3.2. Опорный конспект

Введение

Электрические сети вызывают определенные нарушения в окружающей природе. Они возникают вследствие сооружения крупногабаритных опор и подвешенных на них проводов. Отчуждаются земельные участки под сооружение электрических станций, подстанций и особенно линий высокого напряжения. Массивные опоры и провода нарушают условия распространения радиоволн. Это искажает показания радиотелескопов, устройств космической связи, радиолокаторов. Наличие опор и оттяжек затрудняет проведение сельскохозяйственных работ. Нарушение природного ландшафта в курортной местности требует разработки специальных опор и подвесок проводов, удовлетворяющих требованиям эстетики.

Разнообразные неблагоприятные влияния электрических сетей на техносферу и биосферу затрудняют условия их мирного сосуществования и приводят к нарушению их электромагнитной совместимости. Поэтому если высоковольтная линия (ВЛ) проектируется и строится, то в проекте и смете должны быть предусмотрены необходимые мероприятия по защите других сооружений техносферы.

Применительно к проблемам влияния на биосферу задача состоит в том, чтобы выработать и естественно выполнить оптимальные гигиенические нормативы, которые должны обеспечивать достаточно низкий уровень отрицательных влияний на биосферу и экологических последствий в нормальных и аварийных режимах работы электрических сетей. Эти нормативы должны неуклонно соблюдаться в процессе проектирования, сооружения и эксплуатации электрических сетей при приемлемых дополнительных приведенных затратах.

Инженеры должны четко ориентироваться в вопросах влияния электрических сетей высокого напряжения на техно- и биосферу; знать требования правил, норм и руководящих указаний, а также пути их выполнения.

Раздел 1. Основные определения в области ЭМС и классификация электромагнитных помех

1.1. Основные определения в области ЭМС. Электромагнитная обстановка

Основополагающим понятием в области ЭМС является определение электромагнитной совместимости технических средств: способность техниче-

ских средств функционировать с заданным качеством в определенной электромагнитной обстановке, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам и недопустимых электромагнитных воздействий на биологические объекты.

Основные понятия в области ЭМС сформулированы в проекте федерального закона «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств» (от 1.12.1999 г.) и приведены в приложении.

Исходя из определения ЭМС технических средств, основными целями ее обеспечения являются:

- предотвращение нарушений функционирования технических средств при воздействии на них электромагнитных помех;

-исключение или ограничение электромагнитных помех, создаваемых техническими средствами;

-исключение неблагоприятных электромагнитных воздействий на биологические объекты или ограничения уровня таких воздействий;

-обеспечение регламентированного стандартами качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения.

Направление, связанное с помехоустойчивостью технических средств, занимает центральное место в обеспечении ЭМС как по важности, так и объему решаемых задач.

Под устойчивостью технических средств к электромагнитным помехам (помехоустойчивостью технических средств) понимают способность технических средств сохранять заданное качество функционирования при воздействии на них регламентированных стандартами электромагнитных помех. Качество функционирования технических средств задается на этапе разработки технических условий. Основной задачей исследований этого этапа является анализ электромагнитной обстановки – совокупности электромагнитных явлений и (или) процессов в данной области пространства или данной проводящей среде в частотном и временном диапазонах.

Электромагнитное явление или процесс естественного или искусственного происхождения, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства, называют электромагнитной помехой. Электромагнитная помеха может излучаться в пространство или распространяться в проводящей среде.

Электромагнитная обстановка (ЭМО) – совокупность электромагнитных явлений, процессов в заданной области пространства, частотном и временном

диапазонах. ГОСТ 30372-95.

Введены также термины “точка общего присоединения ” (ТОП) и “точка внутрипроизводственного присоединения” (ТВП). Термин ТОП относится к точке электрической сети общего назначения, электрически ближайшей к сетям рассматриваемого потребителя электрической энергии (входным устройствам рассматриваемого приемника электрической энергии), к которой присоединены или могут быть присоединены электрические сети других потребителей (входные устройства других приемников).

“Точка внутрипроизводственного присоединения” (ТВП) – точка присоединения к питающей сети внутри рассматриваемой системы электроснабжения.

В стандарте рассматриваются и определяются три класса из возможных классов электромагнитной обстановки:

-класс 1. Данный класс применяется для электромагнитной обстановки в защищенных системах электроснабжения, характеризующихся уровнями ЭМС более низкими, чем уровни ЭМС в системах электроснабжения общего назначения. Он соответствует применению технических средств (ТС), восприимчивых к помехам в питающей сети, например контрольно-измерительного оборудования, образцов вычислительной техники некоторых видов и т. д.

-класс 2. Данный класс обычно применяется для электромагнитной обстановки в ТОП и ТВП для промышленных условий эксплуатации ТС. Уровни ЭМС данного класса идентичны таковым для систем электроснабжения общего назначения.

-класс 3. Данный класс применяется только для ТВП в промышленных условиях эксплуатации ТС. Он имеет более высокие уровни ЭМС, чем таковые для класса 2, в отношении некоторых электромагнитных явлений, вызывающих помехи. К классу 3 должна быть отнесена электромагнитная обстановка, если имеет место одно из следующих условий:

-питание большей части нагрузки осуществляется через преобразователи;

-используется электросварочное оборудование;

-имеют место частые пуски электродвигателей большой мощности.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение электромагнитной совместимости технических средств.

2.Укажите основные цели ЭМС.

3.Дайте определение электромагнитной помехе.

4.Дайте определение электромагнитной обстановке.

5.Дайте характеристику классам по электромагнитной обстановке.

1.2.Источники электромагнитных помех и их классификация

Существует достаточно много подходов к классификации электромагнитных помех (ЭМП), учитывающих как источники их возникновения, так и характер воздействия на технические средства. Приведенная ниже классификация широко используется специалистами при решении задач в области ЭМС.

Наиболее распространенной электромагнитной помехой естественного происхождения является электромагнитный импульс при ударе молнии.

Электромагнитные помехи искусственного происхождения можно разделить на создаваемые функциональными источниками и создаваемые нефункциональными источниками. Функциональным называют источник электромагнитной помехи, если для него самого создаваемая помеха является полезным сигналом. К таким источникам относятся, прежде всего, передающие устройства радиосвязи, а также аппаратура, использующая цепи питания для передачи информации. Нефункциональными называют источники, которые создают помехи в качестве побочного эффекта в процессе работы. К ним можно отнести любые проводные коммуникации, создающие электромагнитные поля; коммутационные устройства; импульсные блоки питания аппаратуры и т. п. Электростатический разряд с тела человека также может рассматриваться как создаваемый нефункциональным источником помех. Принципиальное различие между функциональными и нефункциональными источниками состоит в том, что для вторых уровень электромагнитных помех часто можно снизить путем пересмотра конструкции источника, в то время как для функциональных источников помех такой путь обычно исключается.

В зависимости от среды распространения ЭМП могут разделяться на индуктивные и кондуктивные. Индуктивными называются ЭМП, распространяющиеся в виде электромагнитных полей в непроводящих средах. Кондуктивные ЭМП представляют собой токи, текущие по проводящим конструкциям и земле. Деление помех на индуктивные и кондуктивные является условным. В реальности протекает единый электромагнитный процесс, затрагивающий проводящую и непроводящую среды. В ходе распространения многие помехи могут превращаться из индуктивных в кондуктивные и наоборот. Так, переменное электромагнитное поле способно наводить токи в кабелях, которые далее распространяются как классические кондуктивные помехи. С другой стороны, токи в кабелях и цепях заземления сами создают электромагнитные поля, т. е., индуктивные помехи. Деление помех на индуктивные и кондуктивные можно

считать относительно строгим лишь в низкочастотной (до десятков кГц) области, когда емкостные и индуктивные связи обычно малы.

Кондуктивные помехи в цепях, имеющих более одного проводника, принято также делить на помехи "провод - земля" (синонимы - несимметричные, общего вида, Common Mode) и "провод-провод" (симметричные, дифференциального вида, Differential Mode). В первом случае ("провод-земля") напряжение помехи приложено, как следует из названия, между каждым из проводников цепи и землей (рис. 1.1, а). Во втором – между различными проводниками одной цепи (рис. 1.1, б). Обычно самыми опасными для аппаратуры являются помехи "провод-провод", поскольку они оказываются приложенными так же, как и полезный сигнал.

а)	б)

Рис. 1.1. Схема приложения помехи "провод-земля" (а) и "провод-провод" (б)

Реальные помехи обычно представляют собой комбинацию помех "про- вод-провод" и "провод-земля". Нужно учитывать, что несимметрия внешних цепей передачи сигналов и входных цепей аппаратуры может вызывать преобразование помехи "провод-земля" в помеху "провод-провод".

На основе спектральных характеристик электромагнитные помехи разделяют:

-на узкополосные и широкополосные;

-низкочастотные и высокочастотные.

К узкополосным относятся помехи от систем связи на несущей частоте, систем питания переменным током и т. п. Их отличительной особенностью является то, что характер изменения помехи во времени является синусоидальным или близок к нему. При этом спектр помехи близок к линейчатому (максимальный уровень − на основной частоте, пики меньшего уровня − на частотах гармоник).

Широкополосные помехи имеют существенно несинусоидальный характер и обычно проявляются в виде либо отдельных импульсов, либо их последовательности. Для периодических широкополосных сигналов спектр состоит из большого набора пиков на частотах, кратных частоте основного сигнала.

Для апериодических помех спектр является непрерывным и описывается спектральной плотностью. Типичными широкополосными помехами являются:

-молниевые импульсы;

-импульсы, создаваемые при коммутационных операциях;

-электростатические разряды;

-шум, создаваемый в сети питания аппаратуры при работе импульсного блока питания;

-преднамеренные электромагнитные помехи, создаваемые в криминальных целях.

К низкочастотным относятся помехи в диапазоне 0 − 9 кГц. В большинстве случаев они создаются силовыми электроустановками и линиями.

Высокочастотные узкополосные помехи (с частотой выше 9 кГц) обычно создаются различными системами связи. Высокочастотными являются все распространенные типы импульсных помех. Иногда также вводят понятия радиочастотной помехи (диапазон − от 150 кГц до 1−2 ГГц) и СВЧ-помехи (порядка нескольких ГГц).

В целях решения общих задач помехоустойчивости технических средств стандартами в области ЭМС регламентированы следующие основные виды помех:

1)Микросекундные импульсные помехи большой энергии (по ГОСТ Р 51317.4.5.), вызываемые перенапряжениями, возникающими в результате коммутационных переходных процессов и молниевых разрядов.

2)Наносекундные импульсные помехи (по ГОСТ Р 51317.4.4.), воз-

никающие в результате коммутационных процессов (прерывания индуктивных нагрузок, размыкания контактов реле и т. п.) и воздействующие на порты электропитания и сигналов ввода/вывода.

3)Электростатические разряды (по ГОСТ Р 51317.4.2.), возникаю-

щие как при прямом воздействии от оператора, так и непрямом воздействии от оператора на расположенные вблизи технические средства, предметы и оборудование.

4)Радиочастотное электромагнитное поле в полосе частот от 80 до

1000 МГц (по ГОСТ Р 51317.4.3.), источниками которого являются портативные приемопередатчики, применяемые эксплуатационным персоналом и службами безопасности; стационарные радио- и телевизионные передатчики; радиопередатчики подвижных объектов; различные промышленные источники излучений. К числу источников радиочастотного электромагнитного поля также относят радиотелефоны и другие радиопередатчики, действующие на

частотах от 0,8 до 3 ГГц и использующие методы модуляции с непостоянной огибающей.

5)Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электро-

магнитными полями (по ГОСТ Р 51317.4.6.), вызываемые излучениями преимущественно радиопередающих устройств в полосе частот от 50 кГц до 80 МГц.

6)Кондуктивные помехи в полосе частот от 0 до 150 кГц (по ГОСТ

Р51317.4.16.), представляющие собой общие несимметричные напряжения на входные порты электропитания переменного и постоянного токов, сигнальные порты, порты управления и ввода-вывода.

7)Колебательные затухающие помехи (по ГОСТ Р 51317.4.12.) сле-

дующих видов:

а) одиночные колебательные затухающие помехи, возникающие в низковольтных силовых линиях и в линиях управления и сигнализации технических средств, получающих электропитание от низковольтных распределительных электрических сетей и систем электроснабжения промышленных предприятий;

б) повторяющиеся колебательные затухающие помехи, возникающие в основном в силовых линиях и линиях управления и сигнализации на электрических подстанциях высокого (выше 35 кВ) и среднего (6-35 кВ) напряжений. Повторяющиеся колебательные затухающие помехи относят к срабатыванию одного отдельного выключателя.

8)Динамические изменения напряжения электропитания (по ГОСТ Р 51317.4.11.) следующего вида:

- провалы, - прерывания, - выбросы,

атакже постепенные изменения напряжения электропитания.

9)Колебания напряжения электропитания (по ГОСТ Р 51317.4.14.),

воздействующие на входные порты электропитания переменного тока.

10)Изменения частоты питающего напряжения (по ГОСТ Р

51317.4.28.) на входных портах электропитания переменного тока.

11)Искажения синусоидальности напряжения электропитания (по ГОСТ Р 50746.) при воздействии гармоник и интергармоник питающего напряжения.

12)Магнитное поле промышленной частоты (по ГОСТ Р 50648).

13)Импульсное магнитное поле (по ГОСТ 30336 / ГОСТ Р 50649).

14)Затухающее колебательное магнитное поле ( по ГОСТ Р 50652.).

15)Токи кратковременных синусоидальных помех частотой 50 ГЦ

вцепях защитного и сигнального заземления (по ГОСТ Р 50746.).

16)Токи микросекундных импульсных помех в цепях защитного и сигнального заземления (по ГОСТ Р 50746.).

В зависимости от условий эксплуатации технических средств могут рассматриваться и другие виды помех, отражающие специфику электромагнитной обстановки.

Вопросы для самопроверки

1.Какие электромагнитные источники помех являются функциональными источниками и нефункциональными?

2.Какие ЭМП называются индуктивными?

3.Какие ЭМП называются кондуктивными?

4.Как принято делить кондуктивные помехи в цепях, имеющих более одного проводника?

5.Как принято делить ЭМП на основе спектральных характеристик?

6.Какими стандартами в области ЭМС регламентированы основные виды помех?

1.3. Источники природных электромагнитных помех

Электромагнитные бури. Солнце, наряду с инфракрасным (тепловым), световым и ультрафиолетовым излучениями, особенно в годы «активного» солнца приблизительно одиннадцатилетнего периода, выбрасывает огромное количество электронов, протонов, нейтронов и альфа-частиц. Пролетая мимо земного шара и взаимодействуя с магнитным полем вращающейся земли, они индуктируют в земной поверхности электродвижущие силы, медленно меняющиеся во времени (порядка секунд и более). Величина ЭДС даже в периоды наиболее интенсивных электромагнитных бурь колеблется от долей до единиц вольтов на километр и в северном полушарии ориентирована на меридиональное направление.

Атмосферное электричество. Основными экологическими источниками наиболее тяжелых и частых нарушений нормальной работы энергетических систем являются грозовые разряды. Опыт эксплуатации показывает, что в каждые 100 км линии электропередачи (ВЛ) в среднем в течение "грозового сезона" (с мая по октябрь) ударяет несколько десятков повторных разрядов молний, по

большей части – отрицательной полярности. Эквивалентное сопротивление молнии в первый момент достигает многих десятков кОм, но с увеличением тока молнии и разогревом ее канала сопротивление уменьшается до сотен Ом. Кратковременное напряжение в месте удара молнии может достигать многих миллионов вольтов, что вполне достаточно для пробоя изоляции практически любой линии электропередачи, вплоть до УВН. От места удара по проводам линии распространяются волны перенапряжения. Они, дойдя до электростанции или подстанции, могут повредить изоляцию генератора, трансформатора и другого оборудования. Для защиты от прямых ударов молнии над проводами линий устанавливают тросы, а на подстанции – вертикальные молниеотводы. Для защиты от обратных перекрытий с пораженной опоры на провода необходимо каждую опору заземлить с малым (до 10 Ом или несколько больше в районах с высоким удельным сопротивлением земли) сопротивлением заземления. Для защиты оборудования подстанции применяют специальные разрядники, или ограничители перенапряжений (ОПН).

При ударе молнии возникают также индуктированные напряжения вследствие емкостных (электрическая составляющая) индуктивных (магнитная составляющая) связей между каналом молнии, и опорами и, проводами линии электропередачи (ЛЭП). Они представляют опасность для изоляции сетей среднего (6-35 кВ) и низкого напряжений, особенно для сетей промышленной энергетики.

Удары молнии могут вызвать также пожары (пожароопасных сооружений) и даже взрывы (для взрывоопасных емкостей таких, как, например, нефте- и газохранилища электростанций).

Вопросы для самопроверки

1.Перечислите источники природных электромагнитных помех.

2.Укажите, какие последствия оказывают разряды молнии на технические средства.

Раздел 2. Влияние полей, создаваемых устройствами электроэнергетики на технические средства и биологические объекты

2.1. Влияние электрических сетей высокого напряжения

Известно, что электрические сети высокого напряжения оказывают неблагоприятное влияние на техно- и биосферу. Напряжения и токи в проводах линий электропередач создают электромагнитные поля в окружающем про-

странстве и блуждающие токи в земле. Вследствие этого могут возникнуть мешающие и даже опасные влияния на биосферу. Электромагнитные поля отрицательно воздействуют на людей и животных. Кроме того, они оказывают неблагоприятное влияние на линии связи и другие инженерные сооружения техносферы. Блуждающие токи в земле могут вызывать усиленную коррозию оболочек кабелей и других протяженных подземных устройств. Сооружение электрических станций, линий и подстанций требует отчуждения определенных участков земли и приводит к другим негативным экологическим последствиям.

В протяженных линиях электропередач возникают медленно меняющиеся уравнительные токи, которые могут достигать десятков и даже сотен амперов. Протекая через обмотки трансформаторов, они вызывают насыщение магнитопроводов и многократное увеличение тока намагничивания. Кроме того, выход на нелинейный участок кривой намагничивания трансформатора сопровождается протеканием по линии, кроме вышеуказанного уравнительного тока нулевой последовательности также и токов четных и нечетных гармонических. Это может вызвать ложные отключения дальних линий электропередачи вследствие неверной работы релейной защиты, рост перетока мощности по параллельным линиям и их перегрузку с последующим отключением, т.е. системную аварию, сопровождающуюся нарушением электроснабжения потребителей на большой территории, и большой ущерб. Эти обстоятельства необходимо учитывать при разработке релейной защиты дальних электропередач.

2.1.1. Опасные влияния токов и напряжений промышленной частоты на биологические объекты

Под опасным будем понимать такое влияние, при котором напряжения и токи, возникающие в заземляющих устройствах электрических сетей высокого напряжения, а также индуктированные напряжения в цепях линий связи (ЛС), транспортных устройствах или других элементах могут создавать опасность для здоровья и жизни обслуживающего персонала, населения и абонентов ЛС; вызывать повреждения аппаратуры и приборов или ложные срабатывания железнодорожной сигнализации. Со всем этим приходится считаться прежде всего в наиболее неблагоприятных аварийных или нормальных режимах работы сети высокого напряжения

При несимметричных коротких замыканиях в сети с глухим заземлением нейтрали возникают большие токи в земле и сильные магнитные поля. Они мо-

гут вызвать опасные магнитные влияния. Возникает опасная ЭДС взаимоиндукции в находящихся вблизи воздушных и кабельных линиях связи, в цепях железнодорожной сигнализации и блокировки. В таких случаях необходимо применять специальные меры для их защиты.

В сети с изолированной нейтралью при замыкании на землю одной фазы на остальных двух фазах напряжения повышаются до линейных. Высокие напряженности электрического поля вблизи ВЛ могут обусловить опасные электрические влияния на воздушные линии связи, находящиеся вблизи от ВЛ.

Под проводами линий СВН и УВН имеет место повышенная напряженность электрического поля Е даже в нормальном режиме работы. При Е ≥ 20 кВ/м прикосновение человека к крупногабаритному транспортному агрегату может оказаться опасным. Через человека будет протекать значительная часть емкостного тока с проводов ВЛ.

Расчет напряженности электрического поля трехфазной высоковольт-

ной линии. Рассмотрим электрическое поле (рис. 2.1), создаваемое трехфазной линией переменного тока.

Потенциал произвольной точки 4 рис. 2.1 будет равен сумме потенциалов, создаваемых каждым проводом и его зеркальным изображением. Примем высоту подвески всех проводов одинаковой и равной Н, радиус проводов – r. Потенциал в указанной точке от провода 1 можно найти по формуле

ϕ	41	= τ q ln	b14	,	(2.1)
		1	a14

аналогично от провода 2

ϕ42 = τ2q ln b24 a24

от провода 3

ϕ43 = τ3q ln b34 . a34

Составляющая потенциала в точке 4 от собственного заряда отсутствует, так как заряд точки 4 τ4 = 0.

Следовательно,

ϕ

4

= ϕ

41

+ ϕ

42

+ ϕ

43

= τ q ln

b14

+ τ

2

q ln

b24

+ τ

3

q ln

b34

,

(2.2)

1

a14

a24

a34

где τ1 τ2, τ3 - заряды проводов, зависящие от их потенциалов относительно земли.

	D	D
1	2	3
	a24	a34
H	Y a14	4
		x

y

H

b14	B24	b34
1′	2′	3′

Рис. 2.1. Схема для расчета потенциала в точке 4

+j	U2
U1	60◦
	+1
	60◦
	U3

Рис. 2.2. Векторная диаграмма фазовых напряжений

Поместим точку 4 на поверхность провода 1. Получим

ϕ

= τ q ln

2Н

+ τ

2

q ln

b12

+ τ

3

q ln

b13

.

(2.3)

1

1

1

a12

a13

Поместим точку 4 на поверхность провода 2, после чего по аналогии с

формулой (2.3), т.е. имея в виду, что α21= α12, b21=b12 и так далее, найдем:

ϕ

2

= τ q ln

b12

+ τ

2

q ln

2H

+ τ

3

q ln

b23

.

(2.4)

1

a12

1

a23

Поместив точку 4 на поверхность провода 3, запишем:

ϕ

3

= τ q ln

b13

+ τ

2

q ln

b23

+ τ

3

q ln

2H

.

(2.5)

1

a13

a23

1

	Обозначив q ln	bкm	= αкm , q ln	2 H	= α кк , имея в виду, что αкm= αmк,
				1
		aкm
	сведем в одну систему уравнения (2.2), (2.3), (2.4), (2.5).
	φ1=α11τ1+ α12τ2+ α13τ3; φ2=α12τ1+ α22τ2+ α23τ3;
	φ3=α13τ1+ α23τ2+ α33τ3;			φ4=α14τ1+ α24τ2+ α34τ3.		(2.6)

Неизвестны величины τ1, τ2, τ3, φ4, их значения можно рассчитать решением системы (2.6). Для упрощения решения задачи примем, что провода влияющей линии 1, 2, 3 располагаются так, что расстояния между ними одинаковы или почти одинаковы, поэтому вместо α12, α23, α13 примем их среднее значение, т. е.

α = (α12 + α23 + α13 ) .		(2.7)
12	3

Так как высота подвески проводов принимается одинаковой, то α11=α22=α33. Потенциал проводов φ – это напряжение этих проводов относительно земли, значит φ1 = U1, φ2 = U2, φ3 = U3, где U – фазовое напряжение каждого провода. С учетом вышеизложенного перепишем систему (2.6):

.
U1	= α11τ1 + α12 τ2 + α12τ3 ;
.
U 2	= α12 τ1 + α11τ2 + α12 τ3 ;	(2.8)
.
U3	= α12τ1 + α12 τ2 + α12τ3 ;
.
U 4	= α14 τ1 + α24τ2 + α34 τ3.

Коэффициенты α в последнем уравнении системы не могут быть одинаковыми, так как точка 4 может находиться в любом месте.

Для определения U4 необходимо решить систему первых трех уравнений из системы (2.8):

.
U1	= α11τ1 + α12 τ2 + α12τ3 ;
.
U 2	= α12τ1 + α11τ2 + α12τ3 ;	(2.9)
.
U3	= α12 τ1 + α12 τ2 + α12τ3 ;

и получить величины τ1, τ2, τ3, затем значения этих величин подставить в четвертое уравнение системы (2.8). Систему уравнений (2.9) решим методом Крамера. Согласно этому методу

τ =	τ1	,τ	2	=	τ2	, τ	3	=	τ3	.	(2.10)
1

В формулах (2.10)											∆ – определитель системы (2.9), который равен
	α11α12 α12									= α3		+ 2α3	−3α		α2 =		(α					)2 (α			− 2α	).	(2.11)
=	α	12	α		11		α							11				11		− α				11
							12				11	11				12					12				12
	α12 α12α11
Чтобы найти определитель ∆τ1, надо в определителе, представленном в
(2.11), заменить первый столбец коэффициентов значениями																								. . .			т. е.
																								U 1 , U 2 , U 3
				U1α12 α12										.			(α						.		.
		=		U			α		α		=					− α					− α						(2.12)
						2		11				(α2 − α2 )U			1				11				) U 2		+U 3	.
									12			11	12			12					12
				U3α12α11
Для упрощения решения задачи примем, что фазовые напряжения сим-
						.			.		.	.	.			.

метричны, т. е. U 1 +U 2 +U 3 =0; U 2 +U 3 =U 1 , поэтому

.

τ1 =U 1 (α11 − α12 ) (α11 − 2α12 ). (2.13)

Для нахождения определителя ∆τ2 необходимо второй столбец коэф-

. . .

фициентов в определителе (2.11) заменить величинами U 1 , U 2 , U 3 , после чего докажем, что

												.
								τ2			=U 2 (α11 − α12 ) (α11 − 2α12 ).								(2.14)
						.				− α12 ) (α11 − 2α12 ).
Аналогично		τ3 =U 3 (α11
	Подставляя значения τ1, τ2, τ3 из формул (2.10) в последнее уравнение сис-
темы (2.12), получим с учетом формул (2.11) – (2.14):
	(α τ +α										)		(α11 −α12 ) (α11 +α12 )				.	.	.
.				τ		+α			τ							α14 U1		+α24 U2	+α34 U3
U 4 =	14 1		24		2		34			3		=									.
													(α −α			)2	(α +α )
													11	12			11	12
Окончательно определим:
												.	.	.
						.							.
									α14 U1 + α24 U 2 + α34 U 3						.				(2.15)
						U 4	=
													α11 − α12

Рассмотрим применение полученной формулы для конкретной схемы расположения проводов трехфазной ЛЭП. В дальнейшем нас будут интересовать проблемы экологического влияния линий высокого и сверхвысокого напряжений на окружающую среду, поэтому в качестве расчетной схемы примем такую, в которой провода располагаются в одной горизонтальной плоскости

(рис. 2.1).

Расположим систему координат так, чтобы отсчет начинался на поверх-

ности земли под проводом 2. Расстояние между фазами – Д; высота подвески проводов – Н; х, у – текущие координаты произвольной точки 4. Систему фазовых симметричных напряжений расположим на комплексной плоскости, как показано на рис. 2.2.

.

.

.

=Uф (0,5 − j0,87).

U1

= −Uф ; U 2

=UфE j60 =Uф (0,5 + j0,87); U3

Согласно расчетной схеме на рис. 2.1

b

(H + y)2 + (Д + х)2

α14 = ln

14

= ln

.

(H − y)2 −(

Д + х)2

a14

Величину q опускаем, так как она входит во все коэффициенты α форму-

лы (2.15) и сокращается. Аналогично получаем:

(H + y)2 + х2

α34 = ln

(H + y)2 + (х− Д)2

α24

= ln

;

.

(H − y)2 −(х− Д)2

(H − y)2 − х2

С учетом вышеизложенного формула (2.15) получит вид

ϕ =

Uф

[−α

+(0,5+ j0,87) α

+(0,5− j0,87) α ]=

Uф

α

−α

α

−α

4

14

24

34

11

12

11

12

(H +y)2 +(Д+х)2

(H +y)2

+х2

(H +y)2

+(х−Д)2

−ln

+(0,5+ j0,87) ln

+(0,5− j0,87) ln

,

(2.16)

(H −y)2 +(Д+х)2

(H −y)2 +х2

(H −y)2 +(х−Д)2

где α

11

= ln

2H

; α определяется по формуле (2.7), а ее составляющие

1

12

(2H )

2

+ Д

2

(2H )

2

+

(2 Д)

2

α

12

= α

23

= ln

,

α

13

= ln

.

(2.17)

Д

2 Д

Формула (2.17) позволяет найти потенциал изолированного провода, находящегося в заданной точке с координатами х, у. Обозначим точку 4 рис. 2.1 буквой М и в формуле (2.17) заменим φ4 на φм.

Тогда потенциал электрического поля трехфазной высоковольтной линии в произвольной точке М с координатам х,у определяется выражением

U ф

(H + y)2 + (Д + х)2

+ (0,5 + j0,87) An

(H + y)2

+ х

2

ϕМ

=

− An

+

(H + y)

+ (Д + х)

(H + y)

α

− α

2

2

2

2

11

+ х

12

+ (0,5 +	j0,87) An	(H + y)2	+ (Д + х)2		(2.18)
				,
		(H + y)2 + (Д + х)2

где Д – межфазовое расстояние; Н – высота подвески проводов; U ф – фазовое

напряжение линии; α11 ,α12 – потенциальные коэффициенты, определяемые по формулам (2.7).

Если продифференцируем ϕМ по х, то получим выражение для горизонтальной составляющей напряженности электрического поля, то есть

ЕМx = − dϕМ , аналогично вертикальная составляющая напряженности будет dx

равна ЕМy = − dϕМ . Тогда модуль напряженности электрического поля в точке d y

М определится выражением EМ = ЕМх2 + ЕМ2 y .

На человека, находящегося перпендикулярно к проводам, действует вертикальная составляющая Еy (ток, протекающий через человека, создается имен-

но этой составляющей), поэтому нам необходимо найти только Еy .

	Напомним, что,	ln a	= ln a −ln b – это производная от логарифма
		b

(ln a)′ = aa′, производная от квадратного корня равна производной от подкорен-

ного выражения, деленной на удвоенный квадратный корень.

Поэтому производная ln

(H + y)2 + (Д + y)2

по y будет равна

(H + y)

2

+(Д+х)

2

2(H + y)

Н+ y

.

ln

=

=

(H + y)2 +(Д+х)2

(H + y)2

+(Д+х)2

2

(H + y)2 +(Д+х)2

После нахождения производных от всех составляющих квадратной скоб-

ки формулы (2.18), получим (опуская знак минус):

U

Н+у

Н−у

Н+у

Н−у

Е

=

ф

−(

+

)+(0,5+j0,87) (

+

)+

+у)2 +х2

(Н−у)2 +х2

МУ

α −α12

(Н+у)2

+(Д+х) (Н−у)2 +(Д+х)2

(Н

11

+ (0,5 + j0,87) (

Н + у

Н − у

+

) .

(2.19)

(Н

+ у)

2

+ ( Д + х)

2

(Н − у)

2

+ ( Д

− х)

2

2.1.2. Мешающие влияния напряжений промышленной частоты на биологические объекты

Исследования НИИГТ и ПЗ и анализ опыта работы показывают, что в нормальном режиме работы ВЛ сверхвысокого напряжения (СВН) и ультравысокого напряжения (УВН) оказывают неблагоприятное воздействие на окружающее население, и особенно на обслуживающий персонал, вследствие воз-

действий магнитного и электрического полей, а также акустических помех. Под действием магнитного поля затрудняется движение крови в крове-

носных сосудах, что вызывает синюшность рук у монтеров, работающих на линиях сильного тока под нагрузкой. На основе многочисленных жалоб обслуживающего персонала, а также по данным исследований ВНИИОТ установлено, что длительное систематическое нахождение человека в электрическом поле с высокой напряженностью (Е = 5 кВ/м и выше при отсутствии человека) отрицательно сказывается на его самочувствии. Нормы и правила по охране труда рекомендуют временно (до дальнейшего уточнения) допустимую продолжительность систематического пребывания обслуживающего персонала в электрическом поле (табл. 2.1).

Приведенные в табл. 2.1 значения Е вычисляются или замеряются в отсутствие человека в наиболее неблагоприятном месте его возможного пребывания. Предполагается, что остальное время рабочего дня обслуживающий персонал находится в местах, где напряженность электрического поля не превышает 5 кВ/м. Кроме того, должны быть приняты меры, исключающие возможность воздействия кратковременных электрических разрядов на организм человека в рабочих условиях.

Таблица 2.1

Гигиенические нормативы напряженности электрического поля для персонала, обслуживающего установки СВН

Напряженность элек-	Допустимая продолжительность
	пребывания человека в течение суток
трического поля Е, кВ/м	t доп, мин
≤ 5	Без ограничения
5 … 10	≤ 180
10 … 15	≤ 90
15 … 20	≤ 10
20 … 25	≤ 5

Вряде мест на подстанциях с повышенной напряженностью электрического поля, где зачастую приходится работать обслуживающему персоналу, согласно нормам и правилам рекомендуется устанавливать стационарные экранирующие устройства в виде козырьков, навесов или перегородок из заземленных металлических сеток. Желательно, чтобы за пределами полосы отчуждения ВЛ напряженность электрического поля не превышала значений, приведенных в табл. 2.2.

Впериод проведения монтажных работ на действующих подстанциях следует использовать переносные или передвижные экранирующие устройства,

а также защитную одежду.

Таблица 2.2

Допустимые напряженности электрического поля ВЛ

Местонахождение людей Допустимая напряженность

Едоп, кВ/м

Внутри помещения	0,5
Жилые застройки	1
Населенная местность	5
Пересечения с ВЛ	10
Ненаселенная местность	15
Труднодоступная местность	20

Акустические помехи высокой интенсивности также неблагоприятно сказываются на самочувствии людей. Под влиянием переменных электромагнитных полей возникают электродинамические силы в отдельных элементах. Они пульсируют с двойной частотой (100 Гц) и создают механическую вибрацию. В зависимости от интенсивности эта вибрация воспринимается человеческим ухом как шорох, гудение или рев. Так, например, у поверхности проводов линий высокого напряжения может возникнуть коронный разряд, создающий значительные добавочные потери энергии, акустические и радиопомехи. Характер и интенсивность короны существенно зависят от амплитуды напряженности Е электрического поля у поверхности провода и погоды (иней, изморозь, гололед, дождь).

Известна так называемая критическая напряженность короны, кВ/см:

Ek =16.5 2mδ[1 + 0.62 /(δ0.3r00.38 ],

где т = 0,82…0,85 – коэффициент негладкости провода.

Если Е > Ек, то коронирует весь провод и возникает «общая корона», создающая большие потери энергии. Чтобы избежать этого, применяют расщепленные провода, изобретенные одним из ведущих профессоров ЛПИ академиком В.Ф. Миткевичем еще в 1910 году. На линии 330 кВ используют фазы, расщепленные на два составляющих провода, на линии 500 кВ – на три, на линии 750 кВ – на четыре-пять проводов. Такое решение обеспечивает Е ≈ (0,8…0,85)Ек и отсутствие общей короны. Однако в точках неоднородности

(заусеницах, загрязнениях и особенно в каплях дождя) напряженность оказывается повышенной, и в результате возникает местная корона. Наиболее сильные помехи наблюдаются при моросящем дожде, когда вибрирующими элементами оказываются капли дождя у поверхности провода. Поэтому ЛЭП 110-220 кВ при дожде "шуршат" и "шипят", ЛЭП 330-500 кВ "гудят", а ЛЭП 750 кВ "ре-

вут".

Большие акустические помехи могут возникать также вблизи мощных трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов СВН. При этом вибрируют стальные листы магнитопроводов и медные провода обмоток, особенно если частота собственных колебаний их элементов близка к 100 Гц.

Линии электропередачи СВН и УВН создают также неблагоприятные экологические последствия для окружающей местности вследствие сооружения массивных (высота до 60 м, а в отдельных случаях, при пересечении водных преград, и до сотен метров) опор и подвески на них трех проводов с расщеплением на 3 – 4 и до 12 составляющих каждый, расположенных по окружности радиуса до 1 – 2 м, а также двух грозозащитных тросов. Эти обстоятельства могут иметь существенное значение при прохождении линии через или вблизи заказников, заповедников, вблизи крупных городов, а также в курортных местностях. Линии всех классов напряжения, кроме того, требуют соответствующих отчуждений земляных участков и усложняют выполнение сельскохозяйственных работ в местах установки опор.

Вопросы для самопроверки

1.Что понимают под опасным влиянием токов и напряжений промышленной частоты на биологические объекты?

2.Что понимают под мешающим влиянием токов и напряжений промышленной частоты на биологические объекты?

3.Дайте алгоритм расчета напряженности электрического поля трехфазной высоковольтной линии.

4.Укажите допустимые напряженности электрического поля ВЛ.

5.Укажите отрицательные воздействия, которые приносит коронный раз-

ряд ВЛ.

2.2. Опасные гальванические влияния электрических сетей на биологические объекты

Гальванические влияния наблюдаются при непосредственном контакте токоведущих элементов сети высокого напряжения с проводниками. При однофазном коротком замыкании (КЗ) через заземляющее устройство подстанции может протекать ток, достигающий десятков килоамперов, а падение напряжения на сопротивлении заземления по отношению к удаленной земле может составлять несколько киловольтов. Согласно требованиям ПТЭ заземляющее устройство на подстанции устраивается в виде сетки, и на обслуживающий персо-

нал в аварийных условиях воздействует только незначительная доля полного напряжения:

Uш =kшUR, Uпр = kпрUR,

где kш = 0,02... 0,1 и knp = 0,02... 0,1 – коэффициенты шага и прикосновения; UR – напряжение на заземляющем контуре.

Кроме того, некоторую опасность может представить вынос высокого напряжения за пределы контура заземления подстанции по заземленным оболочкам кабелей связи; силовых кабелей; железнодорожным рельсам; трубопроводам и другим протяженным проводникам. В местах выхода этих проводников за пределы контура подстанции желательно иметь изоляционные стыки.

Особую опасность могут создавать провода ЛС, заходящей на подстанцию в сети с глухим заземлением нейтрали. Согласно требованиям техники безопасности все металлические корпуса аппаратуры на подстанции должны быть присоединены к заземляющему контуру этой подстанции, так как в момент КЗ напряжение на этих корпусах практически равно напряжению на заземляющем контуре, и прикосновение к ним должно быть безопасно. Провода же ЛС, заходящей на подстанцию, имеют практически нулевое напряжение по отношению к удаленной земле, и возникает опасность одновременного прикосновения к корпусу и проводу ЛС. Поэтому между всеми проводами ЛС и контуром заземления устанавливают разрядники типа РБ-280. При КЗ они срабатывают и персонал, обслуживающий узел связи на подстанции, находится в безопасности. Однако при этом возникает возможность выноса высокого напряжения с заземляющего контура через разрядники по проводам ЛС на значительное расстояние за пределы контура. Это напряжение может оказаться опасным для обслуживающего персонала соседнего узла связи или абонента.

Главным источником опасности для человека, находящегося вблизи действующей электроустановки, является ток, который протекает через тело человека при соприкосновении с частями электроустановки, находящимися под различными потенциалами. Этот ток зависит от разности потенциалов, мощности источника и сопротивления тела человека.

Для защиты персонала от появления опасных потенциалов на металлических электроустановках (опорах, корпусах трансформаторов, аппаратах и электрических машинах и т. п.) применяют защитное заземление. Однако заземление металлических конструкций само по себе ещё не исключает возможности поражения персонала. При однополюсных замыканиях на землю, вызванных перекрытием либо пробоем изоляции в сети, через заземляющие устройства протекает аварийный ток. Между любыми двумя точками земли на участке рас-

текания тока существует разность потенциалов. Поэтому человек, идущий по этому участку, подвергается воздействию так называемого напряжения шага. Напряжение шага Uш уменьшается при удалении человека от заземления.

Напряжением прикосновения Uпр называется напряжение между двумя точками, которых одновременно касается человек (рис. 2.3).

В первом приближении, если пренебречь влиянием прикосновения человека на ток через заземляющее устройство, то напряжения прикосновения Uпр и шага Uш можно определить по эквивалентным схемам, где роль эквивалентных ЭДС Епр и Еш играют разности потенциалов между точками прикосновения человека ( когда отсутствует шунтирующее влияние сопротивления его тела, Rт ≈1000 Ом). Падения напряжений Uпр и Uш на Rт определяются без учета взаимного экранирования ступней, что даёт некоторое завышение опасности воздействия. Ступни заменяются круглыми металлическими пластинами радиусом rст = 8 см, находящимися на грунте.

Снижения напряжений прикосновения Uпр и шага Uш до безопасной величины могут быть обеспечены путем уменьшения Ерп и Еш либо увеличением сопротивления ступни Rст.

Снижения Епр и Еш достигаются путем уменьшения сопротивления заземления Rз, которое, как уже отмечалось, определяется эквивалентным сопротивлением грунта ρз и конструкцией заземлителя.

Уменьшение сопротивления заземления связано с увеличением количества горизонтальных и вертикальных металлических элементов, закладываемых в грунт. Целесообразно располагать эти элементы в виде сетки со стороной ячейки порядка нескольких метров, что улучшает распределение потенциала точек на поверхности земли и тем самым существенно снижает Епр и Еш.

Uпр

Uз

Uш

0,8м

r

Рис. 2.3. Напряжения прикосновения и шага

Дополнительно снижает опасность поражения персонала также укладка в местах установки оборудования выравнивающих проводников в виде частой сетки, присоединенной к основному контуру заземления. В таких местах следует посыпать площадку электроустановки плохопроводящим покрытием (слоями щебня, щебня с асфальтом и т. д.), что способствует увеличению ρзп и уменьшению прохождения тока через тело человека.

В соответствии с ПУЭ электробезопасность обслуживающего персонала может быть обеспечена исходя из требований к сопротивлению заземления электроустановки либо к напряжению прикосновения (с ограничением напряжения на заземляющем устройстве). Эти требования различны для электроустановок напряжением до 1000 В и выше, а также зависят от способа заземления нейтрали.

Сопротивление заземляющего устройства, выполненного с учетом требований ГОСТа, в любое время года не должно превышать значений, указанных в табл. 2.3.

С целью выравнивания потенциала на территории подстанции и снижения Uпр вдоль осей оборудования (со стороны его обслуживания) должны прокладываться продольные заземлители на глубине 0,5 … 0,7 м и на расстоянии 0,8 … 1,0 м от фундамента оборудования. Поперечные заземлители должны прокладываться на той же глубине, причем расстояния между ними для снижения Uш увеличивают от периферии к центру заземляющего устройства.

						Таблица 2.3
	Допустимые сопротивления заземления
			Величина ρз, Ом м
Заземляемое
оборудование	до 100	100-500		500-1000	1000-5000	более 5000
Rдоп
Подстанция						0,5(0,87+
110 кВ и выше	0,5	0,5-0,75		0,75-1,1	1,1-3,7	+ρз/770)
Подстанция	250Ιз , но	250Ιз –		375Ιз –	550Ιз –	250Ιз
3-35 кВ	≤ 10 Ом	375Ιз		550Ιз	1850Ιз	(0,87+
						+375Ιз ρз/770)
Опоры линий	≤ 10	≤ 15		≤ 20	≤ 30	≤ 5 10-3 ρз
Отдельно стоя-			10-15
щие молниеот-
воды
Молниеотводы,
установленные			4-5
на порталах

Заземляющее устройство, выполненное с учетом требований, предъявляемых к напряжению прикосновения, должно обеспечивать в любое время года напряжение прикосновения, не превышающее допустимых значений, приведенных в табл. 2.4.

При определении допустимого напряжения прикосновения в качестве расчетного времени воздействия принимается сумма времени действия защиты и полного времени отключения выключателя или другого коммутационного аппарата. Заземляющее устройство, выполненное согласно требованиям, приведенным выше, должно обеспечивать ограничение напряжения до 10 кВ на заземляющем устройстве при стекании с него тока замыкания на землю. Напряжения выше 10 кВ допускаются только на заземляющих устройствах, с которых исключен вынос потенциалов за пределы зданий и внешних ограждений электроустановки.

При однофазном КЗ сети с заземленной нейтралью определяющее значение имеет опасное магнитное влияние токов нулевой последовательности.

Рассмотрим случай однофазного замыкания на землю ВЛ, работающей в сети с изолированной нейтралью. При этом ток нулевой последовательности ограничен большим емкостным сопротивлением сети, и в большинстве случаев можно пренебречь магнитным влиянием. Однако если вблизи ВЛ проходит воздушная ЛС и на ней имеются изолированные от земли двухпроводные цепи, то на них может возникнуть опасное индуктированное напряжение.

Таблица 2.4

Допустимые напряжения прикосновения Uпр и шага Uш
Время воздейст-	0,01-0,08	0,1	0,3	0,5	1	1
вий, с
Допустимое на-
пряжение при-	650	500	165	100	50	36
косновения
Uпр
				50
шага Uш	50	50	50		50	-

При замыкании на землю фазы А, на фазах В и С сети с изолированной нейтралью действуют линейные напряжения, сдвинутые на 60°. Соответствующее напряжение нулевой последовательности U0 равно

	U0	=	U B +UC	;		U0		=Uл / 3 ≈UФ .
		3

Ток, протекающий через человека, коснувшегося изолированного прово-

да ЛС, зависит от U0, взаимной емкости между проводами ВЛ и ЛС (сопротивление тела человека в сравнении с емкостным сопротивлением между ВЛ и ЛС пренебрежимо мало) и от экранирующего эффекта других заземленных проводов. Когда этот ток превышает 1 мА, человек испытывает неприятные ощущения. Если же ток достигает десятков миллиамперов, то при неблагоприятных обстоятельствах руки человека начинают конвульсивно сжиматься, и он не в состоянии самостоятельно оторваться от провода. Правила защиты ограничивают величину допустимого тока IДОП ≤10 мА.

С аналогичным явлением приходится считаться при прикосновении человека к транспорту, находящемуся под проводами ВЛ сверхвысокого (330...750 кВ) и ультравысокого (1150 кВ и выше) напряжений. Транспортные средства на резиновом ходу сравнительно хорошо изолированы от земли. Через человека, стоящего на земле и коснувшегося корпуса крупногабаритного транспорта будет протекать суммарный емкостный ток, обусловленный напряжениями всех трех фаз ВЛ:

I

ч

= jω(c U

+ c

B

U

+ c

C

U

C

) ,

A A

B

где U

и c

(i = A,B,C) – соответственно напряжения на фазах А, В, С, и емко-

i

i

сти между транспортной платформой и фазными проводами.

При нахождении транспорта под проводами ВЛ СВН или УВН этот ток может вызывать неприятные ощущения у людей, а также затруднять сельскохозяйственные работы на участках, расположенных под линией, даже в нормальном режиме работы ВЛ.

В наиболее неблагоприятном случае, если машина находится под средним проводом ВЛ, вертикальная составляющая напряженности электрического поля у поверхности земли в первом приближении равна

U лS 2hтр

2hS

nr

U

=

lg

; r

= r

n

,

(2.20)

тр

2h(h + S)

rэ h2 + S 2

э

p

rp

где

Uл – линейное

напряжение

электропередачи;

rэ - эквивалентный ра-

диус

расщепленной

фазы; S – расстояние между соседними фазами; rp– радиус

окружности, по которой расположены провода расщепленной фазы; rn, n – радиусы и число проводов в фазе, h, hтр – высота проводов ВЛ и платформы транспорта над землей. Для ВЛ СВН, у которых hВЛ ≤ S, погрешность расчетов по формуле (2.20) не превышает 5 %.

Вопросы для самопроверки

1. В каких случаях возникают опасные гальванические влияния электри-

ческих сетей?

2.Что называется напряжением прикосновения Uпр ?

3.Что называется напряжением шага Uш ?

4.В каких случаях возникает опасность от проводов линии связи?

5.Укажите допустимые напряжения прикосновения Uпр и шага Uш.

6.Укажите допустимые сопротивления заземления.

7.От чего зависит ток, протекающий через человека, коснувшегося изолированного провода ЛС?

2.3.Мешающее влияние высокочастотных электромагнитных полей и высших гармоник на технические средства

2.3.1. Мешающие влияния токов промышленной частоты

Под мешающим влиянием будем понимать помехи, которые создаются сетями высокого напряжения в условиях длительного (нормального) режима их работы. Они не создают непосредственной опасности для сооружений техносферы, однако ухудшают качество, снижают надежность или создают затруднения для нормального функционирования связи, телевидения. Помехи не представляют опасности и для биосферы, в то же время они вызывают неприятные ощущения, ухудшают самочувствие, затрудняют нормальный жизненный или трудовой цикл людей. Сети высокого напряжения индуктируют токи и напряжения промышленной частоты 50 Гц, а также звуковых частот – высших гармоник (150—5000 Гц) и высокой частоты (20 кГц и более).

В кабельных линиях связи функционируют многочисленные высокочастотные каналы связи. Вследствие сильного затухания высокочастотных каналов, через каждые 5–15 км приходится устраивать неуправляемые усилительные пункты (НУП). На воздушных линиях связи одновременно с телефонной связью по схеме «провод – провод» широко применяется для телеграфа схема «два провода – земля» (ДПЗ). При этом удается значительно уменьшить мешающее влияние телеграфа на телефонные каналы. Магнитное поле, образованное рабочими токами 50 Гц ВЛ, обусловливает мешающее влияние на электрические цепи, в которых земля используется в качестве обратного провода. К их числу относятся цепи дистанционного питания, телеуправления и телесигнализации, а также низкочастотный телеграф, работающий по схеме ДПЗ.

2.3.2. Влияния токов высокой частоты

Импульсы токов короны на проводах ВЛ, СВН и УВН и изоляторах ВЛ

35–220 кВ, накладываясь друг на друга со смещением в пространстве (вдоль длины линии) во времени, создают общий уровень высокочастотных помех в широком диапазоне частот (20…2000 кГц). Одновременно в линиях всех напряжений от 6 кВ и выше работают каналы высокочастотной связи в диапазоне 30…300 кГц. Надежная работа этих каналов может быть обеспечена, если уровень сигналов по ним значительно превышает уровень помех от короны. В воздушных линиях связи также работают многочисленные ВЧ-каналы. Правила рекомендуют мероприятия, обеспечивающие достаточно малое влияние ВЧ-каналов ЛЭП и ВЧ-помех от короны на ВЧ-каналы ЛС, по которым идет основная работа связи. За пределами полосы отчуждения должен быть обеспечен достаточно низкий для приемников уровень радиопомех от короны на проводах и от преобразовательных устройств на подстанциях постоянного тока. При этом необходимо учитывать, что частичные разряды и корона на изоляторах создают также телевизионные помехи в области УВЧ.

2.3.3. Влияния высших гармоник токов и напряжений

Токи и напряжения высших гармоник ВЛ оказывают мешающее влияние на каналы звуковой частоты линий связи. Высшие гармоники в сетях высокого напряжения возникают главным образом вследствие работы полупроводниковых преобразовательных устройств, электроплавильных печей, электросварочных агрегатов и из-за насыщения стали трансформаторов. Токи и напряжения высших гармоник не участвуют в передаче полезной электроэнергии, они создают добавочные потери и понижают КПД электропередачи. Поэтому их стараются по возможности уменьшить. Как правило, они не превышают нескольких процентов от основного рабочего тока или напряжения. Основная работа линий связи осуществляется по высокочастотным каналам, а каналы тональной (звуковой) частоты используются главным образом для служебной связи. Однако тональные каналы могут оказаться основными в чрезвычайных условиях, особенно при сильном гололеде на проводах линий связи, когда сигналы в высокочастотных каналах сильно затухают. В этих случаях мешающее влияние ВЛ на высших гармониках может иметь существенное отрицательное значение и соответствующие правила предусматривают необходимые меры по их ограничению.

2.3.4. Электрохимическая коррозия

Огромное народно-хозяйственное значение имеет электрохимическая кор-

розия подземных сооружений электроэнергетики. Электрическое поле блуждающих токов в земле инициирует протекание уравнительных токов в подземных металлических устройствах (заземляющих устройствах электростанций, подстанций и опор линий электропередачи; оболочках подземных кабелей трубопроводов, железнодорожных рельсах и т. д.). Электрохимическое разрушение металла происходит в местах выхода ионов из металла в окружающую среду (местном – язвенная коррозия, или общем – сравнительно равномерный переход частиц металла в окружающую почву). При нормальном симметричном режиме работы трехфазной линии электропередачи в земле протекает лишь незначительный уравнительный ток промышленной частоты нулевой последовательности. В несимметричном режиме работы трехфазной линии в земле протекает переменный ток промышленной частоты. Вследствие влияния поверхностного эффекта, этот ток концентрируется вблизи поверхности земли и в основном под проводами линий в пределах полосы с шириной, приблизительно равной

b = 700 ρз / f ,

где ρз – удельное сопротивление земли (Ом·м); f - частота (Гц).

Так, например, при ρз =100 Ом·и f=50 Гц, b=1000 м. Кроме того, переменный ток вызывает значительно меньшую электрохимическую коррозию, чем постоянный. Поэтому основным источником электрохимической коррозии является блуждающий постоянный ток, область протекания которого практически не ограничена. Блуждающий ток вызывается несимметричными линиями, работающими на постоянном токе (трамвай; электрифицированная железная дорога; линия электропередачи постоянного тока, если она работает в несимметричном режиме).

Наиболее интенсивной электрохимической коррозии подвергаются рабочие заземляющие устройства электропередач постоянного тока высокого напряжения. Особенно интенсивно коррозируют устройства, работающие в анодном режиме, когда ионы металла переходят из электрода в грунтовые воды и окружающую почву. Эти заземления устраивают на значительной глубине и вдали от других подземных сооружений, чтобы уменьшить коррозию последних. В качестве заземлителей используются массивные электроды.

Механизм электрохимической коррозии протяженных подземных оболочек кабелей, трубопроводов и т. п. вследствие воздействия блуждающих постоянных токов (и в значительно меньшей степени – переменных) заключается в следующем: блуждающий ток втекает в проводник на катодных участках, где их напряжение оказывается отрицательным по отношению к окружающему

грунту. При этом избыточные электроны переходят из металла в электролит грунта. На анодном же участке проводник заряжен положительно, ток вытекает из проводника, ионы металла переходят в грунт, и проводник (оболочка кабеля, трубопровод или заземлитель) разрушается. Особую опасность представляет локальная "язвенная" коррозия. При этом происходит местное разрушение всей толщи оболочки кабеля или трубопровода, образуется сквозное отверстие, изоляция кабеля увлажняется и значительная длина кабеля выходит из строя. В случае трубопровода возможен взрыв выходящего из него через образовавшееся отверстие под давлением газа. Для этого достаточно возникающих от трения газа искр или повышенного блуждающего тока от проходящего в месте пересечения с трубопроводом электропоезда.

Чтобы уменьшить интенсивность коррозии, необходимо удалить подземный проводник от зоны блуждающих токов, устроить "дренаж" – отвод блуждающих токов на специальные электроды, применять "диодную" защиту – (т. е. принудительно сообщить задаваемому проводнику отрицательное напряжение, включив дополнительный источник постоянного напряжения между этим проводником, специально проложенным дополнительным заземлителем).

Под действием агрессивных включений в атмосфере (например, вблизи химических или цементных заводов и т. п.) возникает ускоренная коррозия висящих в воздухе многожильных стальных тросов и в значительно меньшей степени сталеалюминевых проводов линий электропередач. Для их защиты рекомендуется соответствующая смазка, которая должна покрывать каждую жилу многожильного провода или троса, а в особо угрожаемых случаях даже перейти на сталеалюминевые тросы.

2.3.5. Влияния на протяженные металлические сооружения техносферы

Опасные влияния на промышленной частоте. Под "опасным" влиянием на протяженные металлические сооружения техносферы будем понимать такое влияние, при котором индуктированные напряжения в цепях линий связи (ЛC), транспортных устройствах или других элементах могут создавать опасность для здоровья и жизни обслуживающего персонала, населения и абонентов ЛС, вызывать повреждения аппаратуры и приборов или ложные срабатывания железнодорожной сигнализации. Со всем этим приходится считаться прежде всего при наиболее неблагоприятных – аварийных или ненормальных – режимах работы сети высокого напряжения.

При несимметричных коротких замыканиях (КЗ) в сети с эффективным

заземлением нейтрали возникают большие токи в земле и сильные магнитные поля. Они могут вызвать опасные магнитные поля. Возникает ЭДС взаимоиндукции в находящихся вблизи воздушных и кабельных линиях связи, в цепях железнодорожной сигнализации и блокировки. В таких случаях необходимо применять специальные меры для их защиты.

Правила защиты устанавливают нормативные величины допускаемых значений напряжения на проводах ЛС и продольной ЭДС взаимоиндукции. Эти требования учитывают возможные в эксплуатации ЛС различные конкретные ситуации. Так, например, в особо неблагоприятных условиях оказываются монтеры, выполняющие ремонтные работы на подземном кабеле связи в стесненных условиях, в кабельном колодце и во влажной земле. При этом допустимо наименьшее напряжение на проводах ЛС, так как сопротивление тела человека может быть минимальным (1000 – 5000 Ом).

Взначительно более благоприятных условиях оказываются рабочие, ремонтирующие воздушную ЛС деревянных опор. При правильной организации труда рабочие должны быть закреплены монтажным поясом. Тогда инстинктивное отдергивание руки при ударе током не приведет к падению и механической травме. Кроме того, ток, который проходит через монтера, существенно ограничен включенным последовательно сопротивлением деревянного столба, составляющим не менее 10 кОм на каждый метр его длины.

Повреждение аппаратуры и приборов в цепи ЛС может возникнуть в случае, когда суммарное приложенное напряжение окажется выше пробивного напряжения изоляции жил кабеля или аппаратов по отношению к заземленным экранам или к оболочке кабеля.

Электрическая прочность кабелей связи, вводных устройств и аппаратуры при кратковременном воздействии в течение 1...2 секунды несколько выше, чем испытательное одноминутное напряжение. Однако в условиях эксплуатации, вследствие старения изоляции, ее электрическая прочность снижается. В первом приближении можно считать, что эти два обстоятельства взаимно компенсируют друг друга. Кроме того, на кабельных ЛС часто предусматривают дистанционное питание неуправляемых усилительных пунктов (НУПов). Поэтому правила защиты требуют, чтобы величина кратковременной ЭДС взаимоиндукции с учетом возможного неблагоприятного наложения напряжения дистанционного питания не превышала испытательного напряжения аппаратуры и кабелей связи.

Вдлительном режиме работы ЭДС взаимоиндукции также с учетом напряжения дистанционного питания НУП при применении соответствующих

мер защиты не должна превосходить допустимого рабочего напряжения между жилами кабеля.

При расчетах опасного влияния ВЛ на людей и аппаратуру ЛС необходимо учитывать как нормальный режим работы ВЛ, так и наиболее неблагоприятный аварийный режим КЗ в одной точке. Одновременное наложение КЗ в двух различных удаленных друг от друга точках – маловероятное событие. Оно учитывается в исключительных случаях. Так, например, особо ответственным является влияние ВЛ на цепи железнодорожной полуавтоматической блокировки с блок-механизмами. При неблагоприятном стечении обстоятельств это влияние может привести к авариям на железной дороге. В этих условиях правила защиты требуют учитывать даже такую маловероятную возможность, как наложение КЗ на одной ВЛ в двух точках, удаленных друг от друга. Линии 6 – 35 кВ, работающие в сетях с изолированной нейтралью, при одновременном КЗ двух фаз в разных точках могут создавать повышенные индуктированные напряжения в цепях железнодорожной блокировки.

Опасность представляет продольная ЭДС взаимоиндукции Е на длине гальванически неразделенного участка сближения:

n

E = ∑I i ki Zili ,

i=1

где Ii ki li - соответственно влияющий ток нулевой последовательности ВЛ, коэффициент защитного действия оболочки кабеля, рельсов, тросов и других экранирующих элементов и длина i-го участка эквивалентного параллельного сближения ВЛ и ЛС; Z – взаимное сопротивление между ВЛ и ЛС с учетом поверхностного эффекта в земле, вычисленное по формулам, или кривым Карсона, или по приближенной формуле

jωμ

0

a2

+ (h + h + 2h

)2

ρ

з

Z

i

=

ln

1 2

0

;

h =

,

4π

a2 + (h + h

2

)2

0

jωμ0

1

где h0 - эквивалентная комплексная глубина уровня зеркального отражения магнитного поля в земле; a, h1, h2, ρз – соответственно ширина сближения высоты ВЛ и ЛС над поверхностью земли и ее удельное сопротивление.

Для уменьшения влияния ВЛ на ЛС устанавливают разделительные линейные и редукционные трансформаторы. Аппаратура узла связей оказывается отделенной от линии, а участок сближения ограничен двумя соседними разделительными и редукционными трансформаторами. Правила защиты устанавливают допустимые значения (табл. 2.5) продольных ЭДС взаимоиндукции для

линий связи и цепей железнодорожной блокировки. В тех случаях, когда допустимая продольная ЭДС превышает установленную норму, дополнительно к указанным выше разделительным и редукционным трансформаторам приходится устанавливать разрядники. При этом напряжение на проводе ЛС по отношению к земле, а также падение напряжения на сопротивлениях заземления разрядников при наиболее неблагоприятном КЗ на ВЛ не должны превышать значений, приведенных в табл. 2.5 и 2.6.

Принятое КЗ не должно превышать значений, приведенных в табл. 2.5 и

2.6.

Для снижения опасного влияния на ЛС устанавливают дренажные катушки, можно также вместо железобетонных и стальных опор на ЛС использовать деревянные, для которых допустимые ЭДС и напряжения значительно выше.

На участках тесного сближения иногда приходится заменять воздушную ЛС кабельной. В отдельных случаях необходимо перенести ЛС дальше от ВЛ и тем самым существенно уменьшить влияние ВЛ.

Примечания: Uисп – испытательное одноминутное напряжение, В, Uраб – рабочее напряжение между жилами цепей кабеля, В, Uдп - напряжение источника дистанционного питания, В.

Ряд мер, способствующих снижению опасных влияний, можно осуществить и на ВЛ. К их числу относятся:

1)установка на ВЛ хорошо проводящих (сталеалюминевых) заземленных

тросов;

2)частичное разземление нейтралей трансформаторов для уменьшения токов однофазного КЗ;

3)автоматический контроль состояния изоляции ВЛ с изолированной нейтралью и быстрое отключение поврежденного участка, чтобы исключить КЗ

в2-х точках;

4)перевод воздушной линии в кабельную в городских условиях, а также

впересечениях с ВЛ.

Вотдельных случаях, когда ЛС находится в непосредственной близости от ВЛ 6 – 35 кВ сети с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью, приходится учитывать также возможность опасного электрического влияния ВЛ на ЛС. Такая опасность может возникуть при замыкании на землю одной фазы ВЛ 6 – 35 кВ, так как при этом на остальных двух фазах напряжения повышаются до линейных, а сдвиг фаз между ними может быть порядка 60°, а в случае дугового замыкания на землю имеют место, кроме того, многократные зажигания и погасания электрической дуги, сопровождающиеся бросками тока

и напряжения на здоровых и аварийной фазах линии.
					Таблица 2.5
Допустимые значения ЭДС Едоп и напряжения Uдоп для кабельных
	ЛС и цепей полуавтоматической блокировки
Характеристика	Допустимо, если специальные меры защиты
цепи	отсутствуют		длительно	имеются	длительно
	кратковременно			Едоп, В
			t, ч		Едоп = Uдоп,В
Кабельные ЛС	Едоп< Uисп		<2	70	Едоп<Uраб
без дистанци-			>2	36
онного питания	Едоп<Uисп				Едоп<Uраб
То же с ДП,			<2	70
изолированным			>2	36
от земли
То же с ДП и	Едоп<Uисп–Uдп	1	<2	70	Едоп<Uраб–Uдп /	2
заземленным		2	>2	36
полюсом ис-
точника посто-
янного тока
То же с ДП и	Едоп<Uисп–Uдп	1	<2	70	Едоп<Uраб– Uдп /	2
заземленной		2	>2	36
средней точкой
источника пе-
ременного тока
Цепи полуавтоматической блокировки с блок-механизмами:
однопроводные	Едоп<60 В		>1	30	–
двухпроводные	Едоп<30 В		>1	30	–
					Таблица 2.6

Допустимые ЭДС и напряжения относительно, земли для воздушных ЛС

			Допустимо, если разрядники:
	Характеристика цепи		отсутствуют			установлены
		кратковременно		длительно		кратковременно
		T, с	Едоп,В	T, ч	Едоп,В	T, с	Едоп,В
	Воздушные ЛС на же-	<0,15	320	<2	70	-	-
		0,15-0,3	240	>2	36	-	-
	лезобетонных или ме-	0,3-0,6	160			-	-
	таллических опорах
		>0,6	120			-	-
	Воздушные ЛС на де-	<0,15	2000	<2	120	<0,15	1300
	ревянных опорах, в	0,15-0,3	1500	>2	60	0,15-0,3	1000
	т. ч. с железобетонны-	0,3-0,6	1000			0,3-0,6	750
	ми приставками	>0,6	750			>0,6	500

2.3.6. Влияния на электроносферу

Опасные влияния

Перенапряжения в питающей сети, а также даже самые кратковременные скачки напряжения в питающей сети могут привести к пробою изоляции или выходу из строя элементов электронной, особенно полупроводниковой техники, и тем самым вывести из строя ЭВМ подчас в наиболее ответственный момент, когда требуется особенно четкая и бесперебойная работа. Специфическое опасное влияние может возникнуть вследствие гальванического влияния со стороны заземления при внезапном КЗ в питающей сети на землю.

Мешающие влияния

Неустойчивое напряжение – "скачки" напряжения, а также высшие гармоники источников питания промышленной частоты, как правило, не опасны для компьютерной электронной техники, но вызывают сбои и нечеткую работу ЭВМ и требуют включения источников питания через соответствующие фильтры. Весьма важно, чтобы совместно работающие блоки электронной техники были заземлены в одной точке, так как уравнительные токи, возникающие между отдельными «землями», часто оказываются источником нежелательных помех вследствие емкостных или индуктивных электромагнитных наводок или гальванических влияний на интегральные схемы. Близко расположенные и недостаточно экранированные мощные электрические цепи могут создавать такие электромагнитные наводки в цепях питания и внутренних цепях ЭВМ, которые существенно затруднят их работу.

Частоты функционирования практически всех устройств электроносферы значительно выше промышленной частоты 50 Гц. Однако всевозможные высокочастотные электромагнитные колебания в цепях электроэнергетики создают нежелательные помехи в указанных устройствах, расположенных вблизи мощных электроэнергетических установок. Повторные зажигания и погасания электрической дуги возникают между контактами высоковольтных аппаратов, особенно – разъединителей. Зажигания и погасания дуги возбуждают в коммутируемых контурах электромагнитные колебания, создающие помехи в расположенных вблизи от них электронных схемах. Токи высокой частоты, возникающие в проводах ВЛ вследствие короны, а также токи каналов ВЧ-связи по этим проводам генерируют в окружающем пространстве электромагнитные поля, создающие радиопомехи в расположенных вблизи радиоприемных устройствах.

Экологические последствия от крупногабаритных сооружений ВЛ нарушают условия распространения радиоволн и искажают показания радиомаяков и других направленных радиопередач.

2.3.7. Внутренние влияния между подсистемами электроэнергетики

Нарушение электромагнитной совместимости между различными подсистемами самой электроэнергетики приводят к крайне нежелательным последствиям для нее: коммутационные, дуговые и квазистационарные перенапряжения в сетях высокого напряжения вызывают повреждения изоляции, короткие замыкания, отключения, нанося большой народно-хозяйственный ущерб. Необходимо поддерживать достаточно высокий уровень изоляции и предусмотреть установку разрядников или ОПН на линиях СВН и УВН.

Аварии и оперативные коммутации вызывают опасные и мешающие влияния цепей высокого напряжения "первичной коммутации" на цепи "вторичной коммутации" с электронными устройствами информационной и компьютерной техники электростанций и подстанций высокого напряжения. Они аналогичны рассмотренным влияниям на устройства электроносферы и могут привести к выходу из строя или неселективной работе устройств вторичной коммутации в наиболее ответственные моменты аварий или коммутаций цепей первичной коммутации, когда от цепей вторичной коммутации требуется особенно четкая, селективная и бесперебойная работа

В электроэнергетике очень широко используется ВЧ-связь и возникают проблемы, аналогичные рассмотренным выше. Кроме того, на подстанциях с мощными трансформаторами возможно возникновение помех между ВЧ каналами на линиях разного класса напряжений вследствие емкостных связей между обмотками этих трансформаторов.

Вопросы для самопроверки

1.Какая частота индуктируемых токов может возникать в сетях высокого напряжения?

2.Какое влияние оказывают импульсы токов короны на технические средства?

3.Какое влияние оказывают высшие гармоники токов и напряжений на

ЛС?

4.Что вызывает электрохимическую коррозию?

5.Как воздействует электрохимическая коррозия на подземные объекты?

6.Какое влияние оказывают ВЛ на протяженные металлические соору-

жения?

7.К каким нежелательным последствиям приводит нарушение электромагнитной совместимости между различными подсистемами самой электроэнергетики?

Раздел 3. Защита электрооборудования от внешних электромагнитных влияний. Кондуктивные помехи

3.1. Требования к защитным устройствам и способы защиты

Развитие новых технологий в микроэлектронике привело к повсеместному использованию в схемах контроля, управления, сбора и обработки различной информации высокопроизводительных, экономичных и малогабаритных интегральных микросхем. Однако по мере усложнения этих схем и миниатюризации их элементов постоянно наблюдалось снижение их стойкости к внешним электромагнитным воздействиям, что потребовало повышения надежности защиты. Применявшиеся ранее методы защиты от электромагнитных помех, вполне оправдавшие себя в работе со старой элементной базой, оказывались непригодными при переходе на современную элементную базу, и приходилось не только совершенствовать устройства защиты (разрядники, фильтры и т. п.), но и искать новые принципы построения защиты от внешних электромагнитных влияний. Например, схемы на электронных лампах имели уровень допустимых импульсных воздействий порядка нескольких сотен вольтов, причем пробой межэлектродного промежутка внутри лампы чаще всего не приводил к ее повреждению, а лишь создавал сбои в работе.

Схемы на полупроводниковых транзисторах имеют уровень допустимых напряжений уже порядка нескольких десятков вольтов, причем после воздействия импульса, превышающего допустимый уровень, происходит, как правило, повреждение транзистора, требующее поиска поврежденного элемента и его замены. Для элементов интегральной микроэлектроники уровень допустимых напряжений может снижаться до единиц вольтов, причем после повреждения хотя бы одного из многочисленных элементов вся интегральная схема чаще всего оказывается полностью непригодной для дальнейшей работы.

Одновременно со снижением уровня допустимых перенапряжений уменьшаются и значения допустимых значений зарядов, проходящих при им-

пульсных воздействиях через элементы схемы, а также и выделяемой при импульсах энергии, что требует ограничения не только амплитуды, но и длительности воздействующих импульсов. Для некоторых микросхем параметры разрушающего воздействия столь малы, что даже прикосновение руки человека, сопровождающееся разрядом электростатического заряда паразитной емкости тела человека относительно земли через электроды схемы, является для нее губительным (ГОСТ 29191-91).

При оценке реальных воздействий на различную аппаратуру приходится учитывать не только исходные параметры полей, создаваемых внешними их источниками, по и параметры каналов прохождения помех к чувствительным элементам аппаратуры. Чаще всего влияния проникают через присоединенные к аппаратуре линии передачи информации и линии электропитания, и характеристики этих линий во многом определяют степень опасности помех. В других случаях поля проникают непосредственно к месту размещения чувствительных элементов, проходя сквозь несовершенные экраны, и наводят напряжения и токи в монтажных проводниках. Наличие специальных средств защиты (экранирования, фильтров, ограничителей амплитуд импульсов напряжения и т. п.) также существенно изменяет условия работы аппаратуры при наличии помех.

Типичные значения предельных воздействий, допустимых для различных видов электронной аппаратуры, приведены в табл. 3.1.

		Таблица 3.1
	Предельные воздействия
	Тип оборудования	Электрическая прочность, кВ
	Сети электропитания	1-3
	Схемы с дискретными элементами (ре-	0,5-5
	зисторами, конденсаторами и т.д.)
	Биполярная техника	0,05-0,2
	Интегральные схемы	0,01-0,2

Таким образом, основным фактором, определяющим требования к способам защиты и защитным устройствам, является элементарная база защищаемого оборудования. Второй фактор – интенсивность потока опасных электромагнитных воздействий, которая оценивается обобщенно по характерным местам установки защищаемого оборудования. В зависимости от наличия нижеперечисленных признаков условия эксплуатации ТС подразделяются на следующие классы.

Класс 0:

-ТС установлены в специальном помещении;

-все введенные извне кабели снабжены защитой от перенапряжений;

-ТС подсоединены к эффективной системе заземления, на которую не оказывают существенного влияния энергетические установки и молниевые разряды, или снабжены автономными средствами электропитания.

Класс 1:

-все введенные извне кабели снабжены защитой от перенапряжений;

-ТС подсоединены к заземляюшей магистрали, на которую не оказывают существенного влияния энергетические установки и разряды молнии;

-электропитание электронного оборудования отделено от электропитания другого оборудования;

-операции переключения могут создавать напряжения помех внутри помещения.

Класс 2:

-кабели, содержащие цепи электронного и электротехнического оборудования, разделены;

-ТС подсоединены с помощью разделенных заземляющих шин к системе заземления, энергетического оборудования, которая может подвергаться влиянию напряжений помех, образованных как самим оборудованием, так и молниевыми разрядами;

-электропитание ТС развязано от других питающих цепей, как правило, специальными питающими трансформаторами.

Класс 3:

-кабели, содержащие цепи электронного и электротехнического оборудования, проложены параллельно;

-TС подсоединены к общей с энергетическим оборудованием системе заземления, которая может подвергаться существенному влиянию помех, образованных как самим оборудованием, так и молниевыми разрядами;

-токи от коротких замыканий, операций переключения и молниевых разрядов могут образовывать в системе заземления напряжения помехи с относительно большой амплитудой;

-защищенное электронное оборудование и менее чувствительное электрическое оборудование подсоединены к одной и той же сети электропитания;

-кабели межсоединений могут частично прокладываться за пределами здания рядом с заземляющими шинами;

-оборудование содержит коммутируемые индуктивные нагрузки, не снабженные помехоподавляющими средствами.

Класс 4:

-многопроходные кабели содержат цепи электродного и электротехнического оборудования;

-ТC подсоединены к системе заземления энергетического оборудовании, которая может подвергаться влиянию помех, образованных как самим оборудованием, так и молниевыми разрядами;

-токи от коротких замыканий, операций переключения в сетях электропитания и молниевых разрядов могут образовывать в системе заземления напряжения импульсных помех с относительно большими амплитудами;

-сеть электропитания может быть общей для электронного и электротехнического оборудования;

-кабели выходят за пределы здания, в том числе к высоковольтному оборудованию;

отсутствует специально спроектированная заземляющая система для электронного оборудования.

Класс 5:

-ТС подключены к наземным энергетическим линиям малонаселенных районов;

-все кабели и линии снабжены первичной зашитой от перенапряжений;

-электронное оборудование не имеет распределенной заземляющей сис-

темы;

-напряжение импульсов помех, вызванных короткими замыканиями и разрядами молнии, может быть экстремально высоким, если не применены средства зашиты.

Требования к уровню испытательных воздействий изменяются в зависимости от места работы аппаратуры.

Наибольшее влияние на ожидаемую величину импульсных перенапряжений оказывают способ подводки питания к электронным схемам установки, способ их заземления, расположение контрольных и силовых кабелей; а также присутствие поблизости от этих кабелей высоковольтного оборудования.

Вопросы для самопроверки

1.Какие предъявляют требования к защитным устройствам и способам защиты от внешних электромагнитных влияний?

2.Укажите типичные значения предельных воздействий, допустимых для различных видов электронной аппаратуры.

3. На какие классы подразделяются ТС в зависимости от условий эксплуатации?

3.2. Применение экранов для повышения электромагнитной совместимости электронной аппаратуры

Задача экранирования – ослабление электрических, магнитных и электромагнитных полей в тех областях пространства, где их появление может иметь нежелательные последствия. Для аппаратуры автоматики, обработки информации и связи актуальной задачей является экранирование ее электрических схем от внешних электромагнитных полей, возникающих при работе электроэнергетических установок, радиопередающих устройств или при грозовых разрядах.

Экран в простейшем виде представляет собой металлический лист, устанавливаемый между источником поля и защищаемым устройством. Электрическая компонента поля наводит на поверхности экрана заряды, поле которых компенсирует за экраном внешнее поле, а магнитная составляющая индуцирует в теле экрана токи, магнитное поле которых также направлено навстречу внешнему полю. На эффективность экранирования влияют: конфигурация и размеры экрана, его электропроводность и магнитная проницаемость, а также частота или скорость изменения поля.

Количественно эффективность экрана оценивается коэффициентом экранирования S. Это отношение амплитуды напряженности поля в определенной точке защищаемого пространства при наличии экрана к амплитуде этого поля в той же точке при отсутствии экрана. Для электростатического экрана, в частности, Sc = E3 / E1 , а для магнитного SH = H3 / H1 , где Е1 и Н1 – напряженности электрического и магнитного полей при отсутствии экрана, а Е3 и Н3 – при его наличии.

Часто коэффициент экранирования выражается в децибелах. В этом случае

SE = 20lg(E3 / E1), SH = 20lg(H3 / H1) .

Расчет коэффициентов экранирования даже для простейшей конфигурации экрана – плоской поверхности в общем случае требует рассмотрения процессов отражения электромагнитных волн от внешней поверхности экрана, преломления волны в экран, затухания волны при прохождении сквозь экран и преломления волны на внутренней поверхности экрана.

Величина, обратная коэффициенту экранирования, называется затуханием поля:

A = 20lg(1/ S).

Основной характеристикой среды, в которой распространяется электромагнитная волна, является волновое сопротивление среды:

Z B = E / H

Для плоской электромагнитной волны, движущейся вдали от источника излучения, эту величину можно рассчитать по формуле

Z = jωμ/(σ+ jωε),

(3.1.)

где ω – угловая частота поля; μ и ε – магнитная и диэлектрическая проницаемости среды; σ – удельная проводимость среды.

Для воздуха можно пренебречь проводимостью σ, тогда Z = μ/ ε =120π. Для металла экрана, наоборот, допустимо пренебречь членом jωε, тогда

Z = jωμ/ σ . Отражение от первой поверхности плоского экрана, размеры ко-

торого велики по сравнению с длиной волны, дает затухание
Aзат = 20lg(Z B /(4Z э)),	(3.2)

где ZЭ – сопротивление экрана.

Подставив в выражение (3.2) формулы для Z воздуха и Z металла, можно увидеть, что затухание поля при первом отражении наиболее сильное при высокой проводимости металла экрана и при низкой магнитной проницаемости.

Потери на поглощение в металле проводника при толщине экрана d дают затухание

Aпогл = 8.69d / δ = 6.16d ωμэσ,

где μэ – магнитная проницаемость вещества экрана;δ = 2 / ωμ0σ – глубина

проникновения, определяемая как расстояние, которое должна пройти электромагнитная волна в металле, чтобы ослабнуть в е раз. Как видно из этой формулы, потери на поглощение растут с увеличением толщины экрана, магнитной проницаемости и удельной проводимости материала экрана, а также частоты помехонесущего поля. Потери на отражения внутри экрана (от его внутренних поверхностей) можно оценить по формуле

Aвнутр = 20lg(1−exp(−2d / δ)).

Суммарное затухание поля после прохождения сквозь экран определится суммированием затуханий от всех видов потерь:

A = Аотр + Апогл + Авнутр.

Хотя электрические и магнитные поля отражаются от внешней и от внутренней поверхностей экрана по-разному, суммарный эффект после прохождения сквозь экран одинаков для обоих полей. При этом наибольшее отражение

имеет место для электрического поля на внешней, а для магнитного – на внутренней поверхности экрана. Приведенные формулы имеют общий характер, однако в частных случаях можно воспользоваться допущениями, аналогичными сформулированным, при рассмотрении величин наводок на проводниках, расположенных во внешнем электромагнитном поле, а именно – считать поля квазистационарными. Это допустимо при выполнении двух условий: а) габаритные размеры экрана должны быть существенно меньше длины волны поля; б) глубина проникновения поля в материю экрана при той частоте, с которой изменяется поле, должна быть намного больше толщины экрана.

При этих условиях оказывается возможным при расчетах влияния поля использовать эквивалентные схемы, составленные из элементов с сосредоточенными параметрами.

Рассмотрим в качестве примера важный для практических приложений случай – расчет поля, наводимого во внутренней полости замкнутого экрана внешним квазистационарным электрическим полем. Возьмем экран прямоугольной формы, расположенный на поверхности, имеющей нулевой потенциал. Над этой поверхностью имеется однородное электрическое поле, источником которого будем условно считать слой зарядов, расположенных равномерно на некоторой плоскости, параллельной плоскости нулевого потенциала. Пока напряженность влияющего поля не изменяется, экран обеспечивает полное отсутствие поля как в толще самого экрана, так и во внутреннем его объеме, поскольку заряды, наведенные внешним полем, располагаются на его поверхности таким образом, чтобы потенциал всех точек экрана был одинаков. Однако при изменении внешнего поля будет происходить перемещение зарядов по поверхности экрана, т.е. по стенкам экрана потечет ток, создавший падение напряжения на сопротивлении стенок (при медленных изменениях поля оно будет иметь активный характер). За счет этого появится разность потенциалов между верхней и нижней стенками внутренней полости экрана, следовательно, внутри экрана появится электрическое поле. При расчетах величин емкости верхней части экрана относительно нижней его части, а также сопротивления стенок с учетом распределения тока по поверхности экрана рекомендуются формулы для экрана сферической формы:

C = 3πεD, R =1/(2πσDd),

где D - высота экрана; d– толщина его стенок; σ – удельная проводимость материала экрана.

С увеличением скорости изменения внешнего электрического поля растет скорость перемещения наведенных на экран зарядов, а следовательно, возрас-

тает и ток в экране, что увеличивает проникновение поля внутрь экрана. Однако с ростом частоты изменения внешнего поля ω начинает проявляться скинэффект, заключающийся в том, что ток в стенках экрана вытесняется на его наружную поверхность, а поле внутри экрана ослабляется. Величина глубины проникновения (скин-слоя) в стенках экрана определяется выражением δ = 2 / ωμ0σ0 . Пока толщина стенки экрана меньше толщины скин-слоя, зави-

симость отношения внутреннего поля к внешнему от частоты имеет вид

E(ω) / E0 (ω) = (3/ 2)(Dωε0 / σ0d).

При d > δ эта зависимость имеет вид

E(ω) / E0 (ω) = 3 2ωε0 D exp(−d / δ) / σ0δ.

Эти формулы показывают, что эффективность экранирования от внешнего электрического поля уменьшается по мере роста частоты до тех пор, пока толщина скин-слоя не станет во много раз меньше толщины стенки экрана. В реальных конструкциях экранов дополнительное снижение качества экранирования с ростом частоты наблюдается из-за наличия различных отверстий и полей на его поверхности. Если экран сделан из магнитного материала, то скинэффект усиливается, и это улучшает эффективность экранирования. Однако электропроводность этих материалов обычно ниже электропроводности алюминия и меди, что делает последние более подходящими для изготовления электростатических экранов. В ответственных конструкциях поверхность экрана из этих же соображений покрывают тонким слоем золота.

Вопросы для самопроверки

1.Какова задача экранирования?

2.Чему равен коэффициент экранирования?

3.Чему равен коэффициент затухания поля?

4.Чему равно суммарное затухание поля после прохождения сквозь эк-

ран?

5. Как зависит эффективность экранирования от частоты внешнего электрического поля?

3.3. Рекомендации по обеспечению помехозащищенности и электромагнитной совместимости блоков автоматики, управления и связи

Способы борьбы с внешними помехами в цифровой и аналоговой технике включают: правильное с точки зрения ЭМС выполнение внешних связей, электромагнитное экранирование, заземление, фильтрацию, резервирование пита-

ния. Термином "земля" обозначают различные по назначению и техническому исполнению устройства, фиксирующие нулевой потенциал на "базовых" элементах электрической схемы, на экранах и на металлических корпусах аппаратуры. Функционально их подразделяют на следующие группы:

а) проводники, по отношению к которым производится отсчет напряжения питания, а также входных и выходных сигналов;

б) проводники, предназначенные для образования путей обратных сигнальных и питающих токов (с учетом аварийных токов короткого замыкания); в) поверхности и соединения, предназначенные для электромагнитного экранирования всей аппаратуры или ее частей, восприимчивых к помехам или

излучающим помехи; г) система соединений частей электрической схемы или элементов конст-

рукции аппаратуры, предназначенная для защиты персонала от поражения электрическим током.

Практически выполняемые заземления чаще всего одновременно выполняют несколько из перечисленных функций. Например, нулевой провод четырехпроводной сети питания трехфазным током служит и проводником, относительно которого измеряются фазные напряжения сети, и проводником для протекания токов нулевой последовательности в нормальных и аварийных режимах, а часто используется также и как средство заземления корпусов аппаратуры для защиты персонала. Ввиду противоречивости требований к различным группам заземлений такое совмещение функций часто приводит к ухудшению эффективности их действия. В частности, основное требование к "базовой" системе проводников, относительно которых измеряются сигналы, – это их эквипотенциальность. Но в случае, когда она одновременно предназначается и для пропускания возвратных токов, на активных и индуктивных сопротивлениях этих проводников возникает падение напряжения от протекания постоянных и переменных токов. Эквипотенциальность заземляющей системы нарушается, во входных и выходных цепях возникают помехи. При протекании аварийных токов эти паразитные сигналы могут достигать значений, представляющих опасность для элементов схемы и даже для обслуживающего персонала.

Топология заземляющих проводников может представлять собой сплошную поверхность, магистральную, радиальную или смешанную систему соединенных проводников. Сплошная поверхность обеспечивает наилучшую эквипотенциальность ввиду низких значений активного и индуктивного сопротивлений. Она же наиболее эффективна и как электромагнитный экран. Поэтому заземляющие проводники в виде сплошной поверхности находят широкое при-

менение в многослойных платах печатного монтажа и в экранированных конструкциях. На подстанциях высокого напряжения принцип поверхностного заземляющего электрода реализуется путем укладки под землей сетки из металлических стержней, соединенных между собой и с вертикальными электродами

– заземлителями, число и длина которых определяются исходя из нормированных значений сопротивлений заземления.

Магистральная система заземляющих проводников наиболее экономична, но создает наибольшие помехи в каналах связи при протекании возвратных токов, в особенности – тока источников питания и токов короткого замыкания питающей сети. Ослабить помехи можно путем размещения наиболее энергоемких потребителей вблизи от источника питания. В каналах связи большой протяженности (междугородные кабельные линии связи) приходится для ослабления помех, создаваемых протеканием по экранирующим оболочкам кабеля токов, наведенных внешними источниками, применять частотноизбирательные цепи, пропускающие сигналы звуковой частоты и запирающие сигналы промышленной частоты, а также использовать различные способы кодирования полезного сигнала.

Радиальная система соединения заземляющих проводников имеет меньше общих участков для протекания обратных сигнальных токов и токов питающей сети, но требует большей длины заземляющих проводников. На практике приходится применять смешанную систему соединений, при построении которой требуется творчески использовать достоинства каждой из вышеперечисленных. При этом следует избегать возникновения замкнутых контуров (петель) в соединении заземляющих проводников, поскольку в каждой петле внешние импульсные поля наводят токи помех. Другое важное требование заключается в том, чтобы отдельные, подлежащие заземлению системы проводников (земля логической части изделия, корпус, т. е. защитно-экранирующая система, а также нейтраль питающей сети) соединялись между собой только в одной точке. Эта точка именуется опорным узлом заземления.

Если аппаратура состоит из нескольких блоков, каждый из которых имеет свой опорный узел, то соединение опорных узлов следует выполнять топологически в виде разветвленного дерева (без петель). Также полезно знать, в каких случаях допускается не производить защитное заземление не нарушая, при этом правил техники безопасности. Защитное заземление можно не производить в следующих случаях:

а) если устройство питается от сети напряжением не выше 500 В и находится при этом в помещении, в котором нет условий повышенной или особой

опасности. В таких помещениях относительная влажность не должна превышать 60 %, а температура – не более 30◦ С, не должно быть токопроводящих полов, исключена возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей устройствам или конструкциям, с одной стороны, и к металлическим корпусам незаземленных устройств – с другой;

б) если устройство питается от разделяющего или понижающего трансформатора, выполняющего роль разделяющего, то трансформаторы должны удовлетворять специальным техническим требованиям в отношении повышенной надежности конструкции и повышенных испытательных напряжений. Вторичное напряжение трансформаторов не должно превышать 380 В. Корпус трансформаторов должен быть заземлен;

в) если устройство питается от сети переменного тока напряжением 36 В и ниже или постоянного тока 110 В и ниже;

г) если система питания устройств содержит систему защитного отключения, которая обеспечивает автоматическое отключение всех фаз питания устройства с полным временем отключения с момента возникновения однофазного замыкания не более 0,2 с;

д) если устройство обслуживается с изолированных площадок, которые выполнены таким образом, что прикосновение к представляющим опасность незаземленным частям устройства может быть только с площадки;

е) если электроприемники в устройстве, питающиеся от сети переменного тока напряжением более 36 В или постоянного тока напряжением более 110 В, снабжены двойной изоляцией. При этом в электроприемниках должны быть две независимые и рассчитанные на номинальное напряжение ступени изоляции, выполненные таким образом, что повреждение одной из них не приводит к появлению потенциала на доступных прикосновению металлических частях.

Вопросы для самопроверки

1.Укажите способы борьбы с внешними помехами в цифровой и аналоговой технике.

2.Какую топологию могут иметь заземляющие проводники?

3.Как следует выполнять заземление, если аппаратура состоит из нескольких блоков, каждый из которых имеет свой опорный узел?

3.4.Схемы подключения аппаратуры

3.4.1.Схема подключения аппаратуры, не имеющей информационных связей с другими устройствами

Питание подается от распределительного щита (РЩ), и контактор позволяет отключать три фазы питающей сети (нулевой провод не прерывается). На распределительном щите имеется узел заземления (ЗУ), соединенный с заземлителем здания, в котором он установлен. Зеземлителем может служить сварной каркас здания или подземная водопроводная система, однако предпочтительнее иметь автономный электрод заземления в виде прута диаметром не менее 15 мм, забитого в землю на глубину 3 – 4 м, или в виде закопанного металлического листа площадью 1,5 – 2 м. Длина соединительного проводника от заземлителя до узла заземления не должна превышать 15 м, а его сопротивление – 3 Ом. К узлу ЗУ РЩ рекомендуется также подсоединить проводом нуль сети (нейтраль). Фидер должен представлять собой экранированный кабель со сплошной или гибкой (плетеной) оболочкой или, что более предпочтительно, быть заключен в жесткую стальную трубу. Этот экран со стороны присоединяется проводом металлизации к узлу ЗУ РЩ, а с другой – проводом металлизации к опорному узлу ЗУ на проводящем корпусе аппаратуры. Если кабель имеет только гибкий экран - оплетку, то рекомендуется узлы ЗУ дополнительно соединить проводом металлизации. К узлу ЗУ проводами металлизации радиальным или магистральным способами подсоединяются проводящие корпуса сетевого фильтра, вторичного источника питания (ВИП) и логического блока.

Если сетевой фильтр расположен вне корпуса аппарата, то кабель между ним и вторичным источником питания также должен быть экранирован. К опорному узлу ВИП проводами металлизации подсоединяются выходной зажим ВИП "общая шина" и междуобмоточный электростатический экран силового трансформатора.

Все проводники металлизации должны иметь возможно меньшее активное и индуктивное сопротивления. При тяжелой электромагнитной обстановке питания распределительного щита РЩ рекомендуется подводить от отдельного, не имеющего другой нагрузки разделительного трансформатора, установленного не далее 30 м от РЩ.

3.4.2.Схема подключения аппаратуры, состоящей из комплекса блоков

Вэтом параграфе рассматривается схема подключения аппаратуры, представляющей собой набор отдельных блоков, размеренных в пределах одной

стойки или в нескольких механических скрепленных между собой стойках таким образом, что линии связи между блоками не выходят за пределы общего корпуса стоек. Питание аппаратуры подводится так же, как и в предыдущей схеме. Соединения между сетевыми фильтрами, вторичными источниками питания и логическими блоками в каждом устройстве внутри стойки выполняются так же, как и для устройства в одиночном корпусе, за одним исключением: общая шина вторичного питании всей логической системы присоединяется к системе земель только в одном месте. В общем случае это соединение осуществляется в блоке, который имеет наибольшее число проводных каналов связи с другими блоками, например в блоке процессора. Разводка первичного питания осуществляется шинами, проложенными в специальных экранированных отсеках стойки. В этих же отсеках располагается шина "корпус", присоединяемая к опорному узлу стойки.

3.4.3. Практические рекомендации по выполнению экранирования аппаратуры

Экранирование и защита фильтрами – наиболее эффективные схемнотехнические способы борьбы с внешними и внутренними помехами. Эти мероприятия должны применяться одновременно и взаимно координироваться, поскольку каждое из них в отдельности не в состоянии обеспечить достаточную эффективность защиты.

Как устройства аналоговой обработки информации, так и цифровые машины нуждаются в тщательном экранировании своих схем с помощью металлических корпусов-экранов. Следует не выпускать из виду не только основные функциональные узлы устройства, но и другие его части: соединительные кабели, разъемные соединения, фильтры, пульты, органы управления, устройства отображения информации и т. д. Для эффективного экранирования в широком диапазоне частот элементы каркаса и обшивки корпуса должны быть очищены от декоративной или антикоррозионной окраски в местах их стыковки, а съемные элементы корпуса должны подсоединяться металлизирующими проводниками или конструкциями. На поверхностях стыковки желательно иметь специальное электропроводящее покрытие, обладающее износостойкостью и стойкостью к коррозии, например слой никеля, покрытый оловом. Крепление стенок к каркасу должно осуществляться винтами с межцентровыми интервалами не более 20 см с применением высокочастотных прокладок. Дверцы должны иметь фиксаторы и контактные ножи из бериллиевой бронзы. Отверстия в пультах и панелях должны быть минимального размера. Следует отдавать предпочтение

органам управления и индикаторам, вставляемым в пульт, в металлических, а не пластмассовых корпусах.

Неэкранированные силовые и информационные кабели необходимо разносить на расстояние не менее 30 см. При отсутствии экранирующего распределительного короба приходится экранировать отдельные линии связи. Экранирующая оплетка или фольга заземляется только в одном месте, чтобы предотвратить протекание по экрану токов, вызванных неэквипотенциальностью точек заземления. Если заземлен только передатчик или только приемник, то экран линии связи заземляется на опорном узле этого заземленного устройства. Если заземлены и передатчик, и приемник, предпочтительнее заземлить экран на опорном узле передатчика. Впрочем если длина экранированного кабеля превышает 5 – 10 м, то паразитные емкости на землю становятся достаточно малым сопротивлением для этих токов и заземление в нескольких точках становится допустимым. Электрический экран не следует использовать в качестве обратного провода для сигнальных токов.

Для ослабления влияния внешних полей на линии связи необходимо минимизировать площадь контура, образованного прямым и обратным проводами линии. Если линия представляет собой одиночный провод, а возвратный ток течет по некоторой заземляющей поверхности, то необходимо максимально приблизить провод к этой поверхности. Если линия образована двумя проводами, то их необходимо скрутить, образовав бифилляр (витую пару). Линии, выполненные из коаксиального кабеля, также отвечают требованию минимизации площади контура линии, однако при наличии цепи, шунтирующей протекание тока по возвратному проводу линии, восприимчивость к наводкам возрастает, особенно на низких частотах. Поэтому, если обратным проводом является оголенная оплетка коаксиального кабеля, ее следует изолировать.

Наилучшую защиту линий связи от электрического и магнитного полей обеспечивают специальные кабели типа экранированного бифилляра; трифилляра (три скрученные вместе провода, один из которых используется в качестве экрана); триаксиального кабеля (изолированного коаксиального кабеля, помещенного в электрический экран); плоского многопроводного кабеля, покрытого с обеих сторон медной фольгой. Для полной реализации защитных свойств таких линий необходимо обращать особое внимание на качество экранирования и коаксиальность концевых разделок и разъемов в местах стыковки линии с аппаратурой.

Вопросы для самопроверки

1. Какова схема подключения аппаратуры, не имеющей информацион-

ных связей с другими устройствами?

2. Какова схема подключения аппаратуры, состоящей из комплекса бло-

ков?

3. Укажите практические рекомендации по выполнению экранирования аппаратуры

3.5. Качество электроэнергии в электрических сетях

Показатели качества электрической энергии (ПКЭ), методы их оценки и нормы определяет Межгосударственный стандарт: «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» ГОСТ 13109-97.

Нормы КЭ, устанавливаемые настоящим стандартом, являются уровнями электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех

всистемах электроснабжения общего назначения. При соблюдении указанных норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электрической электроэнергии (приемников электрической электроэнергии). Нормы, установленные настоящим стандартом, подлежат включению в технические условия на присоединения потребителей электрической энергии и

вдоговоры на пользование электрической энергией между электроснабжающими организациями и потребителями электрической энергии.

Ниже приведены наименования основных ПКЭ и наиболее вероятные

причины влияния на эти ПКЭ.

			Наименование ПКЭ	Наиболее вероят-
				ная причина
			Отклонения напряжения
	1	δUy	Установившееся отклонение напряжения	График нагрузки
				потребителя
			Колебания напряжения
	2	δUt	Размах изменения напряжения	Потребитель с рез-
				копеременной
	3	Pt	Доза фликера
				нагрузкой
			Несимметрия напряжений в трехфазной системе
	4	K2U	Коэффициент несимметрии напряжений	Потребитель с не-
			по обратной последовательности
				симметричной
			Коэффициент несимметрии напряжений
	5	K0U		нагрузкой
			по нулевой последовательности

			Несинусоидальность формы кривой напряжения
	7	KU	Коэффициент искажения синусоидальности
			кривой напряжения	Потребитель с не-
				линейной нагрузкой
	8	KU(n)	Коэффициент n-й гармонической
			составляющей напряжения
			Прочие
	9	f	Отклонение частоты	Особенности работы
	10	tП	Длительность провала напряжения	сети, климатические
				условия или при-
	11	Uимп	Импульсное напряжение
				родные явления
	12	KперU	Коэффициент временного перенапряжения

Большинство явлений, происходящих в электрических сетях и ухудшающих качество электрической энергии, происходят в связи с особенностями совместной работы электроприёмников и электрической сети. Восемь, из перечисленных выше, ПКЭ в основном обусловлены потерями (падением) напряжения на участке электрической сети, от которой питаются потребители.

Потери напряжения на участке электрической сети определяются выражением

Uk = (Pk·Rk + Qk·Xk) / Uном .

Здесь активное (RK) и реактивное (XK) сопротивления k-го участка сети практически постоянны, а активная (PK) и реактивная (QK) мощности, протекающие по k-му участку сети, переменны и характер этих изменений может быть различным:

1.При медленном изменении нагрузки в соответствии с её графиком – отклонения напряжения;

2.При резкопеременном характере нагрузки –колебания напряжения;

3.При несимметричном распределении нагрузки по фазам электрической сети – несимметрия напряжений в трехфазной системе;

4.При нелинейной нагрузке – несинусоидальность формы кривой напряжения.

Вотношении этих явлений потребители электрической энергии имеют возможность тем или иным образом влиять на её качество.

Все прочее, ухудшающее качество электрической энергии, зависит от особенностей работы сети, климатических условий или природных явлений. Поэтому возможности влиять на это потребитель электрической энергии не имеет, он может только защищать своё оборудование специальными средства-

ми, например устройствами быстродействующих защит или устройствами гарантированного питания (UPS).

Отклонение напряжения Отклонение напряжения – отличие фактического напряжения в ус-

тановившемся режиме работы системы электроснабжения от его номинального значения.

Отклонение напряжения в той или иной точке сети происходит под воздействием медленного изменения нагрузки в соответствии с её графиком.

Перечислим влияние отклонения напряжения на работу различного электрооборудования.

1. Технологические установки:

-При снижении напряжения существенно ухудшается технологический процесс, увеличивается его длительность. Следовательно, увеличивается себестоимость производства.

-При повышении напряжения снижается срок службы оборудования, повышается вероятность аварий.

-При значительных отклонениях напряжения происходит срыв технологического процесса.

2. Освещение:

-Снижается срок службы ламп освещения, так, при величине напряжения 1,1Uном срок службы ламп накаливания снижается в 4 раза.

-При величине напряжения 0,9Uном снижается световой поток ламп накаливания на 40 % и люминесцентных ламп на 15 %.

-При величине напряжения менее 0,9Uном люминесцентные лампы мерцают, а при 0,8Uном просто не загораются.

3. Электропривод:

-При снижении напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя на 15 % момент снижается на 25 %. Двигатель может не запуститься или остановиться.

-При снижении напряжения увеличивается потребляемый от сети ток, что влечёт разогрев обмоток и снижение срока службы двигателя. При длительной работе на напряжении 0,9Uном срок службы двигателя снижается вдвое.

-При повышении напряжения на 1 % увеличивается потребляемая двигателем реактивная мощность на 3 – 7 %. Снижается эффективность работы привода и сети.

Обобщённый узел нагрузки электрических сетей (нагрузка в среднем) составляет:

-10 % специфической нагрузки (например, в Москве это метро – 11 %);

-30 % освещение и прочее;

-60 % асинхронные электродвигатели.

ГОСТ 13109-97 устанавливает нормально и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмников в пределах соответственно δUy.нор= ± 5 % и δUy.пред= ± 10 % номинального напряжения сети.

Обеспечить эти требования можно двумя способами: снижением потерь напряжения и регулированием напряжения.

Снижение потерь напряжения ( U) достигается:

-Выбором сечения проводников линий электропередач (R) по условиям потерь напряжения.

-Применением продольной емкостной компенсации реактивного сопротивления линии (X). Однако это опасно повышением токов короткого замыкания при X→ 0.

-Компенсацией реактивной мощности (Q) для снижения ее передачи по электросетям с помощью конденсаторных установок и синхронных электродвигателей, работающих в режиме перевозбуждения. Кроме снижения потерь напряжения, это является неплохим мероприятием энергосбережения, снижающим общие потери электроэнергии в сетях.

Регулирование напряжения (U):

-В центре питания регулирование напряжения (UЦП) осуществляется с помощью трансформаторов, оснащённых устройством автоматического регулирования коэффициента трансформации в зависимости от величины нагрузки (регулирование под нагрузкой – РПН). Такими устройствами оснащены 10 % трансформаторов. Диапазон регулирования ± 16 % с дискретностью 1,78 %.

-Напряжение может регулироваться на промежуточных трансформаторных подстанциях (UТП) с помощью трансформаторов, оснащённых устройством переключения отпаек на обмотках с различными коэффициентами трансформации (переключение без возбуждения – ПБВ, т. е. с отключением от сети). Диапазон регулирования ± 5 % с дискретностью 2,5 %.

Ответственность за поддержание напряжения в пределах, установленных ГОСТ 13109-97, возлагается на энергоснабжающую организацию.

Действительно, первый (R) и второй (X) способы выбираются при проектировании сети и не могут изменяться в дальнейшем. Третий (Q) и пятый (UТП)

способы хороши для регулирования при сезонном изменении нагрузки сети, но руководить режимами работы компенсирующего оборудования потребителей необходимо централизованно, в зависимости от режима работы всей сети, то есть энергоснабжающей организации. Четвёртый способ – регулирование напряжения в центре питания (UЦП) позволяет энергоснабжающей организации регулировать напряжение в соответствии с графиком нагрузки сети.

ГОСТ 13109-97 устанавливает допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмника. А пределы изменения напряжения в точке присоединения потребителя должны рассчитываться с учетом падения напряжения от этой точки до электроприёмника и указываться в договоре энергоснабжения.

Колебания напряжения Колебания напряжения – быстро изменяющиеся отклонения напря-

жения длительностью от полупериода до нескольких секунд.

Колебания напряжения происходят под воздействием быстро изменяющейся нагрузки сети.

Источниками колебаний напряжения являются мощные электроприёмники с импульсным, резкопеременным характером потребления активной и реактивной мощностей: дуговые и индукционные печи; электросварочные машины; электродвигатели при пуске.

Влияние колебаний напряжения на работу электрооборудования.

Отклонения напряжения, усугублённые резкопеременным характером, ещё более снижают эффективность работы и срок службы оборудования. Вызывают брак продукции. Способствуют отключению автоматических систем управления и повреждению оборудования.

Так, например, колебания амплитуды и, в большей мере фазы напряжения вызывают вибрации электродвигателей, приводимых механизмов и систем. В частности, это ведёт к снижению усталостной прочности трубопроводов и снижению срока их службы.

А при размахах колебаний более 15 % могут отключаться магнитные пускатели и реле.

Не менее опасна вызываемая колебаниями напряжения пульсация светового потока ламп освещения. Её восприятие человеком – фликер – утомляет, снижает производительность труда и в конечном счёте влияет на здоровье людей.

Доза фликера – мера восприятия человеком пульсаций светового потока. Наиболее раздражающее действие фликера проявляется при частоте колебаний 8,8 Гц и размахах изменения напряжения δUt = 29 %.

Причём при одинаковых колебаниях напряжения отрицательное влияние ламп накаливания проявляется в значительно большей мере, чем газоразрядных ламп.

Поэтому в ГОСТ 13109-97 размах изменения напряжения (δUt) жёстче нормируется для помещений с лампами накаливания повышенной освещённости, а доза фликера (Pt) –для помещений с лампами накаливания, работа в которых требует значительного зрительного напряжения.

В качестве вероятного виновника колебаний напряжения ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с переменной нагрузкой.

Мероприятия по снижению колебаний напряжения:

- Применение оборудования с улучшенными характеристиками (снижение Q).

-Применение электродвигателей со сниженным пусковым током и улучшенным cos φ при пуске. Или применение частотного регулирования электроприводов, а также устройств плавного пуска-останова двигателя.

-Подключение к мощной системе электроснабжения (увеличение Sкз). Распространение колебаний напряжения в сторону системы электроснабжения происходит с затуханием колебаний по амплитуде. Причём коэффициент затухания тем больше, чем мощнее система электроснабжения.

-Разнесение питания спокойной и резкопеременной нагрузок на разные трансформаторы или секции сборных шин (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Разнесение питания спокойной и резкопеременной нагрузок

Размах изменения напряжения δUt на шинах спокойной нагрузки снижа-

ется на 50 – 60 %.

"Минусы" – возрастают потери при неполной загрузке трансформаторов. - Снижение сопротивления питающего участка сети.

При увеличении сечения проводников линии снижается R, а применение устройств продольной компенсации снижает суммарное X.

"Минусы" – увеличиваются капитальные затраты, а применение продольной компенсации опасно повышением токов короткого замыкания при X→0. На практике не обоснованно, но активно применяют последние два мероприятия.

Несимметрия напряжений

Несимметрия напряжений – несимметрия трёхфазной системы напряже-

ний (рис. 3.2).

Рис. 3.2 Несимметрия трёхфазной системы напряжений Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воз-

действием неравномерного распределения нагрузок по её фазам. В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Источниками несимметрии напряжений являются: дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции переменного тока, электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие однофазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые.

Так, суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85 – 90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K0U) одного 9-ти этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может превысить нормально допустимые 2 %.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования: - Возрастают потери электроэнергии в сетях от дополнительных потерь в

нулевом проводе.

-Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных неноминальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения.

-В электродвигателях, кроме отрицательного влияния несимметричных

напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора.

Общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы, выливается в значительное снижение срока их службы. Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K2U = 2 – 4 %, срок службы электрической машины снижается на 10 –15 %, а, если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.

Поэтому ГОСТ 13109-97 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K2U) и нулевой (K0U) последовательностям, – нормально допустимое 2 % и предельно допустимое 4 %.

В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

-Равномерное распределение нагрузки по фазам.

-Применение симметрирующих устройств.

-Сопротивления в фазах симметрирующего устройства подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения (рис. 3.3).

Несинусоидальность напряжения Несинусоидальность напряжения – искажение синусоидальной фор-

мы кривой напряжения.

Электроприёмники с нелинейной вольт-амперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения.

Рис. 3.3 Компенсация тока обратной последовательности

Например, полупроводниковые преобразователи потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря, – выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы. 35% электроэнергии преобразуется и потребляется на постоянном напряжении.

Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и так далее.

Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания, имеют нелинейную вольта-мперную характеристику.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:

-Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач, учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю пробиваются конденсаторы.

-В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения KU = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10...15 %.

-Возрастает недоучёт электроэнергии, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности.

-Неправильно срабатывают устройства управления и защиты.

-Выходят из строя компьютеры.

Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих с час-

тотой, в n-раз превышающую частоту сети электроснабжения – частоту первой гармоники (f, n =1 = 50 Гц, f , n = 2 = 100 Гц, f, n = 3 = 150 Гц ...).

В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования различают чётные и нечётные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т. д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т. д.) и нулевой последовательности (гармоники, кратные трём). С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается.

ГОСТ 13109-97 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2-й до 40-й включительно.

Мероприятия по снижению несинусоидальности напряжения аналогичны мероприятиям по снижению колебаний напряжений:

-Применение оборудования с улучшенными характеристиками.

-Применение "ненасыщающих" трансформаторов.

-Применение преобразователей с высокой пульсностью и т. д.

-Подключение к мощной системе электроснабжения.

-Питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин.

-Снижение сопротивления питающего участка сети.

-Применение фильтрокомпенсирующих устройств (рис. 3.4).

L-С цепочка, включенная в сеть, образует колебательный контур, реактивное сопротивление которого для токов определённой частоты равно нулю. Подбором величин L и С фильтр настраивается на частоту гармоники тока и замыкает её, не пропуская в сеть. Набор таких контуров, специально настроенных на генерируемые данной нелинейной нагрузкой высшие гармоники тока, и образует фильтрокомпенсирующее устройство, которое не пропускает в сеть гармоники тока и компенсирует протекание реактивной мощности по сети.

Рис. 3.4. Фильтрокомпенсирующие устройства

Отклонение частоты

Отклонение фактической частоты переменного напряжения (fф) от номинального значения (fном) в установившемся режиме работы системы электроснабжения называется отклонение частоты.

Снижение частоты происходит при дефиците мощности работающих в системе электростанций.

Для устранения этих явлений необходимо ремонтировать или модернизировать существующие и строить новые электростанции. А пока их нет, активно применяется радикальная мера – автоматическая частотная разгрузка (АЧР), то есть отключение части потребителей при снижении частоты (гильотина, – как средство от головной боли). Её ещё называют веерными отключениями.

Для потребителя важно знать, в какую очередь отключат его оборудование от сети при таком развитии событий (указывается при заключении договора электроснабжения), аргументированно требовать изменения очерёдности или иметь собственные резервные генерирующие мощности.

Повышение частоты происходит при резком сбросе нагрузки в системе электроснабжения, – ситуация аварийная, и действие ГОСТ 13109-97 на неё не распространяется, а в установившемся режиме работы сети такое событие весьма редкое.

Следующие явления возникают в любой сети и зачастую являются случайными событиями. ГОСТ 13109-97 не нормирует эти явления, но их статистика по конкретной сети может помочь потребителю принимать решения по обеспечению бесперебойности электроснабжения собственного оборудования тем или иным способом.

Провалы напряжения

Внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90 % Uном) длительностью от нескольких периодов до нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения называется провалом напряжения.

Причинами провалов напряжения является срабатывание средств защиты и автоматики при отключении грозовых перенапряжений, токов короткого замыкания (КЗ), а также при ложных срабатываниях защит или в результате ошибочных действий оперативного персонала.

ГОСТ 13109-97 не нормирует провал напряжения, он ограничивает его продолжительность 30-ю секундами. Правда, эти явления длительностью больше 30 секунд практически не случаются – напряжение уже не восстанавливается.

Временное перенапряжение

Внезапное и значительное повышение напряжения (более 110 % Uном) длительностью более 10 миллисекунд называется временным перенапряжением.

Временные перенапряжения возникают при коммутациях оборудования (коммутационные, кратковременные) и при коротких замыканиях на землю (длительные).

Коммутационные перенапряжения возникают при разгрузке протяжённых линий электропередач высокого напряжения.

Длительные перенапряжения возникают в сетях с компенсированной нейтралью, в четырёхпроводных сетях при обрыве нейтрального провода и в сетях с изолированной нейтралью при однофазном КЗ на землю (в сетях 6-10-35 кВ в таком режиме допускается длительная работа).

В этих случаях, напряжение неповреждённых фаз относительно земли (фазное напряжение) может вырасти до величины междуфазного (линейного) напряжения.

Импульсное перенапряжение

Резкое повышение напряжения длительностью менее 10 миллисекунд (рис. 3.5) называется импульсным перенапряжением.

Импульсные перенапряжения возникают при грозовых явлениях и при коммутациях оборудования (трансформаторов, двигателей, конденсаторов, кабелей), в том числе при отключении токов КЗ.

Величина импульса перенапряжения зависит от многих условий, но всегда значительна и может достигать многих сотен тысяч вольтов.

ГОСТ 13109-97 приводит справочные значения импульсного перенапряжения при коммутациях для разных типов сетей.

Рис. 3.5. Импульсное перенапряжение