Кондуктивные электромагнитные помехи в системах электроснабжения. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.Я. ОЛЬХОВСКИЙ, Т.В. МЯТЕЖ

КОНДУКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОМЕХИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2018

1

УДК 621.311.015.78:658.26(075.8) О-567

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент Б.Н. Мошкин, канд. техн. наук, доцент М.А. Купарев

Ольховский В.Я.

О-567 Кондуктивные электромагнитные помехи в системах электроснабжения: учебное пособие / В.Я. Ольховский, Т.В. Мятеж. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 43 с.

ISBN 978-5-7782-3473-4

Из большого круга вопросов общей проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) в технике в настоящем учебном пособии рассмотрена лишь та часть, которая относится к электромагнитному взаимодействию системы «Сеть электропитания–электроприемник». Предлагаемый курс «Электромагнитная совместимость в системах электроснабжения» (ЭМС в СЭС) построен на основе ГОСТ 13244–2013 [3] и предназначен для студентов направления 13.04.02 – Электроэнергетика и электротехника. Своим содержанием и логикой построения этот курс связан с профилирующими дисциплинами специальности 13.04.02, в особенности с курсом «Электроснабжение предприятий».

2

изделие не влияет негативно на внешнюю среду. Мешающими называют такие влияния, которые вызывают нарушение нормальной работы технического изделия.

Для обеспечения общей совместимости с внешней средой технические изделия (в частности электроприемники) должны удовлетворять многим требованиям: виду климатического исполнения, классу защиты, безопасности работы (включая электробезопасность), а также пожаро- и взрывобезопасности. Соблюдение этих и многих других требований при проектировании, изготовлении, хранении, транспортировке и эксплуатации технических изделий обеспечивает их совместимость с внешней средой.

ЭМС – это часть общей совместимости, ограниченной факторами, имеющими электромагнитную природу (выделено пунктиром на рисунке). Проблему ЭМС можно структурно разделить на три составляющие части.

Первая определяется электромагнитным взаимодействием ЭП с сетью электропитания и является предметом изучения для специали- стов-электроснабженцев.

Вторая связана с внешними электромагнитными полями, которые могут вызвать наводки в элементах ЭП, оказывающие на его работу мешающее воздействие. Эта часть составляет основу проблемы ЭМС радиоэлектронной аппаратуры.

Третья – ЭМС средств связи, телекоммуникаций и автоматики. Предлагаемое учебное пособие посвящено первой части – ЭМС в

системах электроснабжения, где объектом изучения становится взаимодействие системы «сеть электропитания–электроприемник».

Исторически в решении проблем ЭМС в СЭС в России можно выделить три этапа.

Первый – до середины 1970-х годов, когда началось массовое применение в производстве и в быту так называемых цифровых технических средств (ЦТС). На этом этапе ЭМС для традиционных в то время ЭП (электродвигатели, электротехнологические и осветительные установки и др.) обеспечивалась соблюдением требований государственного стандарта на качество электроэнергии 1967 г. [1]. В этом стандарте устанавливался перечень показателей качества электроэнергии (ПКЭ) и нормировались их максимально допустимые значения для различных ЭП. ПКЭ включали: отклонения частоты, отклонения и колебания

5

напряжения, а также показатели несинусоидальности и несимметрии напряжения.

Второй этап начался с массового внедрения ЦТС (компьютеров, цифровых устройств автоматики, телекоммуникации и др.) и характеризуется усилением работ по обеспечению их помехоустойчивости. Основная особенность ЦТС по сравнению с традиционными электроприемниками заключается в чрезвычайно малом уровне сигналов (напряжение, ток, длительность), используемых в их логических цепях, следовательно, в возможности сбоев в работе, вызванных кратковременными возмущениями в питающем напряжении. Если не принимать специальных мер, то обеспечить невосприимчивость ЦТС к кратковременным возмущениям, которые определяются как помехи по электропитанию (ПЭ), невозможно. Таким образом, изучение ПЭ как быстропротекающих электромагнитных возмущений в сетях электропитания, которые могут вызвать сбой в работе ЦТС, началось примерно с середины 1970-х годов [2] и в настоящее время сформировалось в актуальную инженерную дисциплину.

Третий этап начался примерно с середины 1980-х годов, когда были решены основные проблемы ЭМС. При этом в соответствии со стандартами МЭК показатели качества электроэнергии (ПКЭ) и помехи из сети электропитания (ПЭ) были объединены общим термином «кондуктивные электромагнитные помехи» (КЭМП) [3].

Действующим государственным стандартом [5] устанавливаются следующие ПКЭ или КЭМП.

Основные события:

1)отклонения частоты;

2)медленные изменения напряжения;

3)колебания напряжения и фликер;

4)несинусоидальность напряжения;

5)несимметрия напряжения в трехфазных системах;

6)напряжения сигналов, передаваемых по электрическим сетям.

Случайные события:

7)прерывания напряжения;

8)провалы напряжения и перенапряжения;

9)импульсные перенапряжения.

6

Для первых пяти КЭМП государственным стандартом [3] устанавливаются их допустимые параметры. Для пятой не содержится в стандарте никаких сведений, так как сигналы, передаваемые по силовым сетям, вырабатываются специальными устройствами для передачи информации по сетям 380/220 В. Для трех последних, имеющих редкий и случайный характер, допустимые параметры не устанавливаются, а приводятся лишь их статистические характеристики, полученные путем обследования действующих СЭС.

Установлены два вида допустимых значений ПКЭ: нормально допустимые (с интегральной вероятностью 0,95) и предельно допустимые. Это означает, что на длительных интервалах наблюдения, например 24 часа, в течение 0,95 × 24 = 22,8 ч ПКЭ не должны превышать нормально допустимых значений. В остальное время 0,05 × 24 = 1,2 ч эти ПКЭ могут превышать нормально допустимые, но не должны превышать предельно допустимых значений.

7

через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд. Физически это означает, что требуемая энергия не поступает к нагрузке в течение этого времени. Последствия этого могут быть весьма серьезными, в зависимости от конкретных особенностей электроприемников.

К параметрам провалов напряжения относятся длительность tп , величина остаточного напряжения Uп , выражаемая в процентах от номинального, и частота появления провалов напряжения (рис. 2.1).

tп tк tн

Рис. 2.1. Параметры провалов напряжения:

Uном – номинальное напряжение, В; Umin – минимальное из всех измеренных среднеквадратичных значений напряжения, В; tк , tн – начальный и конечный моменты времени провала напряжения, с; m(δUп tп) – число

провалов напряжения глубиной Uп и длительностью tп за период времени Т; М – общее число наблюдений

Основные причины возникновения провалов напряжения в электрических сетях показаны на рис. 2.2. Из наиболее распространенных причин провалов напряжения можно назвать замыкания на воздушных

9

линиях сетей напряжением 110 кВ и выше. Провалы при этом отличаются достаточно большим числом затрагиваемых потребителей и низким уровнем остаточного напряжения. Оценить степень их влияния на потребителей можно, зная их глубину и длительность, а также степень чувствительности потребителей.

Рис. 2.2. Причины возникновения провалов напряжения

В случае возникновения многофазных коротких замыканий глубина провалов напряжения оказывается значительно больше. Из этого следует, что поведение высоковольтных электродвигателей, которые чувствительны к провалам напряжения, зависит от настройки защит в сети 110 кВ. Если защиты выполнены с условием, что снижение

напряжения на шинах источника питания ниже 0,65Uном , отключают-

ся без выдержки времени, то при этом длительность провала напряжения составляет 0,20…0,25 с. Это не сказывается на работе высоковольтных синхронных и асинхронных электродвигателей. Защита минимального напряжения высоковольтных электродвигателей выполняется с выдержкой времени не менее 0,5 с, в связи с этим она сработать не успевает. Если же защита линий 110 кВ не обладает необходимым быстродействием при глубоких провалах напряжения, то синхронные электродвигатели, как правило, выходят из синхронизма, а асинхронные двигатели могут просто отключиться, что влечет остановку или сбой в технологическом процессе производства.

10