии в грозовой период и т.д.

В этих условиях наиболее эффективным методом исследования является регистрация всех анормальных электромагнитных явлений в исследуемых цепях в течение максимально длительного периода времени. Однако использование такого подхода сталкивается с техническими трудностями, связанными с отсутствием нужного количества измерительного оборудования с требующимися характеристиками.

4

Контроль ЭМО

В сложившейся ситуации представляется необходимым проводить контроль ЭМО на энергообъектах (а также промышленных предприятиях, узлах управления, связи и т.п.) перед размещением на них современной цифровой аппаратуры защиты, автоматики, АСУ, АСКУЭ и связи. Желательно также периодическое проведение контроля ЭМО с целью выявления неблагоприятных изменений в силу старения заземляющего устройства, реконструкций и т.п. Что касается технического содержания работ по оценке ЭМО, то они (согласно сложившейся практике и мнению автора) должны включать в себя следующие работы:

Оценка состояния заземляющего устройства, включая заземление средств грозозащиты

Помимо классической процедуры проверки сопротивления растеканию заземляющего устройства, имеется необходимость контроля качества электрических связей между элементами больших ЗУ.

В работе авторы использовали следующую методику: в пределах заземляющего контура объекта выбирается опорная точка. Связь остальных точек с опорной проверяется организацией токовой петли между заземлением проверяемого аппарата (конструкции) и опорной точкой. Измеряется потенциал проверяемой точки относительно удаленной земли (потенциального зонда). Частное от деления потенциала на ток прогрузки – это сопротивление, которое можно назвать сопротивлением основания аппарата (конструкции) относительно опорной точки. Величина меньше 0,1 Ом говорит о хорошей связи с опорной точкой. Величины более 0,1 Ом объясняются дефектами ЗУ (малостью эффективного сечения заземлителей вследствие коррозии или конструктивных недоработок, недостаточным количеством или отсутствием металлосвязей). В этом случае должны проводиться мероприятия по улучшению состояния ЗУ. Для подобных измерений сейчас используются специальные цифровые приборы, обеспечивающие высокую селективность измеряемых сигналов на фоне помех, что крайне важно для измерений на объектах со сложной ЭМО. Трассировка коммуникаций ЗУ с помощью специальных трассоискателей может быть полезна на этапе проведения ремонтно-восстановительных работ. При этом надо учитывать, что такие приборы обычно дают лишь приближенное представление о геометрии металлосвязей в пределах ЗУ, не позволяя оценить их качество.

Определение трасс растекания токов при грозовом разряде и КЗ

Опыт анализа причин повреждений аппаратуры и здравый смысл подсказывают, что сопротивление — не единственная характеристика ЗУ. Растекание значительных токов по металлоконструкциям кабельных каналов, экранам кабелей, заземляющим шинам в помещениях с аппаратурой и корпусам оборудования само по себе опасно. Действительно, создаваемые при этом поля и наводки могут приводить к сбоям и отказам аппаратуры даже при том, что все требования нормативных документов к сопротивлению оказываются выполненными. Поэтому часто возникает необходимость определения реальных трасс токов молнии или токов КЗ.

Долговременный мониторинг помех в информационных цепях

Фиксируются постоянно присутствующие помехи в широком диапазоне частот. Кроме того, производится мониторинг нерегулярно появляющихся импульсных помех. Осциллограф с присоединенным компьютером переводятся в режим «черного ящика», позволяющий без участия оператора обнаруживать помехи, фиксировать соответствующие осциллограммы и записывать их в память компьютера. Теоретически время проведения мониторинга не ограничено (реально, как правило, – несколько суток).

Измерение уровней помех в информационных цепях и цепях питания при коммутационных операциях

Осуществляется с помощью современных цифровых осциллографов (типичная частота дискретизации 1 ГГц на канал) с функцией запоминания импульсного сигнала. Выбор уставок триггера осуществляется в зависимости от вида операции и цепи, в которой производятся измерения. Осциллограммы в цифровом представлении передаются на компьютер, что позволяет в дальнейшем осуществлять их обработку с использованием математических пакетов.

Оценка качества напряжения питания от основных и резервных источников

определяется коэффициент гармонических искажений, при необходимости отслеживается изменение действующего значения в течение суток или более. Производится осциллографирование переключения на резервное питание, что позволяет определить длительность бестоковой паузы.

Оценка уровней электромагнитных полей

Для измерения полей используются специальные интегрированные приборы, антенны и т.п. В ряде случаев необходимо применение аналитических методов. Это касается, в частности, определения уровней магнитных полей в местах расположения аппаратуры при КЗ в высоковольтных сетях с заземленной нейтралью.

Проведение указанных работ требует известной квалификации персонала и использования относительно дорогостоящего оборудования. Поэтому представляется целесообразным проведение таких работ силами специализированных организаций или отделов в рамках комплекса проектно-изыскательских работ по реконструкции объекта. Работы должны производиться в тесном контакте с проектировщиками, ведущими общий проект реконструкции. Разумеется, это приводит к некоторому удорожанию проекта, что является, по сути, платой за безопасность и надежность предлагаемого решения.

Что же касается контроля ЭМО в течение срока функционирования объекта между реконструкциями, то здесь представляется целесообразным привлечение к выполнению этих задач эксплуатационного персонала. Основной задачей является выявление внезапно возникших или скрытых проблем. При необходимости для их полной диагностики и решения может быть проведено полное обследование аналогично тому, как это делается при реконструкции.

Улучшение ЭМО

Разумеется, оценка ЭМО не является самоцелью. По ее результатам разрабатываются и осуществляются защитные мероприятия. В зависимости от результатов обследования, они могут включать:

Оптимизацию заземляющего устройства, в том числе:

• восстановление поврежденных и прокладку недостающих заземляющих электродов с целью снижения потенциалов при КЗ и грозовом разряде;

• установка вертикальных заземлителей для устройств грозозащиты, разрядников и ОПН;

• приведение систем заземления и выравнивания потенциалов в зданиях и помещениях УС в соответствие с современными требованиями;

• обеспечение растекания тока молнии на безопасном расстоянии от цепей питания и связи, а также мест расположения аппаратуры;

• разделение заземляющих проводников для информационной техники и устройств, способных нести значительные помехи, например, вводов кабелей с мачт радиосвязи;

• разрыв ненужных связей (например, между элементами грозозащиты и фильтрами присоединения ВЧ-связи, кабельными каналами и т.п.).

Обеспечение правильной прокладки вторичных цепей по условиям ЭМС:

• раздельная прокладка информационных и силовых цепей;

• организация экранирования (с двух- или односторонним заземлением экранов в зависимости от условий на объекте);

• применение информационных кабелей с высокой степенью симметрии («витая пара»);

• прокладка трасс кабелей в обход областей с высокими уровнями электромагнитных полей;

• применение барьерных заземлителей, шин выравнивания потенциала и т.п.;

• использование (там, где это оправдано) оптической развязки.

Оптимизацию систем питания:

• разделение цепей заземления и нуля (переход с системы TN-C на системы TN-S и TN-C-S);

• уменьшение токов утечки (позволяет снизить уровень магнитных полей и низкочастотных наводок на кабели связи);

• установка стабилизаторов, разделительных трансформаторов и устройств резервирования питания;

• использование вторичных источников (ИБП, выпрямителей) с высокой помехоустойчивостью;

• организация защищенной подсети для устройств связи, АСУ и т.п. (например, отдельная фаза через стабилизатор).

Установка устройств защиты от перенапряжений

В последнее время все интенсивнее стали применяться устройства подавления импульсных перенапряжений в цепях питания и обмена информацией. Такие устройства выполняются на базе силовых элементов с сильно нелинейной вольт-амперной характеристикой: разрядников, варисторов, стабилитронов и т.п. Нелинейность ВАХ позволяет организовать канализацию импульсных помех по схеме «провод-провод» или «провод-земля», не позволяя им достигнуть входов аппаратуры. Отметим, что эффективность использования таких устройств во многом определяется организацией системы заземления.

В настоящее время для максимально эффективного подавления помех в системе питания принято использовать принцип зонной защиты.

Он заключается в установке защитных устройств в несколько каскадов, каждый из которых рассеивает некоторую часть энергии импульса. В результате амплитуда помех снижается до уровней, безопасных для аппаратуры, даже не предназначавшейся специально для размещения на энергообъектах. Что же касается устройств защиты линий связи и цифровых интерфейсов, то здесь многокаскадная структура часто реализуется в самом устройстве. Первый каскад производит отвод основной части энергии импульса. При этом высокочастотная составляющая, соответствующая обычно фронту импульса, проникает через первый каскад из-за ограниченного быстродействия последнего. Эта часть шунтируется быстродействующими стабилитронами второго каскада (время срабатывания - порядка 1-10 нс для разных модификаций ).

Экранирование чувствительной аппаратуры

Иногда высокий уровень магнитных полей при КЗ в высоковольтной сети представляет непосредственную угрозу для аппаратуры. В этом случае обычно рассматриваются варианты размещения аппаратуры в специальных экранирующих шкафах. Разумеется, приведенными методами не исчерпывается все разнообразие решений, направленных на снижение уровней помех, воздействующих на аппаратуру. Более того, специфика энергетических и промышленных объектов, как правило, такова, что уровень действующих на аппаратуру помех не может быть снижен до очень малых значений без больших капитальных затрат. Поэтому для всей микропроцессорной аппаратуры, влияющей на безопасность и надежность работы объекта, должен обеспечиваться высокий уровень собственной устойчивости к помехам. Это подразумевает проведение в рамках сертификации и (или) экспертной оценки испытаний на ЭМС, причем со степенями жесткости, отражающими специфические требования электроэнергетики.

5

Нормативная база обеспечения электромагнитной совместимости

Ниже приводится список наиболее важных ГОСТ. В скобках указаны соответствующие нормы МЭК и СИСПР (специального международного комитета по радиопомехам):

ГОСТ Р 51317.4.2-99 (МЭК 61000-4-2-95).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость к электростатическим разрядам.

Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.3-99 (МЭК 61000-4-3-95).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю.

Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.4-99 (МЭК 61000-4-4-95).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость к наносекундным импульсным помехам.

Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость к микросекундным помехам большой энергии.

Технические требования в методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.6-99 (МЭК 61000-4-6-96).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными импульсными полями.

Технические требования в методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.11-99 (МЭК 61000-4-1 1-94).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость к динамическим изменениям напряжения электропитания.

Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 5 1317.4.12-99 (МЭК 61000-4-12-97).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость к колебательным затухающим помехам.

ГОСТ Р 513 17.4.14-00 (МЭК 61000-4-14-98).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость к колебаниям напряжения электропитания.

Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.28-00 (МЭК 61000-4-28-00).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость к изменению частоты питающего напряжения.

ГОСТ Р 51516-99 (МЭК 60225-22-4-94).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость измерительных реле и устройств защиты к наносекундным импульсным помехам.

Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 5 1525-99 (МЭК 60225-22-2-96).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Устойчивость измерительных реле и устройств защиты к электростатическим разрядам.

Технические требования и методы испытаний.

ГОСТР51318.11-99(СИСПР 11-97).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Радиопомехи индустриальные от промышленных, научных, медицинских и бытовых (ПНМБ) высокочастотных устройств.

Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 513 19-99.

Совместимость технических средств электромагнитная.

Приборы для измерения индустриальных радиопомех.

Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 5 1320-99.

Совместимость технических средств электромагнитная.

Радиопомехи индустриальные. Методы испытаний технических

средств - источников индустриальных радиопомех.

ГОСТ Р 513 17.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе).

Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 5 1317.3.3-99 (МЭК 61000-3-3-94).

Совместимость технических средств электромагнитная. Колебания напряжения и фликер, вызываемые техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (водной фазе), подключаемым к низковольтным системам электроснабжения.

ГОСТ Р 51318,14.1-99 (СИСПР 14-1-93).

Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от бытовых приборов, электрических инструментов и аналогичных устройств. Нормы и методы испытаний.

ГОСТ Р 51318.22-99 (СИСПР 22-97).

Совместимость технических средств электромагнитная.

Радиопомехи индустриальные от оборудования информационных технологий. Нормы и методы испытаний.

Существует также множество рекомендаций МЭК, относящихся к отдельным видам технических средств (продукции).

К базовым публикациям МЭК по молниезащите относятся рекомендации МЭК 61024 и 31312. В настоящее время они существенно переработаны и введены в действие как рекомендации МЭК 62305 (Части 1—5). Следует отметить, что в этих рекомендациях имеется ряд изменений по сравнению с действующими рекомендациями МЭК (например, МЭК 61024-1-1, МЭК 61312-1).

6

Мощные электромагнитные помехи и их источники

Проблема ЭМС и стойкости РЭС к воздействию МЭМП тесно связана с существованием непреднамеренных (паразитных) электромагнитных связей и помех, наличие которых ухудшает эффективность работы РЭС. При этом особое значение в обеспечении требований ЭМС и повышении стойкости РЭС к воздействию МЭМП, особенно на ранних стадиях их разработки, приобретает знание ЭМО, создаваемой источниками мощных электромагнитных помех.

Помеха — это нежелательное электрическое и (или) магнитное воздействие на РЭС, которое может привести к ухудшению качества их функционирования.

Мощные электромагнитные помехи — это помехи, которые могут привести к необратимым процессам в элементной базе РЭС отказу и выходу из строя радиоэлектронного средства.

Определить точно количественную границу термина мощные помехи по сравнению с помехой трудно. Так, например, степень воздействия на кристаллические смесители и детекторы радиолокационных приемников зависит от полной энергии импульсов помех длительностью менее 10 нс. Энергия помехи 0,1 ... 1 мкДж вызывает выгорание полупроводниковых приборов, используемых в диапазоне частот 1 ... 10 ГГц. для полупроводниковых приборов, применяемых на более высоких частотах, уровни выгорания варьируются в пределах 0,01 ...0,1 мкДж. Воздействие одиночных импульсов длительностью более 10 нс зависит от мощности. Выход из строя приборов, используемых на частотах ниже 10 ГГц, происходит обычно при уровнях максимальной (импульсной) мощности выше 5 Вт. Приборы, рассчитанные на работу при более высоких частотах, выходят из строя при уровнях импульсной мощности свыше 0,5 Вт. Ухудшение свойств, возникающее под действием последовательности импульсов, происходит при существенно более низких уровнях мощности, чем в случае одиночного импульса. Типичный уровень такой мощности для последовательности импульсов составляет 1 % от мощности одиночного импульса.

По форме помехи разделяют на импульсные и регулярные. Импульсные помехи это одиночные импульсы или их последовательность, произвольные по форме и различные по амплитуде, которые появляются в случайные моменты времени, причем для последовательности импульсов интервалы между ними, как правило, больше длительности самих импульсов.

Регулярные помехи определяются как гармонические. В промышленных условиях это помехи с частотой сети и (или) ее гармоник.

В зависимости от вида и характера источников излучения, МЭМП делятся на два больших класса: помехи естественного .и искусственного происхождения.

Помехи искусственного происхождения возникают в процессе человеческой деятельности. Помехи естественного происхождения не связаны с процессами жизнедеятельности человека и существуют независимо от них.

Помехи искусственного происхождения, в свою очередь, делятся на непреднамеренные и организованные.

Непреднамеренные помехи возникают в процессе использования человеком различного рода устройств, генерация помех которыми является естественным следствием их функционирования.

Организованные помехи создаются искусственно с целью ухудшения функционирования или вывода из строя РЭС. Организованные помехи в теории обеспечения требования ЭМС РЭС не рассматриваются. Тем не менее на практике они имеют место, и по характеру своего воздействия на элементы РЭС во многом идентичны мощным непреднамеренным электромагнитным помехам, особенно с точки зрения влияния на нормальное функционирование РЭС предполагаемой неблагоприятной ЭМО, в которой могут оказаться эти средства.

Основными источниками мощных электромагнитных помех являются: грозовые разряды; радиоэлектронные средства (мощные радиопередающие средства и радиолокационные станции); высоковольтные линии электропередачи; контактная сеть железных дорог, а также высоковольтные установки для научных исследований и технологических целей.

7

Каналы передачи электромагнитных помех и способы их ослабления

Классификация способов передачи возмущений:

- связь через общее сопротивление (в том числе связь через активное сопротивление);

- индуктивная, или магнитная связь (магнитное поле в ближней зоне);

- емкостная, или электрическая связь (электрическое поле в ближней зоне);

-связь излучением, или электромагнитная связь (поле в дальней зоне).

Теория цепей может быть применена для рассмотрения только трех первых видов взаимосвязи. Четвертый способ требует для своего рассмотрения применения одной из более общих теорий.

В действительности ни один из указанных видов связи не существует в отдельности, однако, обычно, по меньшей мере, в диапазоне низких или средних частот, один из них превалирует нал остальными.

Связь через общее полное сопротивление

Этот механизм связи возникает, когда разные цепи имеют в своем составе одно или несколько общих сопротивлений.

Простейшим и наиболее общим случаем такой связи являются цепи, имеющие общий «обратный провод», обычно являющийся сетью заземления, причем предполагается, что он не идеален, то есть имеет отличное от нуля сопротивление. На рис. приведен пример такой цепи, состоящей из двух контуров.

Благодаря наличию общего сопротивления Z_c падение напряжения на сопротивлении нагрузки контура Еi, I₁ представляет собой алгебраическую сумму полезной ЭДС Е₁ и напряжения помехи, вызванной протеканием тока в контуре Е₂, I₂, поскольку сопротивление Z_L1 обычно намного больше общего сопротивления Z_c, таким образом, напряжение помехи составляет величину Z_cI₂, где Z_c соответствует передаточной функции, вследствие чего в данном случае может быть названо передаточным сопротивлением.

Существует два возможных пути ослабления связи через общее полное сопротивление без воздействия на источники помех:

• устранение общего обратного провода (стратегия разомкнутой цепи);

• уменьшение полного сопротивления обратного провода (стратегия короткозамкнутой цепи).

Примеры помех, передаваемых посредством общего полного сопротивления:

• токи КЗ частотой 50/60 Гц в заземлителе, используемом в качестве плоскости нулевого потенциала;

• прямое попадание молнии в контур заземления, цепи или оборудование (например, в антенны);

• разряд статического электричества непосредственно на оборудование;

• перекрестные помехи между цепями, имеющими общее сопротивление;

• гармонические составляющие, колебания и провалы напряжения в цепях электропитания.

Магнитная связь

Магнитная (индуктивность) связь (наряду со связью через общее полное сопротивление), является наиболее часто встречающимся видом проникновения помех. Данная связь имеет место в любом случае, когда две цепи имеют общий магнитный поток. Обычно таким случаем является ситуация, когда земля является частью обеих цепей и, по крайней мере, по одному проводнику протекает ток.

В простейшем случае, приведенном на рис., связь образуется между двумя параллельными проводниками, расположенными над поверхностью земли, которая служит обратным проводом для обоих контуров.

Пути ослабления магнитной связи.

1. Уменьшение площади петли.

2. Экранирование источника помех.

3. Экранирование цепи источника помехи.

Примеры помех, передаваемых магнитной связью:

- помехи при коммутациях на подстанциях с открытым распределительным устройством;

- помехи, создаваемые магнитными полями, установками промышленной частоты;

- помехи при близких ударах молнии, то есть ударах в непосредственной близости от цепей автоматических и автоматизированных систем технологического управления электротехническими объектами;

- помехи, вызванные разрядами статического электричества вблизи оборудования.

Емкостная связь

В отличие от индуктивной связи, емкостная связь проявляется под действием электрического поля источника помех, а не протекающих в нем токов.

Емкости связи весьма малы, поэтому при больших расстояниях между источником и приемником помех емкостная связь ощутима лишь при достаточно большом сопротивлении цепи приемника (нагрузочное сопротивление на концах кабеля) либо при очень близком расположении цепей приемника и источника.

Единственным способом ослабления емкостной связи, если невозможна раздельная прокладка проводников или уменьшение сопротивления (стратегия разомкнутой цепи), остается экранирование защищаемого проводника и соединение экрана с заземлением в одной точке.

Примеры помех, передаваемых емкостной связью:

- помехи, создаваемые низкочастотным электрическим полем, создаваемым силовыми установками высокого напряжения;

- помехи, обусловленные быстрыми переходными процессами, вызванными коммутациями в сети низкого напряжения,

- перекрестные помехи в сигнальных кабелях;

- синфазные помехи за счет связи между первичной и вторичной обмотками разделительного трансформатора, оптронов, трансформаторов тока или напряжения подстанции.

Связь излучением

Предыдущие рассмотрения основываются на том предположении, что размеры цепи (включая источник и приемник помех) много меньше длины волны λ=c/f, (здесь f — наибольшая частота спектрального состава помехи). В этом случае имеем дело с полями ближней зоны. В зоне, где выполняется это условие, отношение напряженностей электрического и магнитного полей Z_w=Е/Н, называемое волновым сопротивлением, может принимать значения, зависящие от вида источника излучения и расстояния между источником и приемником излучения.

Если Z_w<377 Ом, то преобладает магнитное поле, источник носит название низкоомного источника больших токов (и низких напряжений), а в качестве модели используют модель индуктивной связи.

При Z_w>377 Ом преобладает электрическое поле, источник (высокоомный) характеризуется большими напряжениями и малыми токами, а в качестве модели связи используют емкостную модель.

При увеличении расстояния от источника отношение Е/Н стремится к 377 Ом, называемому волновым сопротивлением вакуума. В этих условиях отсутствует преобладание какой-либо составляющей поля, которое представляет собой электромагнитное поле излучения.

Расстояние, при котором достигается данное условие, определяет собой границу между дальней и ближней зонами ЭМ поля.

Основными источниками излучаемого ЭМ поля являются молния, коммутации на элегазовых подстанциях, радиопередатчики и переговорные устройства. Первые два являются источниками импульсных полей, два последних источниками фиксированной частоты излучения.

Таким образом, помехи определяются ближней зоной излучения при расстоянии приемника от источника помех до:

5000 м - при частоте f = 0,01 Мгц;

500 м - при частоте f = 0,1 Мгц;

50 м - при частоте f = 1 Мгц;

5 м - при частоте f = 10 Мгц;

0,5 м - при частоте f = 100 Мгц.

Во всех случаях, где выполняются условия дальней зоны, изучение явления становится достаточно сложным (в частности, если размеры цепи больше длины волны), так как теория цепей не может быть больше применена. В этих случаях следует обращаться к обобщенным моделям, основанным на теории Максвелла.

Примеры помех, передаваемых связью излучением:

- помехи, вызванные электрическими переходными процессами при коммутациях на элегазовых подстанциях;

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

- полевые помехи высокой частоты, создаваемые радиопередатчиками.

8

Молния и ее воздействия на объекты электроэнергетики

Молния представляет собой достаточно хорошо исследованное явление для того, чтобы оценить ее воздействия. Среднее число ударов молнии в 1 км² поверхности земли за 100 грозовых часов в России принято 6,7. Существуют карты грозовой деятельности, дающие общую продолжительность гроз в часах за год. Эта продолжительность составляет в зависимости от местности на территории России от 10 до 100 грозовых часов.

Число ударов молнии за 100 грозовых часов в объект длиной А, шириной В и высотой Н вычисляется по формуле

n=6,7(A+6H)(B+6H)·10^-6.

В этой формуле А, В, Н следует подставлять в метрах.

Из этой формулы следует, что в элементы станции (здания, открытые распределительные устройства и т.д.) будут происходить удары молнии с периодичностью в несколько лет, удары молнии в линии (или вблизи них) из-за большой протяженности подходящих к станции линий происходят гораздо чаще. Для объектов электроэнергетики необходима молниезащита, целью которой является снижение ущерба, который может быть причинен молнией.

Опасными воздействиями молний являются:

• появление импульсных высоких напряжений на активных сопротивлениях элементов объекта (например, на сопротивлении заземления при протекании по нему тока молнии или его части). Амплитуда этих напряжений определяется произведением сопротивления на максимальный ток;

• появление импульсных высоких напряжений на индуктивности элементов объекта, по которым протекает ток молнии или его часть;

• индуктирование высоких напряжений в контурах, имеющих электромагнитную связь с контуром разрядного тока молнии. Индуктированные напряжения, как и падения напряжения на индуктивностях зависят от крутизны тока молнии;

• нагрев проводников, по которым протекает ток молнии или его часть. Нагрев определяется так называемой удельной энергией — интегралом квадрата тока по времени, который зависит в основном от импульсных составляющих тока;

• термическое действие на объект в месте удара. Это действие зависит от общего заряда, протекшего по каналу молнии, и определяемого постоянной составляющей тока молнии.

Таким образом, опасными параметрами тока молнии являются его максимальное значение крутизна, удельная энергия и заряд.

При ударах молнии в заземленные молниеотводы потенциал заземлителя, спусков, молниеприемников может достигать многих сотен киловольт, что может вызвать сильные электромагнитные возмущения, искрения, пробои изоляции, обратные перекрытия, выносы высокого потенциала по проводам и кабелям на большие расстояния от контуров с током молнии. К сожалению, до настоящего времени не создано общей методики борьбы с этими электромагнитными возмущениями при ударах молнии, нет конкретных нормативных документов, рекомендаций по снижению помех и перенапряжений, возникающих при ударах молнии.

Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров. Источником молнии является грозовое облако, несущее в себе скопление объемных положительных и отрицательных зарядов. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделения заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих воздушных потоков.

В природе (различают три основных типа грозовых разрядов: линейная молния — имеет вид узкой полосы между облаком и землей, между облаками или между отдельными скоплениями объемных зарядов внутри облака; шаровая молния – ярко светящийся, подвижный, выпуклый, относительно устойчивый сгусток плазмы, возникающий и исчезающий по мало изученным в настоящее время причинам; тихие разряды – корона, возникающая в местах резкой неоднородности напряженности электрического поля на выступающих заземленных предметах в предгрозовой период и во время грозы.

Грозовой разряд развивается по различным путям. Внутриоблачные разряды чаще всего бывают во время гроз, возникающих высоко над землей. В таких условиях молнии легче развиваться от нижней части заряженного облака к верхней или наоборот, чем пройти долгий путь от основания облака, т. е. ближайшей к земле кромке, до земли.

Механизм образования линейной молнии связан с постепенным накоплением разнополярных электрических зарядов на верхней и нижней частях облака и образованием вокруг него электрического поля возрастающей напряженности. Когда градиент потенциала в какой-либо точке облака достигает критического для воздуха значения (около 3·10⁶ В/м), в этом месте возпикает молния, которая начинается лидерной стадией и завершается обратным (главным) разрядом. Главная стадия грозового разряда и является источником МЭМП. Ввиду того, что в облаке образуется несколько изолироватiных друг от щуга скоплений зарядов, молния обычно бывает многократной, т. е. стоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути. Срредняя продолжнтельность главного разряда 20... 50 мкс; число повторных разрядов может колебаться от 2 до 10 и более; интервал времени между повторными разрядами 0,001 ... 0,5 с.

Характеристики молнии. Как показывают измерения. разрядный ток молнии представляет собой импульс с быстрым нарастанием тока от нуля до максимума (фронт волны) и сравнительно медленным спадом (хвост волны). Поскольку на осциллограммах начало волны и момент максимума точно определить трудно, для удобства обработки осциллограмм действительный фронт импульса заменяется эквивалентным косоугольным (рис.). Для этого на линии фронта импульса отмечаются точки с координатами О,3I_max и О,9I_max, и через них проводится прямая линия. Ее пересечение с нулевой линией (точка О условное начало импульса) и горизонтальной прямой, проведенной через точку, определяющую уровень амплитудного значения тока молнии, в выражает длительность фронта импульса [τ_ф - длительность импульса]. τ_и - это время от условного начала до момента, когда ток молнии на кривой спада становится равным половине своей амплитуды. Импульс тока молнии характеризуется отношением τ_ф/τ_и.

Грозовой разряд облака характеризуется следующими усредненными величинами:

заряд грозового облака, К 10 - 100

потенциал облака, В 10⁸ - 10⁹

ток разряда облака, А 10⁴ - 2·10⁵

время разряда, мкс 5 - 100

средняя длина молнии, м 10³ - 7·10³

диаметр канала молнии, м 0,03 - 06

интервал времени между отдельными

разрядами, с 0,001 – 0,5

количество разрядов 1 - 30

При осуществлении мер защиты и определения ЭМО в той или иной области в качестве расчетных могут быть приняты следующие значения основных величин:

амплитуда тока молнии, А 30000

высота облака над землей, м 2000

длина канала молнии, м 4500

число повторных разрядов в течение видимого удара молнии З

длительность фронта имплыа1 мкс 2

ютигельноеть разряда молнии, мкс 50

общая продолжительностъ молнии, с 0,5

число разрядов на 1 км в год 0,1

Наибольшие значения амплитуд в спектре излучения молнии соответствуют частотам 300 ... 20000 гц.

Воздействие электромагнитного поля молнии на линии электропередачи или сооружения

Данный механизм воздействия имеет особенное значение для распределительных линий низкого и среднего напряжения и гораздо менее важны для линий высокого напряжения, поскольку он сопровождается пробоями изоляции на линиях среднего напряжения, вызванных индуктированными грозовыми перенапряжениями.

Результатом индуктированных перенапряжений является бегущий импульс тока и напряжения, распространяющийся по линии подобно импульсам, вызванным прямыми ударами молнии в ЛЭП.

Амплитуда импульса напрямую зависит от расстояния от места удара молнии в землю до линии. Она возрастает при увеличении высоты линии и заметно уменьшается вследствие экранирования заземленными грозозащитными тросами, если они имеются.

На линиях среднего и низкого напряжения амплитуда бегущего импульса часто превышает напряжение пробоя изоляции, что вызывает ее пробой и срез импульса.

В месте ЛЭП, ближайшем к месту удара молнии, вид фронта импульса подобен результату воздействия прямого удара молнии, в то время как длительность импульса волны заметно меньше и составляет 5 - 10 мкс. Выводы, сделанные по поводу искажения формы импульса импульсной короной и пробоями изоляции, сделанные применительно к прямому попаданию молнии в провода ЛЭП и обратным перекрытиям, одинаково применимы и к данному случаю.

Если сооружение имеет меньшие размеры (длину), чем ЛЭП, то и запасаемая им электромагнитная энергия будет меньше. Возмущение же, переданное от сооружения к оборудованию, присоединенному или расположенному в непосредственной близости от сооружения, будет меньше, чем при прямом воздействии излучения тока молнии. В этом случае сооружение выступает в роли экрана для излучаемого поля.

9

Схемы сетей электропитания

Различные формы сетей электропитания отличаются заземлением источника питания и электрического устройства. Обычно применяются следующие системы:

• ТN-C;

• ТN-С-S

• ТN-S;

• TТ;

• IТ.

Буквы означают следующее.

1-я буква режим нейтрали источника тока:

• Т - непосредственное заземление нейтрали;

• I — изолированная нсйтраль.

2-я буква — состояние доступных проводящих частей относительно земли:

• Т — корпус электрического устройства непосредственно заземлен;

• N — корпус электрического устройства соединен с глухозаземленной нейтралью источника тока.

3-я буква — отношение между проводом нейтрали рабочего заземления и проводом защитного заземления РЕ (только для ТN-сети):

• С -N-провод и РЕ-провод прокладывается как РЕ провод (провод рабочего заземления, совмещенный с защитным проводом) от источника тока до электрического устройства;

• S-N-провод и РЕ-провод прокладываются раздельно от источника тока до корпуса электрического устройства.

При ТN-С-S системе провода N и РЕ сначала прокладываются как единый РЕ провод от источника тока до электрического устройства и затем делятся и прокладываются отдельно. После разделения прокладка обоих проводов вместе не разрешается. На рис. 84—87 представлены различные формы сети электропитания.

В зависимости от структуры сети по-разному решаются проблемы электромагнитной совместимости. В таблице 16 дано сравнение сетей разных структур в отношении электромагнитной совместимости.

Импульсы испытательных токов и напряжений

Импульс испытательного тока при коммутациях регламентирован нормами МЭК-60-1. Длительность фронта импульса 8/20 мкс определяется с помощью вспомогательной прямой, проведенной по точкам, соответствующим 10 и 90% максимального значения тока. Разница во временах пересечения этой прямой с осью абсцисс и горизонтальной прямой, проведенной через точку максимума, должна составлять 8 мкс. Допуск на длительность фронта составляет 10% (0,8 мкс). Длительность импульса определяется как время от условного начала импульса до момента уменьшения импульса до 50% от максимального значения. Длительность стандартного испытательного импульса составляет 20±2 мкс. Аналогично характеризуются и другие импульсы испытательных токов, например, импульс 8/80 мкс; 10/350 мкс; 0,25/100 мкс.

Импульс 8/20 мкс непосредственно не связан с током молнии. Он появляется при перекрытии изоляции в результате грозовых перенапряжений или срабатывании разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений. Его фронт и длительность формируются переходными процессами.

10

Характеристики импульсов

Импульсный ток принято выражать в процентах от максимального значения. С помощью стандартного импульса 8/20 мкс определенной амплитуды характеризуют способность разрядников выдерживать токовые нагрузки. Выдерживаемый ток обычно указывается изготовителем в паспорте разрядника.

Нормированные грозовые импульсы испытательных токов различаются при разных полярностях заряда грозового облака. При отрицательном заряде немецкими индустриальными нормами 1ЗI1 48810 установлен импульс тока первой вспышки 8/80 мкс. Импульс тока повторной вспышки при отрицательно заряженном облаке — 0,25/100 мкс. Импульс тока молнии, развивающейся с положительно заряженного облака, установленный нормами МЭК, имеет длительность фронта 10 мкс и время от начала импульса до момента спада до 50% от максимального значения — 350 мкс. Этот импульс обозначается 10/350 мкс.

Схемы защит от перепапряжений

В полной концепции защиты от перенапряжений стремятся к трехступенчатой системе с индуктивными развязывающими элементами. Лишь при наличии высокочастотных ответвлений переходят к двухступенчатой схеме с омическими развязывающими элементами или к одноступенчатому разряднику.

Чтобы защитить электрические и электронные приборы от разрушения из-за перенапряжений и предотвратить этим самым сильные переходные токи, необходимо использовать защитные схемы, способные быстро реагировать на сильные токи и дополнительно создавать низкий уровень остающихся напряжений. Так как переходные перенапряжения имеют малое время нарастания в микросекундном и наносекундном диапазонах, то необходимы элементы с очень малым временем срабатывания, чтобы осуществить защитные мероприятия уже на фронте и тем самым снизить остающееся напряжение. С помощью таких элементов можно быстро осуществить выравнивание потенциалов, то есть организовать короткое замыкание активных проводов друг с другом или на землю.

Рис. 93 схематически показывает электронное устройство, с симметричной схемой электропитания, корпус которого соединен с системой уравнивания потенциалов, имеющей потенциал земли.

На рис. 95 можно видеть, что ток через разрядник 3,5 кА спустя 8,1 мс самостоятельно гасится, включенная вставка на 125 А не срабатывает. По восстанавливающемуся напряжению синусоидальной формы после гашения дуги в разряднике видно, что предохранитель не сработал.

Если разрядник не в состоянии самостоятельно отключить сопровождающий ток и одновременно предохранитель имеет слишком высокую уставку, то гашение дуги сопровождающего тока происходит слишком поздно, и разрядник разрушается. Этот процесс показан на рис. 96.

Самостоятельное гашение дуги сопровождающего тока в разряднике без срабатывания предохранителя позволяет обеспечить высокую надежность обеспечения электроэнергией питаемых приборов и устройств.

Комбинированные защитные устройства содержат, как правило, ступени тонкой (ограничительный диод или варистор) и грубой защиты (разрядник). Часто применяются трехступенчатые защитные устройства со схемой, показанной на рис. 98.

Отдельные ограничивающие элементы отделяются друг от друга полными сопротивлениями Z₁ и Z₂. В информационно-измерительной сети резиеторы Z₁ и Z₂ могут иметь сопротивление порядка 10 Ом. В сети электропитания это либо катушки индуктивности (~10 мкГн), либо провода длиной 5-15 м.

При воздействии импульса перенапряжения на такое устройство первой срабатывает тонкая защита (диод). Так как ограничительный диод не способен пропускать большой импульсный ток, то при возрастании падения напряжения па сопротивлении Z₂. ток начинает протекать через варистор. Увеличение напряжения на резисторах Z₁ и Z₂ приводит к срабатыванию грубой защиты — разрядника.

Как уже отмечалось, провода, идущие к разряднику и от разрядника к системе уравнивания потенциалов, выбираются в соответствии е указаниями изготовителя. При использовании ограничителя они не должны иметь сечение менее 16 мм² для медного провода. Если речь идет о проводе уравнивания потенциалов, который не используется для уравнивания потенциалов при токе молнии, то допускается минимальное сечение медного провода 6 мм².

В большинстве случаев в качестве развязывающих элементов используются провода электропитания главной распределительной сети, местной распределительной сети или провода между местной сетью и конечным прибором. Длины проводников должны быть такими, чтобы в нормальном режиме ожидаемая крутизна тока переходных процессов обеспечивала достаточное падение напряжения. Расчеты и эксперименты показали, что между грозовым разрядником и ограничителем перенапряжений длина проводов должна составлять около 10 м, а между ограничителем перенапряжений в сети и защитой прибора — не менее 5 м. Любой металлический провод имеет собственную индуктивность, которая играет роль индуктивности развязки, вместо катушки индуктивности.

11-12

Элементы выравнивания потенциалов и ограничения перенапряжений.

1. Вентильный разрядник

В ентильный разрядник состоит из двух основных компонентов: многократного искрового промежутка (состоящего из нескольких однократных) и рабочего резистора (состоящего из последовательного набора вилитовых дисков). Многократный искровой промежуток последовательно соединен с рабочим резистором. В связи с тем, что вилит меняет характеристики при увлажнении, рабочий резистор герметично закрывается от внешней среды. Во время перенапряжения многократный искровой промежуток пробивается, задача рабочего резистора — снизить значение сопровождающего тока до величины, которая сможет быть успешно погашена искровыми промежутками. Вилит обладает особенным свойством — его сопротивление нелинейно — оно падает с увеличением значения силы тока. Это свойство позволяет пропустить больший ток при меньшем падении напряжения. Благодаря этому свойству вентильные разрядники и получили свое название. Среди прочих преимуществ вентильных разрядников следует отметить бесшумность срабатывания и отсутствие выбросов газа или пламени.

Маркировка вентильных разрядников

По позициям в обозначении:

1. Р — разрядник.

2. В — вентильный.

3. К — коммутационный, Н — низковольтный, О — облегченный, РД — с растянутой дугой, С — станционный, У — унифицированный, Э — для электроподвижного состава.

4. Номинальное напряжение в сети, кВ.

5. Климатическое исполнение (У — умеренный климат, ХЛ — холодный климат, ТВ — тропический влажный климат, ТС — тропический сухой климат)

6. Категория размещения (от 1 до 5)

2. Магнитовентильный разрядник (рвмг)

РВМГ состоит из нескольких последовательных блоков с магнитным искровым промежутком и соответствующего числа вилитовых дисков. Каждый блок магнитных искровых промежутков представляет собой поочередное соединение единичных искровых промежутков и постоянных магнитов, заключенное в фарфоровый цилиндр.

При пробое в единичных искровых промежутках возникает дуга, которая за счет действия магнитного поля, создаваемого кольцевым магнитом, начинает вращаться с большой скоростью, что обеспечивает более быстрое, по сравнению с вентильными разрядниками, дугогашение.

3. Трубчатый разрядник

Трубчатый разрядник представляет собой дугогасительную трубку из полихлорвинила, с разных концов которой закреплены электроды. Один электрод заземляется, а второй располагается на небольшом расстоянии от защищаемого участка (расстояние регулируется в зависимости от напряжения защищаемого участка). При возникновении перенапряжения пробиваются оба промежутка: между разрядником и защищаемым участком и между двумя электродами. В результате пробоя в трубке возникает интенсивная газогенерация, и через выхлопное отверстие образуется продольное дутье, достаточное для погашения дуги.

4. Ограничитель перенапряжений.

О граничитель перенапряжения нелинейный (ОПН) — это разрядник без искровых промежутков. Активная часть ОПН состоит из последовательного набора варисторов. Принцип действия ОПН основан на том, что проводимость варисторов нелинейно зависит от приложенного напряжения. В нормальном режиме ОПН не пропускает ток, но как только на участке сети возникает перенапряжение, сопротивление ОПН резко снижается, чем и обуславливается эффект защиты от перенапряжения. После прохождения разряда через ОПН, его сопротивление опять возрастает. Переход из «закрытого» в «открытое» состояния занимает меньше 1 наносекунды (в отличие от разрядников с искровыми промежутками, у которых это время равняется нескольким микросекундам). Кроме быстроты срабатывания ОПН обладает еще рядом преимуществ. Одним из них является стабильность характеристики варисторов после неоднократного срабатывания вплоть до окончания указанного времени эксплуатации, что, кроме прочего, устраняет необходимость в эксплуатационном обслуживании.