ВАСИЛЬЕВА В.Я.

МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ

ЭЛЕТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Конспект лекций по курсу

«Электромагнитная совместимость в электроэнергетике», ч.5

Чебоксары 2008

5. Мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости

При обеспечении ЭМС, особенно на энергетических объектах, требуется выполнение ряда мероприятий для ослабления помех. Наиболее часто для этой цели применяются пассивные помехоподавляющие устройства в виде фильтров, ограничителей напряжения, разделительных элементов и экранов. Они могут быть установлены непосредственно у чувствительного элемента или около источника помех (рис. 5.1.).

Рис 5.1. Взаимные расположения источника помех Г, приемника П и защитного устройства З:

а – защита отсутствует; б – защита приемника; в – подавление помех

у источника

Не менее важны общие правила монтажа оборудования и линий связи, способы и качество заземления оборудования и экранов линий связи.

Для характеристики защитного воздействия средств защиты от помех служит понятие «помехоподавление». Им характеризуют, например, логарифм отношения напряжений на входе и выходе фильтра (коэффициент затухания ) или напряженности магнитного поля в точках пространства перед экраном и за ним (коэффициент экранирования ):

(5.1)

0. Помехоподавляющие фильтры

Фильтры предназначены для пропускания полезного сигнала и подавления помех в цепях питания и связи. Качество фильтра оценивают, прежде всего, по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) или ее основным элементам: частоте и крутизне среза, коэффициенту пропускания в полосе прозрачности. По виду АЧХ различают голосовые (ПФ), режекторные (РФ), фильтры нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот (рис.5.2).

ФНЧ

ПФ

РФ

ФВЧ

f

f

f

f

Рис 5.2. Амплитудно-частотные характеристики фильтров

Частота среза определяется на некотором уровне, например, 0,9 от максимального значения коэффициента пропускания. Крутизну среза определяют в децибелах при двойном отклонении от частоты среза (0,5 для ФВЧ и 2 для ФНЧ), которое называют октавой. Например, ФНЧ, имеющий = 1000 Гц и крутизну среза дБ/октава на частоте 500 Гц имеет коэффициент пропускания, в 10 раз меньше, чем на частоте 2000 Гц. Для полосовых фильтров задают верхнюю и нижнюю частоты среза, для режекторных – центральную частоту .

Все фильтры по исполнению делятся на две большие группы: пассивные и активные. Пассивные собираются из пассивных элементов – резисторов, конденсаторов и дросселей (катушек индуктивности). В активных фильтрах наряду с упомянутыми элементами используются также полупроводниковые приборы, микросхемы и схемы их питания. Активные фильтры в свою очередь делятся на аналоговые и цифровые. Достоинством активных фильтров по сравнению с пассивными является большая крутизна среза и больший коэффициент пропускания в полосе прозрачности, высокое входное и низкое выходное сопротивления. Во вторичных цепях подстанционного оборудования для защиты от помех в сети используют ФНЧ (см. табл. 5.1) и ПФ, в каналах телемеханики и связи чаще встречаются ПФ (заградительные фильтры на шинах и настроенные узкополосные фильтры присоединения к конденсаторам связи, входные фильтры в приемниках).

Принято составляющие элементы фильтров (емкости и индуктивности), как и сами фильтры, называть помехоподавляющими или защитными. Применение в качестве фильтра только одной емкости или индуктивности имеет смысл лишь в некоторых случаях. Блокировка сети электропитания емкостью эффективна тогда, когда внутреннее сопротивление источника помех и сети велико. Защита с помощью индуктивности может иметь место в противном случае, когда внутреннее сопротивление источника помех и сети велико. Защита с помощью индуктивности может иметь место в противном случае, когда внутреннее сопротивление источника помех и сети мало. Г-образный фильтр с емкостным входом применяется, когда внутреннее сопротивление источника помех велико, а сопротивление сети мало. Г-образный фильтр с индуктивным входом целесообразно использовать в обратных ситуациях. Наибольшее распространение для фильтрации цепей получили П-образные индуктивно-емкостные фильтры, поскольку они при прочих равных показателях оказываются менее сложными по конструкции и обеспечивают достаточно высокое затухание помех.

Помехоподавляющие конденсаторы. Полное сопротивление конденсатора в широком диапазоне частот определяется не только емкостью, но и индуктивностью его выходных проводников. Эквивалентная схема конденсатора может быть представлена в виде последовательного контура L-R-C – контура. Таким образом, каждый конденсатор имеет определенную резонансную частоту, выше которой его полное сопротивление определяется уже не емкостью, а его собственной индуктивностью. Для расширения диапазона частот, в котором полное сопротивление конденсатора не превышало бы определенной величины, необходимо уменьшить собственную индуктивность конденсатора. Кроме того, к конденсаторам, в зависимости от условий их работы, предъявляются требования в отношении влагостойкости, теплостойкости, электрической и механической прочности и т. д. Промышленностью выпускаются специальные помехоподавляющие конденсаторы типа КЗ. Эти конденсаторы имеют собственную индуктивность меньше

Гн. Однако в ряде случаев ввиду недостаточно ши-

Основные типы фильтров нижних частот и оценки вносимого затухания

Эквивалентная схема фильтра	Вносимое подавление помех
Zi En Zc Zx	Емкостный фильтр при Zi << Zx Bc ≈ Zi/Zc
Zx Zi En ZL	Индуктивный фильтр при Zx << Zi
ZL Zx Zc Zi En	Г-образный CL-фильтр при Zi << Zx
ZL Zi En Zc Zx	Г-образный LC-фильтр при Zх << Zi
Zc Zc ZL Zi En Zx	П-образный CL-фильтр при Zх << Zi
Zi En Zc ZL ZL Zx	Т-образный LC-фильтр при Zi << Zx

рокой номенклатуры конденсаторов типа КЗ, а также из-за ограничений по весу и габаритам приходиться применять обычные конденсаторы. Из них для фильтрации помехонесущих сетей рекомендуется применять конденсаторы типов КСО и КБГ и др. Если обычные конденсаторы применяются с целью включения в цепи переменного тока, то необходимо учитывать, что их номинальное рабочее напряжение указано только для постоянного тока. Применение конденсаторов типа КЗ и обычных конденсаторов ограничено частотами 10…20 МГц. При более высоких частотах их использование, как правило, малоэффективно. Для подавления помех в области частот выше 10…20 МГц рекомендуется применять проходные конденсаторы. Эти конденсаторы (типа, например, КБП) имеют ряд особенностей, на которых следует остановиться подробнее.

Проходной конденсатор по конструкции существенно отличается от обычного. Токонесущий стержень проходит сквозь корпус конденсатора и изолируется от него при помощи фарфоровых или стеклянных изоляторов. Один торец секции припаян к токонесущему стержню, а другой по всему периметру – к корпусу, который и является одним из выводов конденсатора. Для характеристики проходного конденсатора вводится параметр, равный отношению выходного напряжения (при отсутствии нагрузки на выходе) к входному току и, следовательно, имеющий размерность сопротивления. Проходной конденсатор размещают так, чтобы входная и выходная цепи были эффективно экранированы, он должен устанавливаться на плоскости экрана, разделяющего входную и выходную цепи (рис.5.3).

правильно

неправильно

Рис. 5.3. Примеры установки проходного конденсатора

Высокие помехоподавляющие свойства проходного конденсатора в области частот выше рабочей могут быть достигнуты только при правильном его креплении, т. е. при линейном или многоточечном контакте его корпуса с экраном по всему периметру корпуса. Для крепления к экрану на корпусе проходного конденсатора имеется фланец, резьба или скоба. Проходные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного или переменного тока промышленной частоты. Конденсаторы с креплением на резьбе выпускаются на рабочий ток до 10 А и номинальные напряжения постоянного тока 126, 250 и 500 В, что соответствует 50,127 и 220 В переменного тока, номинальные емкости их 0,022…0,1 мкФ. Конденсаторы с креплением фланцем и скобой выпускаются на номинальные напряжения 125…1600 В постоянного тока, что соответствует 50…500 в переменного тока, на рабочий ток 20, 40 и 70 А и емкостью 0,022…2,0 мкФ. В зависимости от номинального напряжения и емкости корпус конденсаторов КБП имеет диаметр 14…40 мм и длину 55…126 мм.

Помехоподавляющие дроссели могут использоваться как в качестве самостоятельных устройств фильтрации, так и в виде составных частей фильтра. Они устанавливаются непосредственно на источнике помех или вблизи него и в фильтрах нижних частот включаются последовательно в провод, по которому распространяются помехи. Качеством дросселя в значительной степени определяются достоинства фильтра. Характерной особенностью работы дросселей в защитных фильтрах является то, что они должны обладать достаточно большим сопротивлением в широком диапазоне частот. Однако для выполнения этого требования на низких частотах необходимо делать катушки со значительной индуктивностью и большим числом витков, в результате чего возрастает собственная емкость катушек, уменьшая их сопротивление на высоких частотах. Применение в катушках секционированных обмоток снижает их собственную емкость, но уменьшает и индуктивность. Таким образом, следует искать компромиссное решение. Во избежание потерь надо стремиться к тому, чтобы активное сопротивление катушки было минимальным. При конструировании дросселей для фильтров следует стремиться к сокращению габаритов катушки, к обеспечению большей поверхности охлаждения для ограничения нагрева, к уменьшению расхода цветных материалов. В некоторых случаях осуществляется экранирование дросселей. Обычно собственная частота дросселя подбирается равной средней частоте защищаемого диапазона. При этом удается добиться того, что значение полного сопротивления дросселя не выходит за пределы допустимого значения. Чтобы частотная характеристика фильтра была по возможности равномерной в требуемом диапазоне частот, не следует применять больших индуктивностей. Как правило, индуктивность дросселей не должна превышать 500 мкГн, при этом их конструкцию оформляют таким образом, чтобы собственная емкость не превышала 100 пФ. В качестве помехоподавляющих дросселей могут применяться любые катушки, имеющие необходимые частотные характеристики полного сопротивления. Дроссель может быть как с ферромагнитным сердечником, так и без него. В качестве материала для сердечника рекомендуется сталь ВЧ-2, магнитная проницаемость которой сохраняет значительную величину и в области высоких частот. Для обеспечения высокой проницаемости на высоких частотах при небольших протекающих по дросселю токах рекомендуется в качестве сердечника использовать ферриты, которые позволяют значительно уменьшить число витков и габариты дросселя.

Эффективность фильтров существенно зависит от их конструкции и от монтажа элементов. При конструировании фильтра и монтаже помехоподавляющих элементов необходимо учитывать следующие рекомендации.

• Фильтр необходимо экранировать (это требование не является обязательным для емкостных фильтров, выполненных на обычных конденсаторах). Обычно экраном для фильтра служит его корпус.

• Входные и выходные провода должны вводиться в корпус фильтра с противоположных сторон, а вне корпуса проходить как можно дальше друг от друга. Если у входных или выходных проводов имеется экранирующая оплетка, то она должна иметь надежный контакт с корпусом фильтра по всему периметру отверстия для ввода провода (контакт лучше всего осуществлять пайкой).

• Большое внимание нужно уделять экранированию входных и выходных цепей фильтра, включая входной и выходной конденсаторы, особенно если эти конденсаторы являются проходными и расположены на входе и выходе многозвенного высокоэффективного фильтра. Экранирование друг от друга средних звеньев в многозвенном фильтре цепи электропитания не обязательно.

• Избегать расположения элементов фильтра на съемных частях его корпуса.

• Размещать проходной конденсатор следует так, как это описано выше.

• Обычные конденсаторы и защитные типа КЗ рекомендуется монтировать так называемым проходным способом, т.е. присоединять помехонесущий провод непосредственно к выводу конденсатора. Если корпус конденсатора служит одним из его выводов, то крепление корпуса конденсатора на шасси или на корпусе фильтра должно обеспечивать надежный контакт. Для этого корпус или шасси фильтра в месте крепления корпуса конденсатора должны иметь луженую или оцинкованную поверхность. Если один из выводов конденсатора должен быть соединен с шасси или корпусом фильтра, то это соединение должно быть выполнено возможно более коротким проводом (не длиннее 10…15 мм).Провод лучше всего припаивать к шасси. При невозможности соединения вывода конденсатора с корпусом фильтра столь коротким проводом это соединение рекомендуется осуществлять с помощью шин.

• Нельзя использовать выводы конденсатора для его механического крепления.

• Конденсаторы, которые при отключении аппаратуры от сети питания могут остаться заряженными, должны иметь разрядные сопротивления, через которые конденсаторы должны разрядиться не позднее, чем через 10 с после выключения аппаратуры.

• В случае применения неэкранированных дросселей необходимо правильно располагать их относительно конденсаторов и подключенных к ним проводов.

Для подавления помех в диапазонах УВЧ и СВЧ обычно применяют ненастраиваемые ФНЧ. По конструкции защитные фильтры СВЧ обычно коаксиальные, а по принципу действия – поглощающие. Важное место в проектировании таких фильтров занимает выбор поглощающего материала и расстояний между его частицами в спрессованном виде, так как для этих целей в большинстве случаев используются порошковые магнитные сплавы, состоящие из металлических частиц, покрытых оксидной или фосфатной пленкой. Частицы распределены в связующем веществе типа эпоксидной смолы. Изменяя расстояние между частицами, можно изменять распределение вихревых токов, а следовательно, и затухание фильтра. Выбор параметров конденсаторов и дросселей, применяемых как в качестве элементов фильтра, так и элементов помехоподавления, производится на основании расчета фильтра. Однако произвести точно этот расчет в подавляющем большинстве случаев затруднительно, так как необходимые для расчета параметры эквивалентной схемы могут быть неизвестны. Поэтому окончательный выбор параметров дросселей и конденсаторов рекомендуется производить после экспериментальной проверки при нормальном функционировании измерительной аппаратуры и системы экранирования.