7.2. Основные мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости в энергетических установках и устройствах автоматизации

В энергетических установках и устройствах автоматизации необходимо обеспечивать достаточную электромагнитную совместимость, т. е. путем реализации соответствующих мероприятий гарантировать, что при эксплуатацию установок и устройств не потребуются дорогостоящие дополнительные работы по их совершенствованию, а при дальнейшей эксплуатации не возникнут ограничения функционирования, выходы из строя, повреждения или опасные режимы, вызванные недостаточной электромагнитной совместимостью.

Р и с. 7.2. Основные мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости устройств автоматизации энергетических установок:

I₁,I₂,I₃ – классы 1,2,3 окружающей среды (из гл.3); la, 1б – системы питания технологического устройства и устройства автоматизации; 2 – соединительные провода; 3 – заземление; 4 – защита от молнии и от перенапряжений; 5 – высокочастотные и импульсные поля, созданные молнией, ядерными взрывами; 6 – разряды статического электричества; 7 – сильноточные выпрямители; 8 – электромаг­нитные приборы; АG – устройство автоматизации; LAN – локальная сеть; PAS – шина выравнивания потенциалов; USV – установка бесперебойного электроснабжения

Это обеспечивается:

– проектированием здания (его конструкции, расположении помещений, экранирование помещений и здания, кабельных трасс);

– целесообразным выбором и размещением измерительных, управляющих и регулирующих приборов, соединений между ними, а также коммуникационных элементов с учетом имеющихся в устройстве электроэнергетических элементов (коммутационных, трансформаторных, электротехнологических, подъ­емных механизмов, лифтов и т. д.);

– использованием промышленных элементов устройств автоматизации, показатели которых (помехоустойчивость, эмиссия помех) соответствуют ожидаемым параметрам окружающей среды, т.е. принятым классам электромагнитной обстановки (классам 1,2,3), в частности, как показано на рис. 7.2.

При этом должны быть выполнены технические мероприятия, направленные на обеспечение электромагнитной совмести­мости, в системах электропитания, при прокладке кабелей и заземления, молниезащиты, путем ограничении коммутационных перенапряжений, создания защиты от вызывающих помехи полей и от влияния разрядов статического электричества, а также направленные на подав­ление помех, создаваемых выпрямителями, электромагнит­ными устройствами и т.д.

7.3. Мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости в системах электропитания

При создании системы электропитания технологических установок или устройств автоматизации, удовлетворяющих требованиям электромагнитной совместимости, необходимо позаботиться о том, чтобы:

– не нарушалась работа устройств от приходящих из сети помех, вызванных переходными процессами, спадами и исчезновениями напряжения;

– ограничить воздействие установок с большой мощностью, таких, как дуговые печи, сварочные агрегаты, прессы, пилорамы и другие, с целью обеспечения допустимого качества напряжения сети [22, 23], а эмиссия высокочастотных помех не превышала допустимой;

– не нарушалась нормальная работа приборов автоматизации электроэнергетических промышленных установок как через систему электропитания, так и из-за влияния магнитного поля;

– не было взаимных помех электронных промышленных устройств через систему питания.

Необходимо иметь в виду, что электропитание силовых установок, осветительных устройств и устройств автоматизации осуществляется по-разному.

Для обеспечения электромагнитной совместимости электроэнергетических промышленных установок потребителей должны быть соблюдены определенные технические условия в точке присоединения их к сети, устанавливаемые производителем электроэнергии.

Для обеспечения электромагнитной совместимости в системах электроснабжения с электроприемниками, приводящих к помехам в питающей сети, целесообразно использовать, как показано на рис. 7.3, следующие мероприятия и технические устройства:

1) использование фильтров низких частот для снижения скорости изменения тока в подводящих проводах, например, при переключениях или коммутациях в выпрямителях (рис. 7.3,а);

2) введение дополнительных шунтирующих контуров, настроенных на высшие гармоники, вызванные нелинейными характеристиками промышленных установок, в частности выпрямителями (рис. 7.3,б);

3) использование маховиков (рис. 7.3,в) или статических тиристорных компенсирующих устройств (рис. 7.3,г) для сглаживания импульсной нагрузки, например, в прессах, пилорамах, точечных сварочных машинах;

4) симметрирование сети реактивными элементами при боль­шой однофазной нагрузке (рис. 7.3,д);

5) подключение мощных потребителей к сети более высокого напряжения (рис. 7.3,е).

Р и с. 7.3. Мероприятия по снижению воздействия на питающую сеть электроприемников с резкопеременной, несинусоидальной, несимметричной нагрузкой:

1 – шины среднего напряжения; 2 – шины низкого напряжения, 3 – пресс; 4 – устройство для точечной сварки; 5 – однофазная нагрузка; 6 – устройство большой мощности; а – фильтр низких частот; б – фильтры высших гармоник, настроенные на 5, 7, 11 и другие гармоники; в – маховики; г – статические тиристорные компенсирующие устройства (СТК); д – симметрирование сети; е – подключение нагрузки на более высокое напряжение

При обеспечении электропитанием устройств измерения, управления, регулирования и телеуправления необходимо учиты­вать следующие особенности:

– многие компоненты малой мощности требуют качественного напряжения питания, а часто и надежного питания;

– потребители могут иметь сетевые элементы с неуправляемыми выпрямителями и защитными конденсаторами большой емкости, а также сетевые коммутационные устройства, как правило, создающие кратковременные (до 10 мс) срезы напряжения при коротких замыканиях и нагружающие питающую сеть большими пусковыми токами при включениях и импульсными токами в стационарных режимах, что может создавать помехи другим потребителям из-за внутреннего сопротивления источника энергии.

Поэтому рекомендуется, размещенные в устройстве, аппараты автоматизации питать раздельно (см. рис. 7.2), не присоединяя к их системе питания другие потребители (осветительные ycтройства и розетки для электроинструмента). Помехи от других приборов, обусловленные их воздействием на сеть питания могут быть устранены подключением помехоподавляющих компонентов и соединением системы питания звездой.

Сеть низкого напряжения

Р и с. 7.4. Мероприятия и технические устройства по обеспечению электромагнитной совместимости устройств автоматизации с сетью питания:

а – сетевые фильтры; б – стабилизаторы напряжения; в – статические системы бесперебойного питания; г – динамические системы бесперебойно» питания; д – агрегаты резервного питания; е – агрегаты резервного питания повышенной готовности

Чтобы обеспечить электромагнитную совместимость устройств автоматизации и повысить надежность системы питания, используются, как показано на рис. 7.4, следующие технические средства:

1) Сетевые помехоподавляющие фильтры для сглаживания переходных напряжений (рис. 7.4,а). Современные приборы автоматизации, как правило, снабжены такими фильтрами;

2) Трансформаторы, стабилизаторы напряжения для выравнивания колебаний напряжения и подавления высших гармоник и переходных симметричных и несимметричных напряжений помех (рис. 7.4,б);

3) Системы бесперебойного питания для гальванической развязки системы питания устройств автоматики от сети, для обеспечения питания при длительных понижениях и исчезновениях напряжения сети, а также для обеспечения специфических требований к системе питания. При ­этом различают статическую и динамическую системы питания. Статическая система (рис. 7.4,в) состоит из выпрямителя, аккумулятора – накопителя энергии с инвертором и позволяет в зависимости от параметров сети и вида потребителя обеспечить питание продолжительностью от нескольких минут до многих часов. Динамическая система (рис. 7.4,г) имеет вращающийся умформер с маховиком – накопителем энергии и позволяет компенсировать перерывы питания в течение нескольких секунд;

4) При длительных перерывах могут использоваться агрегаты непрерывного питания (рис. 7.4,д), чаще всего дизель-генераторные, а в особо ответственных случаях при большой мощности – агрегаты повышенной готовности. Они состоят из вращающегося умформера с дизельным двигателем и запускаются автоматически при отключении сети за счет энергии маховика (рис. 7.4,е).

7.4. Обеспечению электромагнитной совместимости при прокладке кабелей связи

Имеющиеся в устройстве электронные и электрические, часто удаленные друг от друга, компоненты связаны с сетью проводами питания, а между собой – сигнальными проводами, линиями управления и передачи данных в соответствии с предназначением устройства. Особенность прокладки кабелей, удовлетворяющая требованиям обеспечения электромагнитной совместимости, должна:

• не вызывать нарушений нормальной работы, вызванных внешними помехами (токами молнии, замыканиями на землю, полями);

• предотвращать влияние силовых кабелей энергоемких по­требителей (приводов с выпрямителями, сварочных аппаратов и т.д.) на измерительные, регулирующие, управляющие уст­ройства через их систему питания, сигнальные провода, линии управления и передачи данных;

• исключать взаимные влияния сигнальных проводов, линий управления и передачи данных.

Исходя из этих требований по устранению влияния на линии, можно сформулировать следующие указания по прокладке кабелей в устрой­ствах:

1) Необходимо скручивание пары проводов (прямого и обрат­ного) для сигналов. Это означает, что нельзя при многих сиг­налах использовать общий обратный провод (жилу или экран кабеля, корпус). Тем самым симметрируются емкости связей параллельных линий и предотвращается образование проводящих контуров. Если кабель для измерений, регулирование и управления, состоящий из отдельных экранированных пар проводов, экраны которых с одной стороны связаны с системой опорного потенциала, имеет металлическую защитную оболочку, то она заземляется с двух сторон и может быть использована для защиты от воздействия молнии (рис. 7.5).

Р и с. 7.5. Кабель для передачи измерительных сигналов, сигналов управления и регулирования: 1 – медные гибкие жилы; 2 – изоляция хил; 3 – экранированные пары проводов со вспомогательными заземляющими проводами; 4 – пластмассовая лента; 5 – внешний экран (медная оплетка); 6 – поливинилхлоридная внешняя обо­лочка

При этом экран может отсутствовать, если входные и выходные элементы электронного устройства достаточно помехоустойчивы. Например, двойные линии датчиков и систем регулирования обычно не экранируются.

2) Линии передачи данных и сигналов следует размещать на возможно большем расстоянии (более 10 см) от токовых цепей, силовых кабелей и проводов, в которых в нормальных режимах могут возникать быстрые изменения тока или напряжения.

3) Там, где существуют сильные низкочастотные помехи, сигнальные провода и линии передачи данных следует прокладывать в ферромагнитных стальных трубах или шлангах, которые одновременно защищают провода и кабели от механических повреждений.

В пределах здания рекомендуется прокладывать кабели и провода в заземленных и закрываемых кабельных каналах, элементы которых надежно соединены электрически друг с другом. Каналы могут иметь несколько камер (например, три), в которых раздельно прокладываются несущие помехи и чувствительные к помехам кабели, например, в камере около стойки прокладываются силовые кабели 380 В, в средней камере – кабели управления 220 В, в крайней камере – сигнальные кабели.

4) Кабели, выходящие из здания и пересекающие некоторое закрытое пространство, должны иметь внешний экран, рассчитанный на пропускание сильного тока, или их следует прокладывать в трубчатых металлических каналах или в железобетонных каналах с электрически объединенными крышками.

5) Для предотвращения проникновения синфазных помех по проводам в сигнальный контур, необходимо выполнять разделение потенциалов при помощи электромагнитных, электромеханических или электрооптических устройств, которое осуществляется во входных и выходных цепях электронных промышленных устройств или в отдельных блоках.

6) Для снижения воздействия помех на передающие участки устройства осуществляется выбор большего по величине полезного сигнала при передаче с последующим его понижением до требуемого значения перед обработкой. При этом напряжение помехи снижается пропорционально уменьшению сигнала.

Абсолютно помехоустойчивы при электромагнитном воздействии световоды. Они обеспечивают разделение потенциалов датчика и приемника, повышенную безопасность работы во взрывоопасной обстановке, малую занимаемую площадь и высокую (до 10 Мбайт/с) скорость передачи.

Специально для локальных сетей можно сформулировать следующие рекомендации:

– не прокладывать линии передачи данных параллельно сильноточным проводам на длине более 10м;

– при необходимости близкой прокладки проводов, несущих сильные помехи, следует экранировать участки линий передачи данных (при коаксиальной системе передачи для этого требуются кабели с дополнительным экраном);

– при симметричных участках передачи сигналов применять трансформаторы (трансформаторная передача помимо разделения потенциалов обладает гораздо лучшими симметрирующими и развязывающими свойствами, чем симметричныe относительно земли резистивные схемы);

– как можно чаще следует реализовывать коаксиальные системы (уменьшение сопротивления связи);

– при симметричных системах по возможности необходимо скручивать провода (снижение влияния площади контура);

– при присоединении экранированной линии к корпусу upибора нужно добиваться хорошего контакта по всей окружности экрана;

– экраны линий всех цепей, присоединенных к шине данных рекомендуется соединять с единой системой заземления;

– шины данных следует прокладывать рядом с проводящими поверхностями, в металлических кабельных каналах (в экранированных системах провода, несущие сильные помехи, прокладывать на расстоянии не менее 30 см, а в неэкранированных системах – не менее 1 м, что часто практически реализовать невозможно).

Большие преимущества имеют системы передачи данных на базе световодов. При достижимых в настоящее время коэффициентах затухания осуществляется создание волоконных линий передачи данных длиной в несколько километров.