ВЛИЯНИЕ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ НА МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛ. 07. глава 1. Электрофизические основы электромагнитной обстановки тяговой подстанции
Скачать 0.72 Mb.
|
1.3 Каналы передачи электромагнитных помех При анализе путей передачи возмущений от источника к приемнику их следует разделить на две группы: механизм связи образуется посредством прямого электрического контакта между источником и приемником и посредством электромагнитного поля (отдельно электрической или отдельно магнитной составляющей, или их совместным воздействием). Справедлива следующая классификация способов передачи возмущений: - связь через общее сопротивление (в том числе связь через активное сопротивление); - индуктивная, или магнитная связь (магнитное поле в ближней зоне); - емкостная, или электрическая связь (электрическое поле в ближней зоне); - связь излучением, или электромагнитная связь (поле в дальней зоне). В действительности ни один из указанных видов связи не существует в отдельности, однако, обычно, по меньшей мере, в диапазоне низких или средних частот, один из них превалирует над остальными. Для всех механизмов связи возможно определить передаточную функцию между источником энергии и оборудованием, подверженным помехе, или приемником. Передаточная функция может представлять собой полное сопротивление, полную проводимость или безразмерную величину, в зависимости от типа приложенной величины и результата ее действия на цепь (т.е. в виде тока или напряжения). Во всех случаях электромагнитное взаимодействие между источником (Ее, Ze) и приемником (Us, Zs) может быть смоделировано четырехполюсником, представленным на рисунке 1.10, причем в наиболее простых случаях — Т-образной схемой замещения, содержащей полные сопротивления ZA, ZBи Zc. Данная модель, в которой обратным проводом обычно является земля, предполагает два направления для снижения коэффициента взаимосвязи между источником и приемником: короткозамкнутая цепь и разомкнутая цепь. Очевидно, что если сопротивление ZCравно нулю, энергия из источника не может быть передана приемнику. Аналогично, если какое-либо из сопротивлений ZAи ZB(или же оба) бесконечно велики (т.е. цепь разомкнута), приемник также не может получить энергию из источника. Следует отметить, что идеально короткозамкнутую или разомкнутую цепь создать невозможно, так как даже при наилучшем исполнении существуют паразитные индуктивности и емкости. Направление на создание короткозамкнутой цепи предполагает уменьшение сопротивления всех заземляющих проводников и, в частности, их индуктивности, влияние которой становится наиболее заметным при высоких частотах. Рисунок 1.10- Схема замещения источника возмущения (Ее, Ze) и приемника (ZS) электромагнитного взаимодействия с элементами связи ZA, ZBи ZC Направление на создание разомкнутой цепи подразумевает изолирование приемника от источника либо через увеличение расстояния между ними, либо введением искусственных преград на пути помех (уменьшение коэффициента связи), либо созданием отдельных сетей заземления с присоединением к земле в одной точке. Количественно возмущения обычно характеризуют величиной напряжения на оборудовании, а оно часто является результатом протекания токов в элементах заземляющих или экранирующих устройств, поэтому понятие передаточного сопротивленияиграет важную роль при рассмотрении. 1.3.1 Связь через общее полное сопротивление Этот механизм связи возникает, когда разные цепи имеют в своем составе одно или несколько общих сопротивлений. Простейшим и наиболее общим случаем такой связи являются цепи, имеющие общий «обратный провод», обычно являющийся сетью заземления, причем предполагается, что он не идеален, то есть имеет отличное от нуля сопротивление. На рисунке 1.11 приведен пример такой цепи, состоящей из двух контуров. Благодаря наличию общего сопротивления ZCпадение напряжения на сопротивлении нагрузки контура Е1ZL1представляет собой алгебраическую сумму полезной ЭДС Е1и напряжения помехи, вызванной протеканием тока в контуре E2, ZL2, поскольку сопротивление ZL1обычно намного больше общего сопротивления ZC, таким образом, напряжен помехи составляет величину ZCI2, где ZCсоответствует передаточной функции, вследствие чего в данном случае может быть названо передаточным сопротивлением. Существует два возможных пути ослабления связи через общее полное сопротивление без воздействия на источники помех: устранение общего обратного провода (стратегия разомкнутой цепи); уменьшение полного сопротивления обратного провода (стратегия короткозамкнутой цепи). Необходимо отметить, что при рассмотрении контуров заземления, эти два метода иногда приводят к диаметрально противоположным результатам: •устранение общего обратного провода эквивалентно задаче обеспечения каждой сети не более одного присоединения к земле, что ведет к концепции радиальной схемы заземления (схемы заземления звездой); Рисунок 1.11- Механизм связи через общее полное сопротивление Zq • уменьшение сопротивления обратного провода, напротив, означает увеличение числа проводников (так как простое увеличение сечения проводника слабо влияет на его индуктивность), увеличение количества точек заземления ведет к образованию сложнозамкнутой сети заземления. Очевидное противоречие между двумя подходами может быть устранено, если сделать разделение между заземлением активных цепей, переносящих полезный сигнал и заземлением металлических корпусов и экранирующих цепей. Стратегию разомкнутой цепи следует применять к активным цепям: общие обратные провода в активных цепях следует (по возможности) устранять. Такие цепи следует заземлять в одной точке. С другой стороны, стратегия короткозамкнутой цепи применяется в оставшемся большинстве случаев, в частности, при заземлении всевозможных экранов. Существуют два важных исключения, для которых связь через общее полное сопротивление не может быть устранена. Это — сети электроснабжения и связи коаксиальными кабелями. Для сетей с коаксиальными кабелями (как и для всех цепей переменного тока), может быть достигнуто естественное устранение рассматриваемой связи посредством уменьшения площади петли каждой цепи как показано на рисунке 1.12, где приведен план пространственного расположения двух цепей с тремя возможными обратными проводами. На данном рисунке изображены три обратных провода с сопротивлениями Z1, ZСи Z2, по которым даже при практическом равенстве их поперечных сечений и длин будет протекать разные токи. Переменный ток I1 большей частью будет возвращаться по проводнику Z1, переменный ток I2, будет возвращаться преимущественно по проводнику Z2, а в проводнике ZC ток будет практически отсутствовать. Это явление, которое является частным случаем индуктивной связи, заметно даже на частоте 50 Гц. Например, когда на линии высокого напряжения происходит КЗ на землю, ток большей частью возвращается в источник по линии, а не по прямому пути между местом КЗ и источником (см. рисунок 1.13). На этом и большинстве последующих рисунков цепь представлена в виде двух- или трехмерного изображения, на которое согласно теории цепей нанесены сосредоточенные элементы для того, чтобы показать их взаимные индуктивности. Рисунок 1.12- Естественное устранение связи цепей с общим полным сопротивлением на переменном токе Рисунок 1.13- Различия в путях протекания обратного тока в земле для постоянного и переменного токов Данный механизм известен под названием эффекта близости, а на высоких частотах проявляется и поверхностный эффект. Благодаря этому важному эффекту становится возможным создание высокочастотных сетей с множественным заземлением, в которых проблема помех, создаваемых токами внешних возмущений, практически отсутствует. Примеры помех, передаваемых посредством общего полного сопротивления: токи КЗ частотой 50/60 Гц в заземлителе, используемом в качестве плоскости нулевого потенциала; прямое попадание молнии в контур заземления, цепи или оборудование (например, в антенны); разряд статического электричества непосредственно на оборудование; перекрестные помехи между цепями, имеющими общее сопротивление; гармонические составляющие, колебания и провалы напряжения в цепях электропитания. 1.3.2 Магнитная связь Магнитная (индуктивность) связь (наряду со связью через общее полное сопротивление), является наиболее часто встречающимся видом проникновения помех. Данная связь имеет место в любом случае, когда две цепи имеют общий магнитный поток. Обычно таким случаем является ситуация, когда земля является частью обеих цепей и, по крайней мере, по одному проводнику протекает ток. В простейшем случае, приведенном на рисунке 1.14, связь образуется между двумя параллельными проводниками, расположенными над поверхностью земли, которая служит обратным проводом для обоих контуров. Предположим, что цепь Е2— R2 — L2является источником возмущения, цепь Е2 — R2 — L2 — Zu— приемником, а полезный сигнал (ток) в этой цепи много меньше, чем ток цепи, создающий помеху, вследствие чего его влиянием на вторую цепь можно пренебречь. Темная зона представляет собой площадь, пронизываемую общим магнитным потоком и определяющую, таким образом, величину взаимной индуктивности М между двумя контурами. Рисунок 1.14 - Индуктивная связь Вернемся к проблеме магнитной связи и рассмотрим возможные пути ее ослабления. Использование симметричных цепей и уменьшение площади петли (стратегия разомкнутой цепи). Устранение общих обратных проводов и уменьшение площади петли может быть достигнуто посредством симметрирования контура 1 по отношению к земле (рисунок 1.15), то есть созданием симметричной цепи. Напряжения, создаваемые между проводниками симметричной цепи, относятся к противофазным напряжениям, иногда называемым напряжением дифференциального типа, нормального типа, в отличие от синфазных напряжений, возникающих между проводниками и землей, которые иногда называют напряжениями общего вида, продольными напряжениями. Отношение напряжения помехи в цепи с отдельным обратным, проводом к напряжению помехи, наводимому в цепи с общим обратным проводом, выраженное в децибелах, в литературе по сис темам связи носит название коэффициента продольных потерь на преобразование, а в теории цепей — коэффициента снижения помехи общего вида. Количественно он сильно зависит от несимметричности цепи (линии и оконечного оборудования) по отношению к земле. Рисунок 1.15 - Ослабление индуктивной связи созданием симметричной цепи Наилучшим методом для симметрирования цепи является применение витых пар. В этом случае ЭДС, наводимые в каждой петле, компенсируют друг друга (см. рисунок 1.16). Эффект ослабления помехи от применения витой пары (по отношению к обычным проводам) растет с увеличением числа витков на единицу длины и с увеличением длины кабеля, и падает при увеличении сопротивления нагрузки. На низких частотах возможно снижение уровня помех более, чем в 100 раз (на 40 дБ), при расстоянии между двумя последовательными перестановками проводов 5 см. Большее снижение помех становится затруднительным вследствие небольшой асимметрии внутри самого кабеля и на его концах. Более того, при частотах более 100 кГц польза от использования витой пары уменьшается и почти совсем пропадает при частотах выше нескольких МГц. Что касается численных значений коэффициента ослабления, то они варьируются (для одиночной витой пары) от 90 дБ на низких частотах до 30 дБ на частоте 1МГц. Другим способом ослабления индуктивной связи между контурами 1 и 2 является экранирование посредством прокладки около первого проводника (или, как будет видно далее, около второго проводника) короткозамкнутого контура 3, сцепленного с магнитным потоком, как можно более близким к магнитному потоку контура 1 (или 2) (см. рисунок 1.17). Рисунок 1.16 - Дополнительное ослабление индуктивной связи при помощи витой пары Контур 3 взаимодействует с магнитным потоком подобно короткозамкнутой вторичной обмотке трансформатора. В соответствии с законом Ленца ток в третьем контуре I3 вызывает появление магнитного потока той же величины, что и вызвавший его поток, но противоположного знака, и, таким образом, компенсирует его. Единственный способ удостовериться, что потоки, охватываемые контурами 1 и 3 (или 2 и 3), одинаковы, это использовать в качестве третьего проводника трубку, окружающую проводник 1 или 2. Таким образом, получается экран, заземленный на обоих концах(рисунок 1.18). Рисунок 1.17- Экранирование магнитного поля при помощи заземленного проводника Рисунок 1.18- Экранирующее действие трубчатого экрана Наилучшее с точки зрения помехозащищенности заземление экрана должно включать в себя заземление экрана по всей его окружности. Рекомендуется использовать данное подключение экрана во всех случаях, когда кабели выходят из металлического корпуса оборудования. Заземление экранов кабеля следует осуществлять, как показано на рисунке 1.19. Следует отметить, что экранирование как метод ослабления связи через общее сопротивление через коэффициент ослабления к экрана кабеля может применяться вне зависимости от происхождения напряжения помехи U\', другими словами, напряжение U\' может быть вызвано чисто магнитной связью. Рисунок 1.19- Различие между заземлением экрана отдельным проводом и заземлением экрана через корпус оборудования ЭДС определяется как U1’=jωM12I2, однако ее появление может быть вызвано повышением потенциала заземлителя (через гальваническую связь) U1’=RG12 или, в общем случае,U1’=ZG12. Таким образом, несущественно, чем вызвано появление напряжения помехи U- активной составляющей заземляющего проводника или индуктивной. Иногда приводят более общее выражение для коэффициента экранирования, учитывающее волновое сопротивление линии жила/экран ZC1 и линии экран/земля ZС3. k= При подстановке в данное выражение волновых сопротивлений, равных 50 Ом, получим классическое выражение для коэффициента эффективности экранирования: S=40-20lgZ1l. В случае, если длина кабеля сравнима с половиной длины воздействующей волны напряжения, то при расчетах требуется учитывать эффект распространения, что, в свою очередь, требует применения численных методов. Однако, введя допущение о том, что оба проводника и экран включены на согласованное сопротивление, а затухание пренебрежимо мало, можно показать, что выражение (2.10) принимает следующий вид: k= Коэффициент при низких частотах равен единице, а огибающая зависимости от частоты имеет вид гиперболы 1/f при значениях частоты выше ν1ν3 /(ν1+ν3)l или ν1ν3/(ν1-ν3)l (где v1 и v3 -скорость распространения электромагнитной волны по цепям 1 и 3) в зависимости от того, течет ли ток помехи от нагрузки или к нагрузке соответственно. Максимальные значения коэффициента F(ωl) могут изменяться при явлении возможного резонанса в цепи, если проводники или экран не согласованы на своих концах. Для снижения помехи вместо цепи приемника помехи можно экранировать цепь ее источника (рисунок 1.20). Идея метода состоит в уменьшении магнитного потока источника. Кроме того, при таком исполнении в случае КЗ на землю в силовой сети сопротивление обратного провода будет меньше, чем в случае протекания тока КЗ через землю или через сеть заземления, а также исключается протекание опасных токов (вызванных КЗ) через экраны защищаемых кабелей. Такой подход ослабляет связь через общее сопротивление (принцип магнитной развязки). Рисунок 1.20 - Экранирующее действие трубчатого экрана При экранировании одновременно источника и приемника помех достигается большее ослабление помех, чем при экранировании одной из цепей. Во многих случаях заметный эффект ослабления может быть достигнут без применения экранирования, посредством прокладки кабелей в непосредственной близости от металлоконструкций с многократным заземлением, например, кабельных каналов, лотков, стеллажей, проводников заземления, экранов других кабелей и т. п. Основной эффект от экранирования достигается, в основном, на высоких частотах (>10 кГц) и его действие направлено на напряжения, возникающие между проводниками и землей (синфазное напряжение), тогда как применение симметрирования более эффективно на низких частотах (< 100 кГц) и воздействует на напряжения между проводниками (противофазные напряжения). Очевидно, что применение обоих методов дает наилучшие результаты. При рассмотрении вопросов ЭМС кабель рассматривают как набор из 2-х взаимосвязанных контуров жила-экран и экран-земля. На рисунке 1.21 представлен коаксиальный кабель (т.е. экранированный проводник), расположенный над проводящей плоскостью нулевого потенциала. При рассмотрении вопросов ЭМС данный кабель может быть рассмотрен как набор из двух взаимосвязанных контуров. Первый контур состоит из внутреннего проводника (жилы) и внешнего проводника (экрана) кабеля, в то время как второй включает в себя внешний проводник (экран) кабеля и плоскость земли. Рисунок 1.21 - Коаксиальный кабель, расположенный над плоскостью нулевого потенциала Передаточная функция является основным понятием, необходимым для решения любого типа вопросов, связанных с механизмами передачи помех. Среди всех возможных типов передаточных функций, одним из важнейших является передаточное сопротивление экрана кабеля, так как: оно является характерным внутренним параметром каждого кабеля, хорошо изучено и может быть измерено и указано в спецификации; кабельная система любой установки играет важную роль в реализации механизмов передачи помех; знание передаточного сопротивления кабеля позволяет (в некоторой степени) разбить общую проблему взаимосвязи на две части, которые, как правило, раздельно решаются легче. Первая часть, иногда называемая внешней, включает в себя я определение значения тока, протекающего по кабельному экрану при воздействии на него ЭМ поля. Вторая часть, так называемая, внутренняя, состоит в определении напряжения помехи общего вида на концах экранированного кабеля. Примеры помех, передаваемых магнитной связью: помехи при коммутациях на подстанциях с ОРУ; помехи, создаваемые магнитными полями, установками промышленной частоты; помехи при близких ударах молнии, то есть ударах в непосредственной близости от цепей автоматических и автоматизированных систем технологического управления электротехническими объектами; помехи, вызванные разрядами статического электричества вблизи оборудования. 1.3.3 Емкостная связь В отличие от индуктивной связи, емкостная связь проявляется под действием электрического поля источника помех, а не протекающих в нем токов. Емкости связи весьма малы, поэтому при больших расстояниях между источником и приемником помех емкостная связь ощутима лишь при достаточно большом сопротивлении цепи приемника (нагрузочное сопротивление на концах кабеля) либо при очень близком расположении цепей приемника и источника. Емкость между проводниками обратно пропорциональна расстоянию. К примеру, два проводника одного кабеля обладают взаимной емкостью порядка 100 пФ/м. Увеличение расстояния между ними всего лишь на 5 сантиметров приводит к уменьшению взаимной емкости в 70 раз, в то время как дальнейшее увеличение расстояния до 50 см вызывает уменьшение емкости менее чем в 2 раза. Данный пример показывает важность рассмотрения емкостной взаимосвязи при близком расположении цепей. Единственным способом ослабления емкостной связи, если невозможна раздельная прокладка проводников или уменьшение сопротивления (стратегия разомкнутой цепи), остается экранирование защищаемого проводника и соединение экрана с заземлением в одной точке (стратегия замкнутой цепи), рисунок 1.22. Экран для ослабления емкостной связи не настолько критичен к качеству исполнения, как экран для снижения индуктивной связи. Особую важность приобретает передаточная проводимость Ytпередаточное же сопротивление теряет свое значение. Проводимость зависит от структуры отверстий в экране и от удельной взаимной емкости между жилой и экраном. Кабели в оплетке с большим коэффициентом покрытия, кабели в оболочке из металлической фольги или лент (даже в случае их спиральной намотки) обычно обладают очень низкой передаточной проводимостью, которой обычно можно пренебречь, если экран присоединен к земле.В частности, это верно при низких частотах (50/60 Гц) и объясняет, почему, например, такие некачественные проводники, как стены домов, достаточно эффективно снижают электрические поля внутри дома, вызванные внешними источниками электрических полей. Однако снижение помех, обусловленных электрическим полем при помощи экрана, эффективно только при низких частотах, когда продольными сопротивлениями можно пренебречь по сравнению с поперечным емкостным. Рисунок 1.22 - Емкостная связь и экранирование при емкостной связи При высоких частотах возникает необходимость заземления экрана более чем в одной точке, в частности, на обоих концах кабеля. Примеры помех, передаваемых емкостной связью: помехи, создаваемые низкочастотным электрическим полем, создаваемым силовыми установками высокого напряжения; помехи, обусловленные быстрыми переходными процессами, вызванными коммутациями в сети низкого напряжения; перекрестные помехи в сигнальных кабелях; синфазные помехи за счет связи между первичной и вторичной обмотками разделительного трансформатора, оптронов, трансформаторов тока или напряжения на ПС. 1.3.4 Связь излучением Предыдущие связи основываются на том предположении, что размеры цепи (включая источник и приемник помех) много меньше длины волны λ=c/f, (здесь f— наибольшая частота спектрального состава помехи). В этом случае имеем дело с полями ближней зоны. В зоне, где выполняется это условие, отношение напряженностей электрического и магнитного полей ZW=E/H, называемое волновым сопротивлением, может принимать значения, зависящие от вида источника излучения и расстояния между источником и приемником излучения. Если Zw<377 Ом, то преобладает магнитное поле, источник носит название низкоомного источника больших токов (и низких напряжений), а в качестве модели используют модель индуктивной связи. При Zw>377 Ом преобладает электрическое поле, источник (высокоомный) характеризуется большими напряжениями и малыми токами, а в качестве модели связи используют емкостную модель. При увеличении расстояния от источника отношение Е/Н стремится к 377 Ом, называемому волновым сопротивлением вакуума. В этих условиях отсутствует преобладание какой-либо составляющей поля, которое представляет собой электромагнитное поле излучения. Расстояние, при котором достигается данное условие, определяет собой границу между дальней и ближней зонами ЭМ поля. Если размеры источника много меньше длины волны, то граница указанных зон располагается на расстоянии R= Х/2к от него (порядка одной шестой части длины волны). Однако, если максимальный размер Dисточника больше по величине половины длины волны, то граница зон определяется выражением R=D2/2λ На рисунке 1.23 приведены зависимость ZWот расстояния до источника и скорость уменьшения поперечных составляющих поля (при расчетах радиальной составляющей ЭМ поля пренебрегли). Если помеха имеет импульсную природу, то наибольшая по частоте и все еще заметная по величине составляющая его спектра определяется по выражению f=1/πτt, где τt — длительность фронта импульса. Основными источниками излучаемого ЭМ поля являются молния, радиопередатчики и переговорные устройства. Первые два являются источниками импульсных полей, два последних — источниками фиксированной частоты излучения. Например, радиопередатчик, работающий в диапазоне средних волн (f=1МГц), имеет длину волны λ=c/f=3·108/106 откуда следует, что связь излучением имеет место на расстояниях, больших 300/2π = 50 м. ..,; Рисунок 1.23 - Волновое сопротивление Zw в функции расстояния х/(λ/2π) от источника Для разрядов молнии характерны аналогичные значения расстояний, так как τr=0,5 мкс, а f= 0,6 МГц. С другой стороны, типичная длительность фронта волны ЭМ поля, составляет τr=0,5 нс Этому значению соответствует длина волны λ=4,5 м, поэтому связь излучением может происходить на расстояниях меньше метра. Таким образом, помехи определяются ближней зоной излучения при расстоянии приемника от источника помех до: 5000 м - при частоте f = 0,01 Мгц; 500 м — при частоте f = 0,1 Мгц; 50 м — при частоте f = 1 Мгц; 5м— при частоте f = 10 Мгц; 0,5 м — при частоте f = 100 Мгц. При этом основные принципы, описанные ранее и все методы снижения помех, основанные на них, также эффективны и в целях снижения ВЧ помех, вызванных полевым механизмом связи. Более того, введение в рассмотрение условия распространения помех также означает наличие их затухания. Отсюда, по крайней мере, при рассмотрении тяговых подстанций, возмущения, вызванные излучением, оказываются меньше по величине, чем возмущения, вызванные индуктивной связью. Примеры помех, передаваемых связью излучением: помехи, вызванные электрическими переходными процессами при коммутациях на элегазовых подстанциях; помехи при удаленных ударах молнии (несколько сотен метров от приемника); полевые помехи высокой частоты, создаваемые радиопередатчиками. 377> |