Кондуктивные электромагнитные помехи в системах электроснабжения. Учебное пособие

Вентильные преобразователи коммутируются по 6- или 12-фазным схемам (реальным или условным). Индуктивностью короткого замы-

кания LКЗ учитываются как энергосистема, так и высоковольтные дви-

гатели, если они имеются на подстанции.

Анализ переходного процесса в приведенной схеме позволяет заключить, что при включении первого ФКУ максимальные значения перенапряжений на конденсаторах и реакторах не превосходят удвоенной амплитуды номинального напряжения сети. Максимальный ток через ФКУ в переходном процессе превосходит амплитуду номинального тока конденсатора в число раз, несколько большее, чем номер гармоники, на которую настроено ФКУ.

При включении второго фильтрокомпенсирующего устройства кратности перенапряжений на его индуктивности и емкости в переходном режиме также практически не превосходят удвоенной амплитуды номинального напряжения сети, кратности броска тока переходного процесса по сравнению с номинальным током конденсатора несколько больше номера гармоники, на которую это ФКУ настроено.

Переходные процессы в фильтрокомпенсирующем устройстве при резких колебаниях напряжения в сети приводят к возникновению довольно значительных переходных токов в фильтрах. Кратковременная перегрузка ФКУ по току может составить 50…75 %. Напряжение на конденсаторах достигает значения напряжения питающей энергосистемы, что на 5…10 % выше напряжения на шинах. Если запас по напряжению конденсаторов фильтрокомпенсирующего устройства невелик, систематические повышения напряжения на конденсаторах могут привести к их повреждению. В связи с этим с точки зрения надежности работы ФКУ колебания напряжения желательно ограничивать на уровне ± 3 %.

Длительность протекания переходных процессов в сети с ФКУ не более 0,1 с. Интервал между толчками нагрузки, как правило, превосходит 0,1 с. Поэтому можно считать, что любое возмущение действует на систему электроснабжения при установившемся состоянии системы.

Феррорезонансные перенапряжения. Большая энергоемкость ме-

таллургических, машиностроительных и других предприятий обусловливает наличие в системах электроснабжения этих предприятий значительного числа трансформаторных подстанций, кабельных линий, токопроводов и различных электроприемников. Сложность технологического процесса требует постоянного изменения конфигурации сети, ее параметров. В этих условиях нередки случаи ложных замыканий на

21

землю, выхода из строя трансформаторов и кабельных линий по причине возникновения феррорезонансных явлений. Феррорезонансные явления в сетях 6…10 кВ систем электроснабжения сопровождаются перекрытиями изоляции на их вводах, пробоями изоляции трансформаторов, кабелей и другого оборудования. Наиболее часто подвержены повреждениям трансформаторы напряжения. Нередко смещения нейтрали, сопровождающие феррорезонансные явления в сетях с изолированной нейтралью, приводят к ложной сигнализации на землю и к неоправданному обесточиванию потребителей.

Феррорезонанс – это колебательный процесс, вызываемый взаимодействием емкостного сопротивления с нелинейным индуктивным сопротивлением.

В системах электроснабжения этими элементами служат емкость сети и нелинейная индуктивность трансформатора. Все остальные элементы сети, а также ее активное сопротивление не оказывают значительного влияния на рассматриваемый процесс.

В наибольшей мере отрицательные последствия провалов напряжения сказываются на установках автоматики, телекоммуникаций, релейной защиты; их принято называть помехочувствительными элементами (ПЧЭ); срабатывание ПЧЭ под воздействием ЭМП в ряде случаев приводит к остановке технологического процесса; как правило, допустимое время перерывов ЭС для промышленных потребителей находится в пределах 0,1…0,3 с.

Влияние на электродвигатели многофазных КЗ. Выше было рас-

смотрено влияние на электрооборудование однофазных КЗ, наиболее часто происходящих в сети 110 кВ. О влиянии многофазных КЗ (двух-

22

фазных, трехфазных) на землю можно сказать следующее. При возникновении этих видов КЗ глубина провалов напряжения оказывается значительно больше и поведение высоковольтных электродвигателей во многом зависит от настройки защит в сети 110 кВ. Если защиты линий 110 кВ выполнены в соответствии с указаниями п. 3.2.108 ПУЭ, т. е. все повреждения, сопровождающиеся снижением напряжения на

шинах источника питания ниже 0,65Uном , отключаются без выдержки

времени (при этом длительность провала напряжения составляет 0,20…0,25 с), то высоковольтные синхронные и асинхронные электродвигатели, как правило, остаются в работе. Это связано с тем, что защита минимального напряжения высоковольтных электродвигателей выполняется с выдержкой времени не менее 0,5 с и поэтому 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 и для их ресинхронизации необходимо принимать специальные меры. Что касается низковольтных асинхронных электродвигателей, то при глубоких многофазных провалах напряжения независимо от их продолжительности контакторы и пускатели успевают отпадать и электродвигатели отключаются.

Ущерб от внезапных провалов напряжения возникает не только на производствах с непрерывными технологическими процессами. Так, при некоторых операциях по обработке металла в случае внезапного прекращения подачи электроэнергии может поломаться дорогой металлообрабатывающий инструмент (например, резцы), если не предусмотреть их автоматического отвода от обрабатываемой детали.

3. ИМПУЛЬСЫ НАПРЯЖЕНИЯ

3.1.ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И НОРМЫ

Итак, во всех электрических сетях всегда присутствуют перенапряжения, вызванные различными причинами. Эти перенапряжения вызывают два вида негативного воздействия на электрооборудование. Первое – при повреждении изоляции, второе – при проникновении через паразитные емкости в логические цепи ЦТС или за счет электромагнитных наводок в проводниках, сбой в работе, в особенности ЦТС.

23

Сети 380/220 В существенно «засорены» импульсами напряжения, которые образуются при коммутации защитнокоммутационных аппаратов (различные электромагнитные аппараты, контакторы, реле и др.). На рис. 3.1 показана осциллограмма импульса напряжения на зажимах контактора типа ПМЕ, возникающего при его отключении. Так как частота напряжения, образующего этот импульс, составляет примерно 0,5…20 МГц, то этот импульс, распространяясь по элементам сети 380/220 В, быстро затухает за счет естественной емкости и индуктивности этих элементов.

Рис. 3.1. Осциллограмма напряжения на зажимах контактора ПМЕ при его отключении

На этом рисунке при отключении питания катушки имеется коммутационное перенапряжение, имеющее вид затухающих колебаний. Максимальное значение перенапряжения достигает величины сотен вольт. Конкретный вид и параметры импульса напряжения зависят от многих факторов: времени разрыва тока в катушке контактора (определяет величину разрываемого тока), характеристик среза тока в катушке контактора, сопротивления элементов схемы электрической сети и др. Максимальное значение импульсных перенапряжений возникает при отключении наибольших токов КЗ аппаратами, обладающими

24

токоограничивающими способностями, например, плавкими предохранителями (ППР). Импульсное перенапряжение возникает в этом случае за счет отключения тока КЗ в индуктивности сети и достигает величины 2,5…5 кВ, что является опасным для ЦТС.

На рис. 3.2, а показаны полуволны мгновенных значений напряжения сети, на которой имеется импульс напряжения (перенапряжения), а на рис. 3.2, б – идеализированный импульс и его характеристические показатели. Важной характеристикой эквивалентной ЭДС импульсной помехи является внутреннее сопротивление этой ЭДС.

Рис. 3.2. Параметры импульсного напряжения

Согласно ГОСТ 32144–2013 импульсным напряжением называется вызываемое изменение напряжения, после которого напряжение возвращается к начальному значению либо приближается к нему в течение нескольких микросекунд. Различают грозовые и коммутационные импульсы напряжения. Импульс напряжения характеризуют следующие значения:

1)импульсное напряжение Uимп ;

2)амплитуда импульса Uимп.а ;

3)длительность импульса tимп;

25

4) продолжительность мгновенного значения импульсного напря-

жения Ui 0,5Uимп.а ( ti0,5 ) .

Для определения длительности импульса напряжения по уровню 0,5 его амплитуды tимп 0,5 из кривой напряжения выделяют импульс

напряжения с амплитудой Uимп.а (рис. 3.2, б). Начальный 0,5tн и конечный 0,5tк моменты времени соответствуют пересечению кривой

импульса напряжения горизонтальной линией, проведенной на половине амплитуды импульса 0,5Uимп.а .

Длительность tимп 0,5 определяется по выражению tимп 0,5

tк 0,5 – tн 0,5 .

Коммутационные импульсные напряжения возникают в электрических сетях более часто, и причиной их появления становится быстрый разрыв тока, например в индуктивности втягивающей катушки контактора (рис. 3.3). При включенном ключе К через индуктивность L протекает ток i, который можно считать постоянным, поскольку время рассматривается в микросекундах, а длительность полупериода промышленной частоты составляет 10 мс. Емкость С – естественная емкость между проводами или специально подключенная. При размыкании ключа К ток в цепи обрывается и на индуктивности L возникает

ЭДС самоиндукции: e ddt . Заряжается емкость С в соответствии с

Данный импульс имеет вид, показанный на рис. 3.3, и характеризуется следующими параметрами:

Uимп.а Um − амплитуда импульса, кВ;

tимп0,5 − длительность импульса по уровню 0,5 его амплитуды,

мкс; ф − длительность переднего фронта, мкс.

26

Рис. 3.3. Коммутационный импульс напряжения

Чем больше индуктивность элемента сети или электрооборудования, в котором отключается ток, тем больше амплитуда импульса напряжения. Чем больше емкость С, тем эта амплитуда меньше.

Импульсы напряжения, поступающие из электрической сети на зажимы электроприемников, могут вызвать их повреждение или сбой в работе. Чем меньше длительность переднего фронта импульса напряжения, тем выше его проникающая способность во внутренние цепи электроприемников. Наибольшую опасность коммутационные импульсные напряжения представляют для различной электронной аппаратуры, особенно для цифровых технических систем (ЦТС), которые без специальной защиты от импульсных помех из электрической сети не смогут работать длительное время без сбоев. Основные пути защиты от импульсов напряжений: использование устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), фильтров помех, экранирование электрической проводки и корректное выполнение заземлений.

3.2.ПУТИ ПРОНИКНОВЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ

ВЛОГИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ЦТС

Пути проникновения импульсных помех из сети электропитания в логические цепи ЦТС характеризуются паразитными емкостями и электромагнитными наводками в проводниках, из которых состоят логические цепи ЦТС.

Рассмотрим некоторые из этих возможных путей на примере идеализированной конструкции ЦТС, выполненного в виде одного ящика

27

Электропитание данного ЦТС производится по однофазной линии 220 В, имеющей фазу (L) и нулевой провод (N). Импульсные помехи

имеют два вида (рис. 3.4). Первый – симметричные (e1) , второй – несимметричные (e2 ) . Симметричными являются помехи, эквивалент-

ная схема замещения которых в виде эквивалентной ЭДС подключена между фазой и нулем питающей линии. Эта помеха не представляет какой-либо опасности для ЦТС, так как она замыкается на эквивалентную емкость, имеющуюся между проводами L и N и не может попасть в логические цепи ЦТС.

Сложнее обстоят дела с несимметричными помехами, которые протекают по контуру, образованному эквивалентной ЭДС помехи параллельно включенными проводами электропитания – проводящим корпусом ЦТС. Паразитные емкости, существующие между элемента-

ми логических цепей и деталями корпуса, обозначим Cп – физическая

28

земля, эквивалентная ЭДС. В реальных установках эти пути могут быть намного сложнее и запутаннее. На рис. 3.4 пути проникновения импульсных помех из сети электропитания в логические цепи ЦТС показаны пунктирными линиями. Следует отметить наличие паразитных емкостей между проводами электропитания и деталями корпуса ЦТС, а также наличие естественной емкости между первичной и вторичной обмоткой сетевого трансформатора и многих других элементов.

Нулевые проводники и земля в ЦТС. Применительно к конструк-

тивному выполнению ЦТС различают два вида земель. Первый – это действительная земля, например в сетях с глухозаземленной нейтралью, второй – система проводящих поверхностей и электрических соединений, имеющая конкретное физическое исполнение и конкретное функциональное назначение. Второй вид земель выполняется всегда искусственно, и их можно разделить на четыре основные группы.

1.Защитная земля – цепи так называемого зануления. Потенциал этой системы проводников далеко не всегда равен потенциалу «физической» земли.

2.Проводящая система, по отношению к которой производится отсчет напряжения сигналов. Потенциал этой системы принимается равным нулю. Такие системы иногда называют «базовыми».

3.Электрические соединения, предназначенные для образования путей протекания обратных токов (питающих и сигнальных). Пример – «общая шина» вторичного питания или нулевой провод (нейтраль) первичного. Эту землю называют «возвратной».

4.Экранирующие системы.

Перечисленные виды земель редко выполняются обособленно. Обычно совмещены базовая и возвратная системы, а также экранирующая и защитная.

Совмещение земель влечет за собой ухудшение их свойств. Например, совмещение базовой и возвратной ухудшает ее эквипотенциальность за счет падения напряжения на возвратных проводниках от рабочих токов, что снижает помехозащищенность.

3.3. СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ЦТС ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ

Основной мерой защиты ЦТС от импульсных помех служит использование фильтров помех, которые можно разделить на два вида: активные и пассивные. Наиболее распространены пассивные фильтры, как наиболее простые по конструкции и экономичные. Пассивные

29

фильтры представляют собой совокупность емкостей, индуктивностей и резисторов, соединенных определенным порядком с целью уменьшения токов помех, проникающих в логические цепи ЦТС по рассмотренным выше путям. Пассивные фильтры помех подразделяются на три вида.

Г-образные фильтры. Работа таких фильтров состоит в следующем. Импульс напряжения вызывает протекание импульсного тока по контуру эквивалентная ЭДС помехи–внутреннее сопротивление ЭДС–емкость, входящая в конструкцию фильтра–земля. Падение напряжения от тока помехи состоит из двух частей: первая – падение напряжения в элементах питающей сети, вторая – падение напряжения на емкости фильтра. Чем больше емкость фильтра или чем больше емкостное внутреннее сопротивление эквивалентной ЭДС помехи, тем меньше величина импульсного напряжения на входе в фильтр. Падение напряжения на емкости фильтра вызывает ток через индуктивность фильтра и через нагрузку. При этом индуктивность фильтра, имеющая большое сопротивление на частоте помехи, значительно уменьшает ток помехи, протекающей с выхода фильтра в нагрузку. Таким образом дважды происходит уменьшение тока помехи, который может проникнуть в логические цепи ЦТС. Г-образные фильтры могут иметь два варианта: с емкостью на входе и с емкостью на выходе.

Т-образные фильтры (рис. 3.5). В этих фильтрах уменьшение тока помехи происходит дважды: за счет двух индуктивностей, включенных в цепь тока помех, и за счет «закорачивания» тока помехи на емкость фильтра, имеющую малое сопротивление на частоте тока помехи.

Рис. 3.5. Виды фильтров помех

30