Источники помех

Размещено на http://www.allbest.ru/

Источники помех



Содержание

1. Классификация помех

2. Математическое описание помех

2.1 Характеристика помех

2.2 Представление помех во временной области

2.3 Спектральный анализ помех. Преобразование Фурье

3. Источники помех при электрических разрядах

3.1 Коронный разряд

3.2 Электромагнитный импульс грозовых разрядов

3.3 Разряды статического электричества

4. Источники гармонических составляющих

4.1 Выпрямительные агрегаты

4.2 Дуговые сталеплавильные печи

4.3 Сварочные агрегаты

4.4 Реакторы с тиристорным управлением

4.5 Другие источники

5. Источники несимметрии

6. Электрический транспорт

7. Коммутация цепей

8. Теле-радиопередатчики

10. Короткие замыкания

11. Ядерный взрыв

12. Заземление



1. Классификация помех

Помехи могут быть обусловлены как естественными, так и техногенными причинами.

К естественным источникам помех относятся помехи, возникающие из-за электромагнитных процессов в околоземном пространстве, например, грозовые разряды и разряды статического электричества, изменение электромагнитной обстановки на Земле в результате взаимодействия полей в околоземном пространстве с изменяющимся потоком заряженных частиц от Солнца и других космических объектов.

К искусственным, индустриальным источникам помех относятся разнообразные электроэнергетические, электротехнические, радиотехнические и иные устройства, использующие электрическую энергию.

Искусственные помехи изучаются с целью управления ими для ограничения и учета их влияния или отстройки от них.

Естественные помехи воспринимаются как данные природой, которые надо учитывать при проектировании и эксплуатации технических средств.

В целях системного подхода ТК 77 МЭК установил классификацию электромагнитных явлений, которые представлены ниже. Данная классификация также была принята ТК 210 CENELEC.

Кондуктивные низкочастотные электромагнитные явления

Гармоники, интергармоники

Системы передачи сигналов по сетям электроснабжения

Колебания напряжения

Провалы и прерывания напряжения

Разбаланс напряжения (в многофазных сетях)

Изменения частоты электропитания

Наведенные низкочастотные напряжения

Постоянный ток в сетях переменного тока

Низкочастотные электромагнитные явления в виде полей излучения

Магнитные поля

непрерывные

переходные

Электрические поля.

Кондуктивные высокочастотные электромагнитные явления

Непосредственно введенные или наведенные напряжения или токи

незатухающие колебания

модулируемые волны

Однонаправленные переходные процессы

Колебательные переходные процессы

отдельные или повторяющиеся (пачки).

Высокочастотные электромагнитные явления в виде полей излучения математический спектральный ядерный разряд

Магнитные поля

Электрические поля

Электромагнитные поля

незатухающие колебания

модулируемые волны

переходные процессы.

Явления разряда электростатического электричества (ЭСР)

Электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЯЭМИ).

Находят применение и другие способы классификации электромагнитных помех, например, в зависимости от среды распространения. При этом помехи подразделяют на индуктивные и кондуктивные.

Индуктивными излучениями называют электромагнитные помехи, распространяющиеся в виде электромагнитных полей в непроводящих средах. Кондуктивными электромагнитными помехами называют помехи, распространяющиеся по элементам электрической сети.

Деление помех на индуктивные и кондуктивные является условным. Классическим примером кондуктивной помехи является процесс распространения электрического сигнала по линии электропередачи. При этом линия является только волноводом, направляющей, по которой распространяется электромагнитная энергия. При этом вокруг линии создаются электрические, магнитные и электромагнитные поля, т.е. возникают излучаемые помехи. В ходе распространения многие помехи могут превращаться из индуктивных в кондуктивные и наоборот. Так переменное электромагнитное поле способно создавать наводки напряжения на воздушных и кабельных линиях, которые далее распространяются как классические кондуктивные помехи. Наконец помехи по электрическим сетям разных напряжений через силовой трансформатор передаются индуктивным путём, хотя эти помехи считаются кондуктивными. Кондуктивные помехи в цепях, имеющих более одного проводника, принято также делить на помехи "провод - земля" и "провод - провод". В первом случае ("провод - земля") напряжение помехи приложено, как следует из названия, между каждым из проводников цепи и землей. Во втором - между различными проводниками одной цепи (см. рис.3.1).

Обычно более опасными для аппаратуры являются помехи "провод - провод", поскольку они оказываются приложенными так же, как и полезный сигнал (рис. 3.1, а). Реальные помехи обычно представляют собой комбинацию помех "провод - провод" и "провод - земля".

Помехи подразделяются на функциональные и нефункциональные источники помех.

Функциональные источники - это источники, которые вырабатывают и передают в окружающую среду электромагнитные волны с целью передачи полезной информации. Это прежде все радиопередатчики, генераторы высокой частоты для медицинских целей, микроволновые печи и др.

Нефункциональные источники - это устройства, при которых электромагнитный сигнал является "побочным продуктом". Помехи возникают в процессе выполнения заданных функций. Сюда относятся:

помехи от люминесцентных ламп, сварочных аппаратов, схем выпрямления и др.

Помехи в электрических системах в зависимости от характера их протекания подразделяются на помехи установившегося режима и помехи переходных режимов.

Помехи установившегося режима возникают в нормальном режиме и длительно существуют. Сюда относятся устройства, служащие для производства, передачи и распределения электроэнергии и превращения ее в другие виды энергии, все разнообразие электрических и электронных устройств бытового назначения. Эти помехи носят периодический характер и располагаются в широком диапазоне частот: от нескольких герц до гигагерц.

Помехи переходных режимов возникают при изменении или нарушении нормального режима, могут носить апериодический характер и существуют ограниченное время. Причинами появления таких помех являются: короткие замыкания, коммутации холостых линий, конденсаторных батарей, трансформаторов и т.д.

Помехи подразделяются по их спектральным характеристикам. Во-первых, помехи делятся на узкополосные и широкополосные. К первым обычно 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 близким к нему. При этом спектр помехи близок к линейчатому (максимальный уровень - на основной частоте, меньший уровень - 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:

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

- молниевые импульсы;

- импульсы, создаваемые при коммутационных операциях.

Другой спектральной характеристикой является область частот, в которой лежит основная часть спектра помехи. Условно принято делить все помехи на низкочастотные и высокочастотные. К первым обычно относят 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).



2. Математическое описание помех

2.1 Характеристика помех

Для количественной оценки помех измеряют токи, напряжения, мощности. Поскольку величины электромагнитных полей могут отличаться на несколько порядков, то для удобства анализа значения помех предоставляются в виде логарифма отношения.

Различают два вида логарифмических относительных величин: уровень и мера сигнала.

Уровень - логарифм относительной величины с постоянной базой - знаменателем. Базовым значением могут быть приняты: для напряжения U_б равно 1 мкВ, 1кВ и т.д.; для тока I_б может быть равно 1 мА, 1А, 1кА и т.д., уровень помех является величиной безразмерной. Размерность базовой величины указывается в скобках (А), (Вт), и т.д.

При применении десятичного логарифма справедливы следующие выражения для уровней:

Напряжения

u=20 lgдБ (мкВ);

Тока:

i=20 lg дБ (А);

мощности:

p=10 lg дБ (Вт);

напряженности электрического поля Е:

E = 20 lg дБ (мкВ/м);

напряженности магнитного поля H:

H = 20 lg (мкА/м);

Мера передачи определяется отношением входных и выходных величин рассматриваемой системы и служит характеристикой степени передачи величины. Она представляет собой логарифмы обратных значений коэффициентов передачи, например, коэффициентов затухания мощности, ослабление помехи за счет экранирования и т.д.

Коэффициент затухания выражается десятичным логарифмом

a=lg ,

где P₁ - мощность передачи, P₂ - мощность приема, и измеряется в белах (Б) или в децибелах (дБ). При этом существует соотношение

1 Б=10 дБ.

Часто встречается единица затухания непер.

Затухание, выраженное в неперах (Нп), получается при расчете по выражению

a=ln ,

где P₁ - мощность передачи, P₂ - мощность приема.

Между единицами затухания существуют очевидные соотношения:

1 Б=10 дБ=1,15 Нп

1 Нп=0,869 Б=8,69 дБ.

Атрибуты дБ, Нп указывают исключительно на вид использованной функции логарифма (lg или ln). Они не являются единицами измерения, однако часто используются как таковые.

2.2 Представление помех во временной области

Ряды Фурье

Помехи, возникающие в ЭСС, бывают синусоидальными с частотой 50 Гц (проникают из источника питания), в виде высокочастотной несущей волны, прямоугольными, например, в виде последовательности тактовых импульсов, периодически затухающие однократные импульсы, случайно возникающие, например, при коммутациях в сети, одиночные импульсы и т.д.

Сначала рассмотрим представление периодического сигнала произвольной формы в однофазной сети.

Например, напряжение прямоугольной формы, возникшее как наложение колебания основной частоты

f₁= 1/T

и бесконечно многих гармонических колебаний u_v с частотами n_vf₁.

Зависимость амплитуды отдельных колебаний от частоты представляет собой дискретный линейчатый спектр (рис. 3.2).

Наименьшая встречающаяся в линейчатом спектре частота - основная частота .

Частоты высших гармоник являются целыми кратными этой основной частоте, например

.

Будут ли иметь место синусоидальные, смешанные, косинусоидальные с целыми или дробными гармониками функции, зависит от того, как описывается импульс во временной области.

Аналитический ряд Фурье любой функции времени может быть представлен в различных формах.

Нормальная форма ряда Фурье

(3.1)

Где

(3.2)

Коэффициенты A_n, B_n - амплитуды отдельных комбинаций;

U₀ - постоянная составляющая, равная среднему арифметическому значению функции времени.

Амплитудно-фазовая форма ряда Фурье

Сумма косинусоид и синусоид в выражении (3.1) может быть представлена в виде суммы только одних косинусоид или синусоид с соответствующими начальными фазами.

Так, если принять:

, (3.3)

где

,

то выражение (3.1) можно переписать:

. (3.4)

Необходимо иметь в виду, что угол находится с учетом знаков A_n, B_n, определяющих знаки синуса и косинуса.

Выражение (3.4) удобно использовать, когда требуется знать процентное содержание каждой гармоники. Величину называют амплитудным спектром. Величину - фазным спектром.

Теоретически ряд Фурье содержит бесконечное число слагаемых. Однако обычно ряд быстро сходится и для получения заданной точности достаточно взять небольшое число гармоник.

Комплексная форма ряда Фурье

Для получения комплексной формы воспользуемся преобразованием Эйлера:

. (3.5)

Тогда можно записать

(3.6).

С учетом (3.6) выражение (3.1) запишется в виде

. (3.7)

В соответствии с [2]

A_n - четная, а

B_n - нечетная функции относительно n, т.е.

A_n сохраняет свой знак при отрицательных значениях n, а B_n - меняет его:

A_n=A(-n); B_n= - B(-n).

С учетом того, что

,

можно записать:

(3.8)

Учет отрицательных частот приводит к двухстороннему спектру. Поэтому значение амплитуды n-й гармоники равно

, (3.9)

Амплитуда n-ой гармоники равна

. (3.10)

Из (3.8) следует, что напряжение u(t) на каждой частоте является результатом сложения двух векторов, сумма действительных частей векторов дает амплитуду напряжения, мнимые части взаимно сокращаются, т.е. их сумма равна нулю.

2.3 Спектральный анализ помех. Преобразование Фурье

Разложение в ряд Фурье применимо только для периодических функций времени. Однако часто помехи или полезные сигналы не являются периодическими функциями. Таковыми, например, являются помехи при коммутационных процессах, грозовых разрядах, разрядах статистического электричества и т.д.

Преобразование Фурье или интеграл Фурье позволяют периодические функции времени f(t) представлять совокупностью бесконечно большого числа гармоник с бесконечно малыми амплитудами во всем диапазоне частот от до .

Такой метод представления периодических функций сходен с разложением периодических функций в ряд Фурье. В разделах математики и в теоретических разделах электротехники преобразование Фурье рассматривается как частный случай преобразования Лапласа, когда . Такой способ позволяет распространить свойство преобразований Лапласа на преобразование Фурье, в частности, можем пользоваться таблицами оригиналов и изображений.

Однако такой путь изучения свойств преобразования Фурье потребовал бы полного изложения теории преобразования Лапласа, что, безусловно, перегрузило бы данную работы.

Поэтому преобразования Фурье получили упрощенным способом - из разложения в ряд Фурье.

В соответствии с (3.8) разложение в ряд Фурье в комплексной форме имеет вид:

(3.11)

Интервал между соседними частотами равен:

В линейчатом спектре ряда Фурье расстояние между спектральными линиями составляет

,

Откуда

. (3.12)

Тогда (3.11) с учетом (3.12) можно записать

. (3.13)

Внутренний интеграл в выражении (3.13) можно записать:

. (3.14)

Комплексная функция частоты дает закон изменения комплексных амплитуд гармоник в зависимости от частоты и называется спектральной плотностью, спектром функции u(t). называется амплитудно-частотной характеристикой. Выражение (3.14) называют односторонним, прямым преобразованием Фурье (преобразования при t>0).

Если при t <0 u(t)0, то спектральную плотность находят при помощи двухстороннего преобразования Фурье, когда .

. (3.15)

С учетом (3.15) выражение (3.4) принимает вид:

.

Применение прямого преобразования Фурье дает возможность определить спектры помех.

В качестве примеров определим спектральные плотности некоторых помех u(t).

На рис. 3.4 построен прямоугольный импульс длительностью , высотой a_max. По (3.15) спектральная плотность

, (3.16)

т.е. амплитудно-частотная характеристика

(3.17)

и значение фазы равно 0 при положительных значениях синуса и - при отрицательных.

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики показаны на рис. 3.4.

Теоретически спектр прямоугольного импульса неограничен, но удельный вес гармоник с ростом частоты уменьшается (рис. 3.4. а, б).



Помехи в ЭЭС, создаваемые источниками электромагнитных возмущений, могут быть трехфазными, однофазными, узкополосными, так и широкополосными.



3. Источники помех при электрических разрядах

3.1 Коронный разряд

Передача электрической энергии осуществляется при высоком и сверхвысоком напряжениях (до 220 кВ и выше). С ростом рабочего напряжения растёт напряженность электрического поля Е_кр на поверхности провода. При достижении поля критического значения Е_кр30 кВ/см на элементах оборудования, находящегося под напряжением, может возникнуть коронный разряд, имеющий характер ударной ионизации. При этом вокруг проводов возникает слегка светящаяся оболочка на месте самых незначительных неровностей (шероховатостей). В токе короны наблюдаются непрерывно повторяющиеся импульсы, генерирующие колебания от 0,15 до 100 МГц. Спектр коронных разрядов имеет характер белого шума, вплоть до частот, близких 1 МГц, далее он резко падает (рис. 3.5). На рисунке дана зависимость спектра радиопомех от приложенного напряжения.

Высокочастотное поле, образующееся вокруг коронирующей линии, является источником помех, интенсивность которых зависит от ряда факторов и непосредственно связано с величиной напряженности электрического поля и другими параметрами, характеризующими явление коронного разряда.

Помехи от короны на ЛЭП разделяются на три категории:

Радиопомехи, излучаемые линиями электропередачи и воздействующие на антенные радиоприемники и радиостанции.

помехи, распространяющиеся по проводам ЛЭП и нарушающие нормальную работу высокочастотных каналов на ЛЭП.

акустические помехи, выделение озона и окислов азота

Радиопомехи от короны изменяются в широком диапазоне в зависимости от погоды.

Во время дождя радиопомехи более интенсивны, чем в сухую погоду. Влияние короны возрастает значительно при гололеде и инее (рис. 3.6). Для уменьшения помех от короны необходимо снижать напряженность поля на поверхности проводов с целью уменьшения ударной ионизации (рис. 3.7). Увеличение радиуса проводов снижает напряженность поля на поверхности. Однако это увеличивает вес проводов и их стоимость.

Применение расщепленных проводов - эффективное средство уменьшения короны. Одновременно это позволяет повысить пропускную способность. Поэтому это средство применяется повсюду для сетей напряжением 330 кВ и выше.

Корона сопровождается побочными явлениями. При коронном разряде возникают акустические помехи - легкое потрескивание, которое представляет из себя колебания с f = 100 Гц, и вызывают особый неприятный психоакустический эффект. Корона также сопровождается образованием озона и окислов азота.



3.2 Электромагнитный импульс грозовых разрядов

Источником возникновения грозовых разрядов являются электрические заряды грозовых облаков.

Образование грозовых облаков, а вместе с ним и гроз рисуется современной теорией в следующем виде. В атмосфере, насыщенной водяными парами, под действием мощных восходящих воздушных потоков происходит разбрызгивание водяных капель. Образующаяся при разбрызгивании мельчайшая водяная пыль оказывается заряженной отрицательно, а остающиеся тяжелые капельки - положительно (рис. 3.8).

Ветер разносит отрицательно заряженную водяную пыль на значительные расстояния, образуя основной массив грозового облака. Положительно заряженные капли выпадают в виде дождя на землю или удерживаются во взвешенном состоянии, образуя в грозовом облаке местное скопление положительных зарядов. Таким образом, началом грозового явления служит электризация облаков в результате механического разделения зарядов противоположного знака и сосредоточения в различных частях облака значительных объемных униполярных зарядов.

Грозовое облако, заряженное с нижней стороны в основном отрицательными зарядами, образует гигантский конденсатор, другой "обкладкой" которого является земля, где на поверхности индуктируются положительные заряды. Средняя напряженность электрического поля конденсатора облако - земля редко превышает 10 кВ/м. Однако в местах, где плотность электрического заряда велика, создаются условия для коронного заряда. В частности, на земле наблюдаются светящиеся разряды с остроконечных предметов. В том случае, когда напряженность электрического поля у облака или у земли достигает критического значения 25 - 30 кВ/см, создаются условия для развития молнии. Из всех видов грозовых разрядов наибольший интерес представляет разряд между облаком и землей. Разрядная волна представляет собой главный разряд, характеризуемый интенсивным свечением канала молнии. Разрядная волна создает ток, протекающий в канале молнии и в пораженном объекте. С этим током, который называется



собственно, током молнии, связано возникновение волн перенапряжений в электрических установках.

Энергия канала разряда, составляющая, примерно, 10⁵ Дж/м, вызывает акустическое (гром), термическое, световое, электромагнитное воздействие на окружающую среду. При этом могут происходить специфические повреждения объектов - разрушения, пожары. С точки зрения электромагнитной совместимости грозовые разряды создают помехи в диапазоне 1 кГц - 5 МГц. Напряженность электрического поля достигает значений нескольких сотен кВ/м, напряженность магнитного поля - несколько тысяч ампер на метр.

На рис. 3.9 показана типичная форма импульса тока молнии при разряде с облака на землю. Максимальный ток может достигать значений сотен килоампер. Крутизна тока молнии, согласно последним исследованиям, может достигать значений 300 кА/мкс.

При прямом попадании молнии в линию электропередачи возникает бегущая волна напряжения, распространяющаяся вдоль линии. С точки зрения ЭМС опасным является перекрытие изоляции ЛЭП. Вследствие пробоя изоляции образуется срез импульса напряжения. При движении по линии крутизна среза импульса меняется незначительно и зависит от потерь в линии.

Удары молнии в молниеприемники на территории энергообъекта, как правило, вызывают нарушения в работе систем технологического управления электротехническими объектами: повреждение кабелей и элементов устройств, неправильное функционирование отдельных устройств.

Анализ таких случаев на действующих подстанциях и станциях показал, что при ударах молнии в молниеприемники, расположенные вблизи кабельных каналов или лотков, происходит пробой изоляции кабелей с земли. В результате перекрытия изоляции импульс перенапряжения распространяется по вторичным цепям системы (например, оперативного тока), вызывая повреждение отдельных элементов устройств.

Амплитудно-частотные характеристики импульсных помех, возникающих в кабелях, изменяются в широком диапазоне и зависят от параметров тока молнии, трассы и длины кабелей, нагрузки на концах кабелей. Частотный спектр изменяется от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Амплитуда импульсных помех может составлять от десятков вольт до десятков киловольт. Пример, результатов измерений импульсных помех в цепях напряжения относительно "земли" во время ударов молнии на территории подстанции изображен на рис. 3.10.

3.3 Разряды статического электричества

Под статическим электричеством понимают совокупность явлений, связанных с возникновением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности, или в объеме диэлектриков, или на изолированных проводниках.

Образование и накопление зарядов на перерабатываемом материале связано с двумя условиями. Во-первых, должен произойти контакт поверхностей, в результате которого образуется двойной электрический слой. Во-вторых, хотя бы одна из контактирующих поверхностей должна быть из диэлектрического материала. Заряды будут оставаться на поверхности после их разделения только в том случае, если время разрушения контакта меньше времени релаксации зарядов. Последнее, в значительной степени, определяет величину зарядов на разделенных поверхностях.

Двойной электрический слой - это пространственное распределение электрических зарядов на границах соприкосновения двух фаз. Такое распределение зарядов наблюдается на границе металл - металл, металл - вакуум, металл - газ, металл - полупроводник, металл - диэлектрик, диэлектрик - диэлектрик, жидкость - твердое тело, жидкость - жидкость, жидкость - газ.

Основная величина, характеризующая способность к электризации, - удельное электрическое сопротивление поверхностей контактируемых материалов. Если контактирующие поверхности имеют низкое сопротивление, то при разделении заряды с них стекают и раздельные поверхности несут незначительный заряд. Если же сопротивление высокое или велика скорость отрыва поверхностей, то заряды будут сохраняться.

Следовательно, основные факторы, влияющие на электризацию веществ, - их электрофизические параметры и скорость разделения.

Условно принято, что при удельном электрическом сопротивлении материалов менее 10⁵ Ом•м заряды не сохраняются и материалы не электризуются.

Опытами установлено, что при соприкосновении (трении) двух диэлектриков тот из них, который имеет большее значение диэлектрической проницаемости, заряжается положительно, в то время как материал с меньшей диэлектрической проницаемостью заряжается отрицательно.

Под разрядами статистического электричества понимают процессы выравнивания зарядов между отдельными твердыми телами, несущими разные электростатические заряды. Они обычно сопровождаются скользящими, коронными, искровыми разрядными явлениями. При возникновении искр могут воспламениться горючие газы или пары, или инициироваться взрывоопасные смеси, а вызванные разрядами электромагнитные поля могут повредить электронные элементы, вывести из строя или нарушить функции электронного оборудования.

Заряды статического электричества, вызывающие опасные воздействия, могут возникать различными путями. Однако при изготовлении и применении электронных элементов и приборов существенны два механизма электризации: за счет индукции и трения.

Наиболее часто встречающаяся форма возникновения паразитных электростатических зарядов - электризация трением. Она возникает, если два различные первоначально нейтральные тела (или две субстанции) А и В соприкасаются, трутся друг о друга, а затем разъединяются. Одно тело передает электроны другому и заряжается положительно, а тело, получившее электроны, - отрицательно. Полярность и значение зарядов зависят, с одной стороны, от таких свойств материалов тел, как структура материала и поверхности, диэлектрическая проницаемость, объемная и поверхностная электрическая проводимость, а с другой - от ряда внешних факторов, например, от размера контактной поверхности, интенсивности трения, силы сжатия тел перед разделением, скорости разведения, температуры, влажности воздуха, причем последняя имеет очень большое влияние.

Токи в процессе зарядки составляют от сотен пикоампер до нескольких микроампер, а электростатические заряды - от 3 нКл до 5 мкКл. Электростатическая разность потенциалов между телами определяется после окончания процесса зарядки отношением приобретенного заряда Q к емкости C_AB тел между собой:

U_AB=Q/C_AB.

Рис. 3.11 иллюстрирует влияние используемых материалов, а также относительной влажности воздуха на величину напряжения, которое может быть получено при электризации.

Паразитная электризация трением проявляется в промышленности вследствие контакта тела человека с его одеждой, с сидением, с полом, с рабочими средствами и предметами, а также при соприкосновении деталей, панелей, приборов с устройствами для обработки. Процессы трения могут быть обусловлены как естественными движениями тел, нормальными рабочими операциями, такими технологическими процессами и операциями, как вентиляция, продувка, опрыскивание, распыление, упаковка и распаковка, загрузка, а также сотрясениями, вибрациями при транспортировке. В табл. 3.1 приведены характерные значения электростатических напряжений. Напряжения лежат в пределах 0,1-20 кВ, что значительно выше допустимых для электронных элементов.

Таблица 3.1. Ориентировочные значения напряжений статических зарядов при относительной влажности воздуха 24 % и температуре 21 ⁰С

Причина возникновения	Измеренное напряжение, В
Человек, идущий по полу с поливинилхлоридным покрытием	200-9000
Извлечение пластиковой микросхемы из пластикового пакета	до 20 000
Извлечение пластиковой микросхемы из пенопластовой тары	до 1100
Упаковка керамической микросхемы в пластмассовый футляр и извлечение из него	до 4000
Упаковка керамической микросхемы в пенопластовую тару и извлечение из нее	до 5000
Человек, идущий по нейлоновому ковру	10 000-15 000

С электронными деталями, элементами и приборами необходимо особенно осторожное обращение, чтобы избежать их повреждения из-за электростатических явлений.

Особое значение при обращении с электронными приборами имеет возможный электростатический заряд тела человека, попадающий на переключающие схемы, печатные платы, элементы управления, корпусы приборов при их транспортировке, монтаже, испытаниях, эксплуатации, ремонте и сервисном обслуживании. Тело человека обладает ёмкостью относительно земли пФ. Если человек идет по полу с синтетическим покрытием, то эта емкость может зарядиться приблизительно до U_max=15 кВ, накопленная энергия

мДж.

При приближении человека к заземленному корпусу электронного прибора произойдет искровой разряд, и так как обычно соблюдается условие

R>2,

то будет иметь место апериодический процесс.

Наиболее сильное воздействие разрядов статистического электричества получается тогда, когда в руке имеется металлический предмет (ключ, отвёртка, проводящие браслеты и т.д.). В этом случае крутизна тока, определяющая индуктированные напряжения помех, может достигать 100 А/нс.

Наблюдаются также разряды статистического электричества в компьютерных залах, кабинетах управления, испытательных помещениях с подвижных предметов (кресел, приборных тележек, полок с печатной бумагой, пылесосов) на корпусы электронных приборов при их случайном касании.

Каждый разряд статистического электричества сопровождается электрическими и магнитными полями.

При этом в непосредственной близости от разряда создаётся электрическое поле 4 кВ/м на расстоянии до 10 см и 1 кВ/м на расстоянии 20 см. Аналогично, магнитное поле равно 15 А/м на расстоянии 10 см и 4 А/м на расстоянии 20 см.

Основными методами предотвращения вредного воздействия электростатических разрядов и ограничений несанкционированного функционирования средств электроники под их воздействием являются: предотвращение или ограничение накопления зарядов; отвод или нейтрализация неизбежно возникающих паразитных зарядов; сведение к минимуму разрядных эффектов.

При разряде статистического электричества чаще всего наблюдаются сбои в работе высокоскоростных цифровых узлов, а также цифровых интерфейсных элементов. При подаче на разъёмы, клавиатуры, элементы индикации и т.п. возможно физическое повреждение интерфейсных элементов.

Особенно опасно воздействие разрядов статического электричества на незащищенные узлы аппаратуры. Поэтому при любых ремонтных и наладочных работах нужно соблюдать требования электростатической безопасности. При профессиональной сборке аппаратуры используют антистатические покрытия и т.п. В условиях эксплуатации эти требования удаётся выполнить не всегда. Однако минимальные меры предосторожности соблюдать всё же стоит: например, перед прикосновением к узлам аппаратуры следует дотронутся до заземленных металлоконструкций, что позволит снять избыточный заряд.



4. Источники гармонических составляющих

4.1 Выпрямительные агрегаты

Генераторами электрической энергии являются трехфазные синхронные машины, которые вырабатывают электрическую энергию высокого качества. Кривые мгновенных значений тока и напряжения генератора носят синусоидальный характер.

Искажения напряжения являются следствием коммутации вентильных преобразователей. Преобразователь во время коммутации вентилей производит подключение нагрузки к соответствующей фазе без разрыва тока, поступающего из предыдущей фазы, что приводит к периодическим междуфазным КЗ в питающей сети. Эти коммутационные короткие замыкания отличаются от аварийных КЗ только небольшой длительностью времени протекания, т.е. они длятся до тех пор, пока ток выходящей из работы фазы не спадет до нуля. В кривой напряжения в процессе коммутации появляются коммутационные искажения, форма, величина и количество которых зависят от схемы выпрямления, количества фаз выпрямления, мощности преобразователей, параметров питающей сети, угла коммутации преобразователей. Искаженные кривые напряжения и тока питающей сети в процессе работы вентильного преобразователя имеют периодический характер, что позволяет производить их гармонический анализ и определять наличие в кривых напряжения и тока ряда гармоник, кратных основной частоте.

Порядок номера гармоник, попадающих в питающую сеть, определяется выражением

=k,

где p - число пульсов преобразователя; k=1,2,3…

Для трехфазного шестипульсового преобразователя, рис 4.14 (схема Ларионова) у которого p=6 в сети имеем гармоники v=5,7,11,13 и т.д.

Амплитуду v-ой гармоники ориентировочно в относительных единицах можно определить из выражения

I_v*=. (3.18)

На практике для ориентировочных расчетов ток v-й гармоники в относительных единицах можно определить из выражения

I_v*= . (3.19)

При этом ток I_v оказывается завышенным на (10-20 %). При v >13 погрешность столь значительна, что пользоваться формулой недопустимо.

Отметим закономерность, чем выше номер гармоники, тем меньше ее относительная величина. С другой стороны, чем выше фазность выпрямления p, тем выше номер учитываемых гармоник. При шестифазной схеме выпрямления необходимо учитывать гармоники, начиная с , т.е. при k=1 необходимо учитывать гармоники с 5-й. Для двенадцатифазной схемы выпрямления учет ведется, начиная с 11-й гармоники.

Таким образом, основной путь снижения гармоник - увеличение фазности выпрямления до 24 и выше. Базовой для повышения фазности выпрямления является шестифазная схема.

Для получения двенадцатипульсовой схемы выпрямления используют две шестифазные схемы, работающие на одну нагрузку, с углом сдвига между питающими напряжениями 30⁰ (рис. 3.13).

Трансформатор имеет схемы соединения Y/Y-12 и Y/-11. Одноименные напряжения на стороне Y и имеют угол сдвига равный 30⁰.

Для получения двадцатичетырехпульсовой схемы выпрямления необходимо между выпрямляемыми напряжениями иметь угол сдвига равный 15⁰. Получить такой угол соединением обмоток в Y и невозможно. Поэтому соединяют обмотки по схеме "зигзаг". Очевидно, что при этом необходимо иметь четыре выпрямительных обмотки с углом сдвига между одноименными напряжениями 15⁰. При этом отсутствуют 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники в питающей сети.

Для получения тридцатишестипульсовой схемы выпрямления необходимо шесть выпрямительных обмоток с углом сдвига между выпрямляемыми напряжениями 10⁰.



4.2 Дуговые сталеплавильные печи

Искажения питающего тока и напряжения при работе дуговых сталеплавильных печей возникают за счет нелинейной характеристики печного трансформатора, работающего при повышенных значениях магнитной индукции. Уровень высших гармоник тока при работе дуговых сталеплавильных печей сравнительно невелик, особенно по сравнению с высшими гармониками, генерируемыми вентильными преобразователями. Однако, с ними следует считаться, так как мощность дуговых печей постоянно растет.

Возникновение высших гармоник в питающих электрических сетях при работе дуговых сталеплавильных печей носит случайный характер и не поддается аналитическому определению.

В табл. 3.2. приведено процентное содержание высших гармоник в токах печи ДСП-200, полученное на основании экспериментальных исследований.

Таблица 3.2. Процентное содержание высших гармоник в токах печи ДСП-200 металлургического завода

Период плавки	Номер гармоники	КНС,%
	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Начало расплавления
Середина расплавления
Рафини рование

Примечание. В числителе приведены максимальные значения высших гармоник тока, в знаменателе - среднее значение

На основании экспериментальных исследований получено соотношение для определения максимальных значений уровней отдельных гармоник тока при работе дуговых печей.

, (3.20)

где I_П,Т - ток печного трансформатора в расчетном режиме (для расчета максимальных значений гармоник надо брать в расчет нормальный ток печного трансформатора); =3, 4, 5… - номер соответствующей гармоники. Ток второй гармоники принимается равным току третьей гармоники (I₂I₃). Из отношения видно, что достаточно в расчетах учитывать только до 7-й гармоники, так как остальные гармоники малы.

Для группы одинаковых дуговых сталеплавильных печей

, (3.21)

где N - число печей, одновременно работающих в режиме расплавления.

Для группы печей разной мощности

,

где S_п,тi - мощность i-го печного трансформатора; S_п,тmax - наибольшая мощность трансформатора в группе дуговых печей; I_vmax - ток v-й гармоники печного трансформатора наибольшей мощности; n - общее число работающих печей.



4.3 Сварочные агрегаты

По своему воздействию на несинусоидальность питающей сети сварочные нагрузки можно разделить на две категории: установки дуговой и контактной электросварки переменного тока, установки дуговой электросварки постоянного тока.

Установки дуговой электросварки переменного тока воздействуют на питающую сеть аналогично дуговым сталеплавильным печам. Включение сварочных машин контактной электросварки производится с помощью игнитронных или тиристорных ключей, которые для плавного регулирования сварочного тока снабжаются системами фазового регулирования угла зажигания, что приводит к искажению тока высшими гармониками, уровень которых аналогичен уровню гармоник для дуговой сварки переменного тока.

В общем случае для единичной установки электросварки переменного тока токи гармоник (рекомендуется учитывать только третью и пятую гармоники) равны:

, (3.22)

где S_НОМ,Т - номинальная мощность трансформатора, - коэффициент загрузки; ПВ - продолжительность включения.

Определение токов гармоник, генерируемых установками дуговой электросварки постоянного тока, аналогично определению гармоник для вентильных преобразователей. Токи гармоник (рекомендуется учитывать только 5-ю, 7-ю, 11-ю, 13-ю гармоники) единичной установки дуговой электросварки постоянного тока определяются по формуле

, (3.23)

где I_св - номинальный первичный ток установки.

Для группы установок электросварки независимо от режима работы суммарные отдельные токи гармоник определяются согласно

,(3.24)

где I_vi - ток v-ой гармоники i-й установки; n - общее число работающих установок.

4.4 Реакторы с тиристорным управлением

Схема косвенной компенсации для уменьшения колебания напряжения в питающей электрической сети путем компенсации переменной составляющей реактивной мощности предусматривает наличие реактора, или так называемую тиристорно-реакторную группу, которая является нелинейным звеном, а, следовательно, генератором высших гармоник тока.

На рис. 3.14 представлена схема тиристорно-реакторной группы и диаграмма напряжения питающей сети и тока в реакторе. При изменении угла управления от 0 до изменяется от максимума до нуля и ток в реакторе. Как видно из диаграммы, ток в реакторе существенно нелинеен. Процентное содержание гармоник в токе реактора изменяется в зависимости от угла .

Ток управляемого реактора определяется выражением

, (3.25)

где i_p0m - ток реактора при угле управления (амплитудное значение).

Так как данная функция является периодической (период равен 2), то можно провести гармонический анализ, разложив ее в ряд Фурье. Тогда ток реактора можно представить в виде

, (3.26)

где b_n - коэффициент ряда Фурье; n - номер гармоники (3-й, 5-й, 7-й, 11-й, 13-й).

4.5 Другие источники

Высшие гармоники появляются всегда, когда появляются нелинейные элементы. Как известно, таковыми в электроэнергетических системах, в первую очередь, являются трансформаторы и электрические машины. При синусоидальном напряжении сети магнитный поток трансформатора синусоидален, поэтому напряжение на вторичной стороне также синусоидально.

В идеальном случае при отсутствии гистерезиса поток и вызывающий его ток намагничивания связаны нелинейной кривой намагничивания. Поэтому синусоидальному потоку соответствует несинусоидальная кривая тока намагничивания. Учет явления гистерезиса не меняет общей картины характера изменения тока намагничивания. В токе намагничивания присутствуют все нечётные гармоники, в основном, гармоники, кратные трём. Для исключения распространения по сети гармоник, кратных трём, на силовых трансформаторах одна из обмоток соединяется в треугольник.

В этом случае трансформатор для гармоник, кратных трём, представляет "фильтр-ловушку".

Гармоники "отсасываются" в трансформатор и в сеть не поступают. У силовых трансформаторов токи намагничивания значительно увеличиваются при включении трансформатора под напряжение и при восстановлении напряжения после ликвидации КЗ.

Особенно большими будут токи намагничивания, если существует остаточное намагничивание сердечника трансформатора. Ток намагничивания с большим содержанием высших гармоник в этих режимах может превышать в 3-5 раз номинальный ток трансформатора.

Хотя время существования таких токов несколько периодов, влияние их на работу устройств релейной защиты и автоматики может оказаться значительным.

Вращающиеся машины также являются источниками высших гармоник; так как магнитный поток электромагнитной системы не является строго синусоидальным, имеют место нечетные гармоники. Поэтому ЭДС генератора могут быть представлены в виде гармонического ряда

E(t)=E₁ Sint+E₃t + E₅t5t… (3.27)

Значения гармонических ЭДС определяются шириной шага обмотки, расстоянием между обмотками и схемой соединения фаз, статора. Соответствующим подбором указанных параметров можно уменьшать или даже исключить полностью многие ЭДС гармоник.

Например, гармоники, кратные трём, полностью исключаются соединением обмоток статора в треугольник. Зачастую достаточно лишь правильно выбрать величину шага обмоток, чтобы снизить 5-ю и 7-ю гармоники.

5. Источники несимметрии

Современное развитие промышленности характеризуется ростом числа к мощности электроустановок с несимметричной нагрузкой.

Несимметричным режимом работы трёхфазной системы называется такой режим, при котором условия работы фаз не одинаковы. Это может быть из-за несимметрии элементов электрической сети или неполнофазных режимов работы оборудования или применения приёмников с различной нагрузкой по фазам - установки, изготовление которых в симметричном трехфазном исполнении или невозможно, или нецелесообразно (электрическая тяга, электродуговые печи, освещение и т.д.).

Несимметричную трехфазную систему токов , , можно разложить на три составляющие токов - прямую, обратную и нулевую. Токи обратной и нулевой последовательности являются искажающими токами.

Для оценки влияния тока обратной последовательности несимметричной нагрузки можно несимметричную нагрузку заменить источником тока обратной последовательности.

Ток обратной последовательности и его фаза , обусловленные подключением однофазных нагрузок на линейные напряжения U_ab, U_bc, определяются по выражениям

, (3.28)

где I_ab, I_bc - токи нагрузок, включенных соответственно на напряжения U_ab, U_bc; - фазный угол нагрузки.

Если известна полная мощность нагрузок , то ток находится из выражения:

. (3.29)

В общем случае при трехфазной нагрузке ток определяется по выражению

, (3.30)

где - напряжения прямой и обратной последовательностей в месте несимметрии.



6. Электрический транспорт

Электрический транспорт получает все более широкое распространение - железнодорожная тяга, метрополитены, трамваи, троллейбусы. Мощность таких устройств может достигать нескольких МВт (ж.-д. тяга) до нескольких кВт (троллейбусы). Особенностью электрической тяги является то, что в качестве провода для обеспечения плавного регулирования мощности используются двигатели постоянного тока, наличие коллектора щеток, искрение и возникновение электромагнитных помех. Для получения напряжения постоянного тока 3300 В для железнодорожной тяги и 825 В для метрополитена используются выпрямительные агрегаты, которые, как показано, являются источниками высших гармоник, отрицательно влияющих на других потребителей электрической сети. В качестве обратного провода в системах электроснабжения тяги используются рельсы, что способствует возникновению "блуждающих токов" и электрической коррозии. В качестве одного из мероприятий по снижению коррозии находит применение изоляция рельсов.

Железнодорожная тяга преимущественно выполняется на переменном токе, тогда каждая тяговая подстанция является мощным источником несимметрии. Таким образом железнодорожная тяга является мощным источником несимметрии и высших гармонических, которые, распространяясь по электрической сети, оказывают отрицательное влияние на участников систем электроснабжения.

Кроме того, транспорт на электрической тяге - электропоезда (в том числе и поезда метрополитена, троллейбусы, трамваи и т.п.) являются мощным источником магнитного поля в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц. Максимальные значения плотности потока магнитной индукции в пригородных "Электричках" достигают 75 мкТл, при среднем значении 20 мкТл.



7. Коммутация цепей

В электрической силовой цепи имеются выключатели, разъединители, отделители и т.д., которые могут замыкать (включать) или размыкать (отключать) электрические цепи. То же самое можно делать и в слаботочных цепях релейной защиты, автоматики, связи и т.д. с помощью контактов реле или других специальных устройств.

При производстве переключений в распределительных устройствах высокого напряжения, при операциях разъединителями возникают многочисленные повторные перекрытия (зажигания). Рассмотрим случай подключения (подачи напряжения) на короткий обесточенный участок линии (рис. 3.15). При приближении подвижного контакта разъединителя Р к неподвижному, если напряжение пробоя сближающихся контактов становится меньше максимального значения переменного напряжения, происходит первый пробой, во время которого подключаемый участок заряжается емкостным током, линия приобретает потенциал шин, с которых подается напряжение и емкостный ток подает до нуля, дуга между контактами разъединителя гаснет. Потенциал линии во времени не меняется, а на шинах меняется по синусоидальному закону. Если в некоторый момент времени напряжение между контактами раздъединителя превысит напряжение пробоя, то произойдет второй пробой. Этот процесс неоднократно повторяется до тех пор, пока контакты разъединителя не сомкнутся.

На рис 3.16 показан качественный характер изменения напряжения на шинах (U_C) и на линии (U_Л).

Эти рассуждения справедливы только для "электрически коротких линий, время пробега волны по которым мало по сравнению со временем развития пробоя". Если время пробега волны в отключенной линии больше, чем время развития повторных зажиганий, то при каждом пробое возникают волны напряжения и тока, которые в конце линии отражаются, возвращаются к месту горения дуги, накладываются на напряжение и ток дуги и анализ процессов в искровом промежутке усложняется. При размыкании разъединителей протекают аналогичные процессы. На рис. 3.17 с помощью осциллографа с максимальной частотой дискретизации 1 ГГц записан реальный ток при коммутации разъединителей. Максимальные зафиксированные уровни помех при работе разъединителей составляют более 5 кВ.

Колебательные затухающие импульсы тока и напряжения распространяются по шинам, ошиновкам распределительного устройства и создают на территории действующей подстанции электрические и магнитные поля. На рис. 3.18 приведены осциллограммы величин тока и напряженности полей при отключении разъединителя 500 кВ.

При размыкании разъединителей в элегазовых распределительных устройствах высокого напряжения, где времена нарастания процессов первичного и повторного зажигания лежат в наносекундном диапазоне, могут вызвать переходные процессы, сопровождающиеся волнами, которые из-за неравномерности волнового сопротивления (изолированные фланцевые соединения, ответвления) частично отражаются, частично проходят дальше или даже могут выходить во внешнее пространство. В табл. 3.3 приведены характерные значения напряженностей электрического и магнитного полей, частота их колебаний при операциях отключения различными разъединителями.

Можно отметить следующие основные отличия переходных процессов на подстанции с элегазовой изоляцией от процессов на подстанции с воздушной изоляцией:

основная частота колебаний переходного процесса на подстанции с элегазовой изоляцией, по крайней мере, в 10 раз выше;

максимальные напряженности электрических и магнитных полей на подстанции с элегазовой изоляцией несколько ниже;

постоянная времени затухания колебаний напряжения на подстанции с элегазовой изоляцией меньше;

...