Электромагнитная совместимость устройств. Конспект лекций для студентов специальности "Электроснабжение железнодорожного транспорта"
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
РЕЗЮМЕ Тяговая сеть 2х25 кВ характеризуется существенно меньшим уровнем наводимых на смежных линиях напряжений по сравнению с тяговой сетью 1х25 кВ. Основная причина этого эффекта - существование в системе проводов тяговой сети 2х25 кВ противофазных токов и напряжений. В системе ДПР-ПР-контактная сеть происходит циркуляция электрической энергии из-за взаимного электрического влияния проводов. Магнитное влияние на линии ПР-ДПР при консольном питании тяги способно сильно изменять напряжения линий ПР-ДПР на удаленном конце. Возврат к оглавлению Лекция 11. НОРМЫ ОПАСНЫХ И МЕШАЮЩИХ ВЛИЯНИЙ 11.1. О нормировании наведенных напряжений и токов Влияние тяговой сети электрифицированной дороги приводит к появлению напряжений, представляющих опасность для людей и оборудования, или мешающих работе систем связи. Очевидно, существуют некоторые пороги этих двух сортов наведенных напряжений, ниже которых можно не считаться с влиянием тяговой сети. Эти критические значения зафиксированы в нормативных документах [1, 2] для хозяйства сигнализации и связи железной дороги, которые необходимо знать и работникам хозяйства электроснабжения. Специальных норм в отношении наведенных напряжений электрического и магнитного влияния для устройств электроснабжения нет, поскольку основная идеология нормирования опасных влияний основана на применении специальных мер защиты от наведенного напряжения, а специфика работы персонала хозяйства электроснабжения связана с постоянной опасностью высокого напряжения и специальные меры защиты персонала, работающего в низковольтных устройствах, являются общими мерами безопасности при работе в установках тягового электроснабжения. Специальные меры по защите персонала и абонентов систем сигнализации и связи устанавливают заземление металлических покровов кабелей, использование повсеместно изолирующих защитных средств и другие мероприятия. данном разделе представлены нормы опасных и мешающих влияний для устройств сигнализации и связи. 11.2. Нормы допустимых опасных влияний Нормы допустимых опасных влияний составлены на основе учета трех следующих факторов (в порядке снижения их важности): ·требования безопасности для обслуживающего персонала и пользователей; ·соотношение наводимых напряжений с уровнем изоляции линии и присоединенного к ней оборудования; ·величины рабочего (длительно допустимого) напряжения, указанного в технических условиях на кабель (в случае кабельных линий) или входное оборудование. Требования безопасности основаны на следующих соображениях. Известно, что длительное протекание через тело человека переменного тока не более 2 мА не оказывает заметного влияния. Если ток через тело человека, коснувшегося в любом месте изолированного провода связи или вещания, не будет превышать 2 мА, то на таких линиях можно не применять специальных мер по защите обслуживающего персонала и абонентов от опасного влияния тяговой сети. Очевидно, что стекающий при этом ток определяется электрическим влиянием контактной сети и длительность протекания тока не ограничена во времени. При коротких замыканиях в тяговой сети в смежных линиях возникают кратковременные напряжения магнитного влияния, длительность которых определяется временем срабатывания защиты в устройствах тягового электроснабжения. Степень опасности кратковременного воздействия напряжения на человека меньше, чем длительного, и зависит от длительности приложения напряжения: чем короче импульс, тем он менее опасен. По этой причине нормируют напряжения этого вида влияния для наихудшего варианта смежной линии связи, когда линия заземлена на удаленном конце, и учитывают длительность наведенного напряжения, определяемую временем срабатывания защит от короткого замыкания. При длительном приложении напряжения, отвечающем вынужденному режиму питания межподстанционной зоны (консольное питание от одной подстанции), степень опасности наведенного напряжения наибольшая. Специальные меры по защите персонала и абонентов не применяются в случаях, если при заземлении провода на противоположном конце в линии относительно земли возникают напряжения, не превышающие приведенных в табл. 2. Таблица 2 Допустимые индуцируемые напряжения по отношению к земле в проводах линии связи и проводного вещания
Для соблюдения соответствия наведенного напряжения с уровнем изоляции линии и присоединенного к ней оборудования необходимо, чтобы амплитудное значение результирующего напряжения между проводом и землей, обусловленное электрическим и длительным магнитным влияниями, не превышало минимального статического напряжения пробоя установленных на проводе разрядников. Кроме того, опасные напряжения не должны превышать 60% испытательного напряжения изоляции жил кабеля или вводного оборудования по отношению к земле при коротком замыкании в тяговой сети. Для соблюдения соответствия наведенного напряжения и рабочего (длительно допустимого) напряжения при вынужденном режиме работы тяговой сети наведенное напряжение не должно превышать рабочего напряжения в линии связи. 11.2. Нормы допустимых мешающих влияний Нормирование мешающих влияний производится для проводных линий связи, работающих на звуковых частотах. При нормировании приходится учитывать несинусоидальность токов и напряжений в тяговой сети и несинусоидальность наводимых напряжений шумов, спектр которых содержит различные частоты. Наиболее представительной характеристикой несинусоидального наведенного напряжения является его энергетическая характеристика - эффективное значение, которое, однако, должно быть скорректировано с учетом следующих соображений.  Рис. 32 При передаче сигналов по каналам низкой частоты телефонной связи нужно иметь в виду, что в таких системах, во-первых, действуют эффективные фильтры звуковых частот, пропускающие сигнал в относительно узком частотном диапазоне, а во-вторых, система телефон-человек сама по себе обладает частотно-избирательным действием. Максимум чувствительности этой системы лежит на частоте порядка 1 кГц, и в основном по последней причине принято сравнение акустического воздействия токов разных частот с током частоты 800 Гц с помощью коэффициента акустического воздействия, определяемого соотношением pk=U800/Uk, где U800, Uk - напряжения сигнала частотой 800 Гц и частотой k (k - номер рассматриваемой гармоники), воспринимаемые с одинаковой громкостью. Примерный характер частотной зависимости pk показан на рис. 32. Максимум зависимости приходится на частоту 1 кГц, где pk несколько больше единицы. Таким образом, вместо  , где Ui - действующее значение напряжения гармоники i, используется напряжение ,которое называется псофометрическим напряжением шума. Именно это напряжение нормируется "Правилами защиты..." [1,2]; в качестве примера в табл. 3 приведено несколько нормативных значений псофометрического напряжения шума. Эти нормы определяются в основном уровнем передаваемого сигнала. Таблица 3 Допустимые значения индуцируемых напряжений шума в каналах низкой частоты
Указанные в табл. 3 напряжения шума относятся к линейным зажимам цепей с волновым сопротивлением 600 Ом, замкнутым по концам на согласованную нагрузку. В случае отличия волнового сопротивления цепи Zв от 600 Ом норму напряжения шума пересчитывают для сохранения величины нормируемой мощности по формуле  , где Zв - модуль волнового сопротивления цепи, Ом, на частоте 800 Гц.При измерениях псофометрического напряжения шума используют специальный фильтр, имеющий соответствующую частотную характеристику, и вольтметр действующих значений. РЕЗЮМЕ Нормы допустимых опасных влияний определяются в основном степенью опасности наведенного напряжения для человека, а также уровнем изоляции линии и рабочим напряжением линии связи. Нормы допустимых мешающих влияний определяются допустимым соотношением между напряжением шума и напряжением полезного сигнала в линии связи. Возврат к оглавлению Лекция 12. МЕШАЮЩИЕ ВЛИЯНИЯ НА СМЕЖНЫЕ ЛИНИИ 12.1. Основные положения и допущения для расчета мешающих влияний Расчет напряжений мешающих влияний на линии связи, работающие на звуковых частотах, гораздо сложнее расчета напряжений опасных влияний. Основные трудности связаны с несинусоидальностью влияющего тока контактной сети и большой электрической длиной цепей. Для расчета напряжений мешающих влияний в основном используются похожие выражения, что и для расчета опасных влияний, усложненные указанными обстоятельствами. Основные положения расчета и некоторые отличия таковы. 1. В тяговой сети протекают несинусоидальные токи, приводящие к несинусоидальным наводимым напряжениям магнитного влияния. Расчеты наводимых напряжений в такой ситуации проводят, используя синусоидальные составляющие токов и напряжений, переходя к расчетам на гармониках. Основными источниками гармоник в тяговой сети являются выпрямители и инверторы тяговых подстанций при электрификации на постоянном токе, а на переменном токе - преобразователи электроподвижного состава. 2. На аппаратуру связи воздействует напряжение, которое, как правило, поступает с двух проводов. Поэтому далее чаще всего речь будет идти о двухпроводной цепи, в которой напряжение между проводами много меньше напряжения каждого провода относительно земли. В двухпроводной линии оба провода оказываются под напряжениями U1 и U2 относительно земли, а на нагрузке линии напряжение равно U12=U1-U2. Напряжение это не равно нулю, во-первых, из-за разных расстояний от тяговой сети до каждого из проводов (поперечная асимметрия), во-вторых, из-за неодинаковости двух проводов по длине (продольная асимметрия). Ввиду малого расстояния между проводами, их скручивания или скрещивания преобладает обычно продольная асимметрия. Для расчета напряжения этой составляющей используют так называемый коэффициент чувствительности η=U12/U0, где U0≈U1≈U2. Таким образом, расчет напряжения мешающего влияния сводится к расчету напряжения на проводе относительно земли: U=ηU0. Значения коэффициента чувствительности обычно определяют путем экспериментальных измерений. 3. Длина цепи, на которую рассчитывается влияние, велика в том смысле, что тяговая влияющая цепь составлена из нескольких межподстанционных зон. Напряжения от разных межподстанционных зон суммируются с использованием синусоидальных составляющих токов и напряжений. Длина цепи велика еще и в другом смысле: для высших гармоник нельзя считать цепь электрически короткой, поэтому необходимо пользоваться общими выражениями для процессов в цепях с распределенными параметрами. 4. Обычно напряжение электрического влияния оказывается много меньше, чем напряжение магнитного влияния, поскольку влияния обусловлены главным образом гармониками тока в тяговой сети, и далее рассмотрен расчет только напряжения магнитного влияния. При необходимости оба напряжения можно складывать по ранее приведенной методике. 12.2. Разложение периодических токов и напряжений в ряд Фурье Расчет линейной цепи с несинусоидальными напряжениями и токами, в том числе и расчет влияний, в общем случае сводится к решению систем линейных дифференциальных уравнений, составленных на основании законов Кирхгофа или на основе производных из законов Кирхгофа методов. Но если разложить периодические токи и напряжения на сумму синусоидальных величин, то возможен расчет раздельно для каждой гармоники, то есть решение системы линейных алгебраических уравнений, с последующим сложением решений для гармоник. Такой подход проще, но требует предварительного разложения несинусоидальных источников на синусоидальные составляющие, то есть в ряд Фурье. Разложение в ряд Фурье базируется на теореме Фурье, которая формулируется следующим образом. Всякая периодическая функция, удовлетворяющая условиям Дирихле, то есть имеющая за полный период конечное число разрывов первого рода и конечное число максимумов и минимумов, может быть разложена в ряд Фурье:  Необходимо заметить, что в задачах электротехники все периодические токи и напряжения удовлетворяют условиям Дирихле (в которых разрывом первого рода называют скачок функции на конечную величину; тангенсоида, например, имеет разрывы второго рода). Поэтому можно сказать, что всякое периодическое напряжение или всякий периодический ток могут быть разложены в ряд Фурье. В разложении в ряд Фурье A0 - постоянная составляющая, A1sin(ωt+φ1) - основная волна или первая гармоника, которая имеет тот же период T=2π/ω, что и исходная несинусоидальная функция; остальные слагаемые называют высшими гармониками. Частоты высших гармоник кратны основной частоте, определяемой периодом исходной функции. Отдельное слагаемое ряда Фурье можно представить и в несколько ином виде:  ,где  Коэффициенты ряда Фурье вычисляются из исходной функции следующим образом: (28)Довольно часто встречается ситуация, когда токи и напряжения удовлетворяют условию  то есть кривая симметрична относительно оси абсцисс (рис. 33). Для такой кривой в разложении Фурье отсутствуют четные гармоники и постоянная составляющая: (29) Рис. 33  , все Bk=0; для нечетных функций,  , все Ck=0 и A0=0.Существует большое количество различных приближенных методов разложения на гармонические составляющие. Одним из простейших является метод прямоугольников, названный так потому, что в нем использован метод прямоугольников для вычисления интегралов в формулах (28). Этот метод предполагает замену с некоторым приближением интеграла суммой:  или  .В представленных формулах n - число разбиений периода исходной функции на равные части, yi - значение функции в конце интервала разбиения. Поскольку замена синусоидальной подынтегральной функции прямоугольником требует, чтобы на ширине прямоугольника синус слишком серьезно не изменялся, в методе прямоугольников число разбиений периода функции n должно не менее чем в два раза превышать максимальный номер вычисляемой гармоники. При этом вопрос о точности определения параметров гармоник не ставится; теорема Котельникова утверждает только, что при числе разбиений периода напряжения или тока, равном удвоенному номеру высшей гармоники, можно найти такие значения модулей и фаз гармоник, что в точках разбиения сумма членов конечного ряда Фурье будет точно равна значениям исходной функции. Для кривой, симметричной относительно оси абсцисс, можно ограничиться суммированием только за полупериод, а полученный результат удвоить. 12.3. Расчет магнитного мешающего влияния Поскольку влияющая цепь составлена несколькими межподстанционными зонами, то можно говорить о расчетной схеме по рис. 34, где показан усилительный участок линии связи между двумя усилительными пунктами. Этот участок соответствует n влияющим участкам тяговой сети с подключенными по их краям m генераторами гармонических составляющих тока и напряжения. Количество участков и генераторов в общем случае разное за счет возможного консольного питания некоторых участков, за счет того, что на переменном токе каждый электровоз является генератором гармоник, и за счет других причин. Расчет выполняют применительно к ближнему (дальнему) концу усилительного участка, например, УП1, полагая, что тяговая сеть состоит из плеч одностороннего питания, на конце каждого из которых находится один или несколько электровозов (при кратной тяге).  Рис. 34 Расчеты наведенного псофометрического напряжения шума производят путем расчета напряжения, наводимого от каждого участка на отдельной гармонике, с последующим квадратичным суммированием по всем гармоникам и квадратичным суммированием наводимых напряжений от всех участков. Мешающее напряжение для k-ой гармоники от влияющего участка i вычисляют по формуле (30), учитывающей коэффициент акустического воздействия, коэффициент чувствительности, различие экранирующего действия параллельных проводников на разных частотах и большую электрическую длину провода связи:  (30)В формуле (30) ωk=314k рад/с - угловая частота k-ой гармоники тягового тока; Mk - модуль взаимной индуктивности между контактной сетью и проводом связи для гармоники k, Гн/км; Ik - эквивалентный ток k-ой гармоники тягового тока, А; pk - коэффициент акустического воздействия для k-ой гармоники; ηk - коэффициент чувствительности двухпроводной телефонной цепи к помехам для k-ой гармоники тягового тока; s k - результирующий коэффициент экранирующего действия для k-ой гармоники тягового тока;  - коэффициент распространения канала провод линии связи - земля для k-ой гармоники,  - комплексное число, составленное коэффициентом затухания и коэффициентом фазы;103 - коэффициент перевода вольт в милливольты. Формула (30) получается из уравнений, аналогичных уравнениям (3) и (4) раздела 2.1. Нетрудно заметить, что для электрически коротких линий, когда  , формула (30) становится аналогичной формуле (19) для частоты 50 Гц с добавкой коэффициента акустического воздействия и коэффициента чувствительности.Для коротких межподстанционных зон тяговой сети постоянного тока 3.3 кВ формулу (30) можно несколько упростить, полагая  тогда .Для двухпроводных телефонных цепей определяют псофометрическое напряжение в диапазоне тональных частот (300 - 3400 Гц), суммируя гармоники от 7-й до 69-й при электрификации на переменном токе и от 2-й до 24-й при электрификации на постоянном токе:  .Напряжения шума от нескольких влияющих плеч складывают по квадратичному закону  ,где Uшi - напряжение шума, наводимое в линии связи от участка i. | |||||||||||||||||||||||||||||