лекция. Пята я типовые схемы сетей электроснабжения и размещение в них защитных устройств
 Скачать 7.85 Mb.
|
|
Глава первая источники электромагнитных воздействий 1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Электромагнитная обстановка на объектах электроэнергетики (электриче ских станциях, подстанциях, линиях элект ропередачи) резко отличается от электро магнитной обстановки на других объектах (на промышленных предприятиях, в офисных, жилых помещениях и т.д.). Характерными особенностями этой об становки является наличие постоянной во времени высокой напряженности электри ческого поля промышленной частоты (25 кВ/м и более) и напряженности маг нитного поля промышленной частоты 4 кА/м и более). Кроме того, на объектах электроэнергетики могут быть высокочас тотные поля, создаваемые устройствами управления, сигнализации, передачи дан ных и, т.д. В целом электромагнитная обстановка достаточно сложна даже в стационарных условиях и представляет собой наложение полей естественного и искусственного про исхождения, причем напряженности полей искусственного происхождения часто сущест венно превышают напряженности естест венных полей. Ситуация усугубляется тем обстоятельством, что электромагнитные поля искусственного происхождения под вержены быстрым изменениям вследствие изменения режимов работы объектов элек троэнергетики, возникновения аварийных ситуаций и т.д. В результате возникают воз мущения стационарной электромагнитной обстановки. Источники электромагнитных воз действий. Характерными источниками электромагнитных воздействий, которые могут оказывать влияние на автоматиче ские и автоматизированные системы техно логического управления электротехниче скими объектами на электрических стан циях и подстанциях, являются:
Дополнительным источником электро магнитных возмущений на электрических станциях и подстанциях, которые могут вызвать сбои в работе электронных и мик ропроцессорных устройств, является также вспомогательное электрооборудование, такое как сварочные аппараты, осветительные приборы, мощные тяговые механизмы, бытовые электроприборы, электроинстру менты и др. Кроме того, в устройствах автоматиче ских и автоматизированных систем техно логического управления электротехниче скими объектами могут возникнуть и другие электрические явления, которые могут стать причиной их неправильного функциониро вания. К таким явлениям относятся пере ходные значения сопротивления в контактных соединениях, шумы активных и пассив ных элементов, дрейф параметров элемен тов, разброс времени коммутации в логических устройствах, исчезновения сиг налов при передаче, явления отражения волн в линиях, вибрации и микрофонный эффект в контактах, пьезоэлектрические смещения зарядов при сжатии и изгибах изоляции, а также контактные напряжения, схемо и термоэлектрические эффекты в точках соединения проводников из различ ных материалов. Наконец, два следующих вида воздей ствий должны рассматриваться в особых ситуациях:
На рис. 1.1 изображены некоторые источ ники воздействий из отмеченных выше на электростанциях и подстанциях высокого напряжения. Основные типы и возможные диапа зоны значений электромагнитных помех. Помехи, создаваемые источниками элект ромагнитных возмущений, могут возникать в виде как периодически появляющихся, так и случайно распределенных во времени величин. В обоих случаях речь может идти как об узкополосных, так и о широкополос ных процессах. При систематизации в пер вом приближении, несмотря на бесконеч ное разнообразие вариантов, выделяют четыре типа помех. Характерные примеры помех приведе ны в табл. 1.1, а именно: синусоидальные (например, постоянно действующие перио дические узкополосные помехи в форме переменного напряжения частотой 50 Гц или больше), прямоугольные, периодиче ские затухающие однократные импульсы и одиночные импульсы, образованные двумя экспонентами. Помехи, возникающие в автоматиче ских и автоматизированных системах тех нологического управления электротехни ческими объектами, могут рассматриваться как синфазные или противофазные напря жения (рис. 1.2). Таблица 1.1. Разновидности электромагнитных помех
Рис. 1.1. Источники электромагнитных воздействий на электрических станциях и подстанциях: 1 – молния; 2 – переключения и КЗ в сети; 3 – переключения и КЗ в сети среднего напряжения (СН); 4 – переключения и КЗ в сети НН; 5 – внешние источники радиочастотных излучений; 6 – внутренние источники радиочастотных излучений; 7 – разряды статического электричества; 8 – источники кондуктивных помех по цепям питания Рис. 1.2. Помехи, связанные с передачей сигналов по линии: - паразитные емкости относительно заземленного корпуса; - источник противофазных помех; - источник синфазных помех; - полные сопротивления источника и приемника помех; - синфаз ные токи; - противофазный ток; - синфазные напряжения помех; - противофазное напряжение помех Противофазные напряжения электро магнитных помех (поперечные, симмет ричные) возникают между проводами двух проводной линии ( на рис. 1.2). Они накла дываются непосредственно на полезные сигналы в сигнальных цепях или на напря жение питания в цепях электроснабжения; воздействуют на линейную изоляцию между проводами и могут быть восприняты как полезные сигналы в цепях автоматических и автоматизированных систем технологи ческого управления на электрических стан циях и подстанциях и тем самым вызвать ошибочное их функционирование. Противофазные напряжения помех воз никают в цепях автоматических и автома тизированных систем технологического управления через гальванические или поле вые связи или появляются из синфазных напряжений помех в системах, несиммет ричных относительно земли. Синфазные напряжения электромаг нитных помех (несимметричные, продоль ные напряжения) возникают между каж дым проводом и землей (на рис. 1.2) и воздействуют на изоляцию проводов от носительно земли. Синфазные помехи обусловлены глав ным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства, например, между точками 1 и 2 на рис. 1.2, вызванной токами в земле (токи КЗ или токи молнии). Они также могут возникать в результате воздействия магнитных полей. Параметры помех в зависимости от электромагнитной обстановки на энерго объекте, могут изменяться в очень широ ком диапазоне (табл. 1.2). Способы описания и основные пара метры помех. Помехи можно представить и описать как во временной, так и в частот ной области. Рассмотрим систему из двух контуров, имеющих гальваническую, ем костную или индуктивную связь (рис. 1.3). В первичном (влияющем) контуре возни кает помеха, которая передается во вторич ный (подверженный влиянию) контур. Важнейшими параметрами периодиче ских помех являются частота и амплитуда помехи в первичном контуре; эти параметры определяют амплитуду напряже ния помехи во вторичных контурах. Важнейшими параметрами непериоди ческих помех являются: скорость изменения (скорость нарастания или спада) помехи ;она определяет максимальное напряжение помехи во вторичной цепи;
Таблица 1.2. Возможные диапазоны значений параметров помех
Рис. 1.3. К определению параметров периодических (а) н непериодических переходных (б) помех: - приемник сигналов; - источник сигналов; - помеха (напряжение или ток); - максимальное напряжение помехи, обусловленное связью; 1 - влияющий контур; 2 - гальваническая, емкостная или индук тивная связь; 3 - контур, подверженный влиянию Для взаимосвязанного представления этих величин используют при периодиче ских помехах амплитудный спектр, а при импульсных спектр амплитудной плот ности (см. табл. 1.1). Применительно к рас сматриваемой (измеряемой) помехе оба представления позволяют:
Для количественной оценки величин, характеризующих ЭМС, пользуются лога рифмическими масштабами электрических величин в безразмерных единицах, что позволяет наглядно представить соотношение величин, отличающихся на много порядков, а также умножать значения этих величин простым сложением их логарифмов. Разли чают два вида логарифмических относи тельных величин: уровень и меру сигнала. Уровень — логарифм относительной величины с постоянной базой — знамена телем. Понятием «уровень» можно описы вать значения помех (напряжения, тока, напряженности полей помех и т.п.). В качестве базового значения напряжения часто принимают мкВ. Логарифм относительного напряжения называют уров нем напряжения. При применении десяти чного логарифма справедливы следующие выражения для уровней, дБ; напряжения при мкВ; тока при мкА; напряженности электрического поля при мкВ/м; напряженности магнитного поля при мкА/м; мощности . Уровень сигнала является безразмер ной величиной. Физическая природа опи сываемых величин подчеркивается приня тыми для них обозначениями, такими как а размерность базовой величины указывается в индексе или в скобках, например дБ (мкВ), дБ (мкА) и т.д. Мера сигнала — логарифм отношения величин для обозначения измеряемых свойств объекта (степени передачи, коэф фициентов усиления, ослабления). При этом используют отношение величин на входе и выходе системы или отношение величин в определенной точке при наличии и отсутствии демпфирующего элемента (фильтра, экрана). Например, коэффици ент затухания , дБ, вносимого фильтром, выражают с помощью десятичного логарифма отношения : ; при наличии экрана . Здесь и - напряжения помех на входе с фильтром и без фильтра, а , и - воздействующие на прибор напря женности электрического поля без экрана и с экраном соответственно. С помощью натурального логарифма можно выразить отношение величин в неперах, например: для напряжения (1 Нп соответствует соотношению , а для энергетических величин — соотноше нию ); для мощности . Между непером и децибелом сущест вуют соотношения дБ, или 1 Нп = 8,686 дБ и 1 дБ = 0,115 Нп. Понятие «помехоподавление» характе ризует степень защитного действия средств зашиты от помех, и чаще всего оно дается в зависимости от частоты. Помехоподавле ние характеризуют, например, логарифмом отношения напряжений на входе и выходе фильтра (коэффициент затухания ) или напряженности поля перед экраном и за ним (коэффициент экранирова ния ): . 1.2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ при ударах молнии Молния является наиболее мощным естественным источником электромагнит ных возмущений. В настоящее время получены доста точно достоверные сведения по основным параметрам молнии (амплитуда тока, кру тизна фронта, параметры грозовой актив ности и т.д.) для положительных и отрица тельных ее импульсов при любом возмож ном механизме их образования. При рассмотрении вопросов ЭМС сле дует иметь в виду, что молния и связанные с ней электромагнитные поля оказывают сильное влияние в месте удара и вблизи него. При разработке устройств внутрен ней молниезащиты учитывают максималь ное значение и крутизну нарастания тока. В каждом конкретном случае могут быть рассчитаны электрические и магнитные поля, связанные с полным током молнии или токами в заземляющем устройстве, а также индуцированные ими токи и напря жения в цепях автоматизированной сис темы технологического управления элек тротехническим объектом. При этом необ ходимо учитывать такие факторы, как уда ление от места удара молнии, конфигурацию приемной системы, характеристики зда ний, заземляющих устройств и др. 1.2.1. Электромагнитное поле тока молнии при ударе в землю Для расчета электрических и магнит ных полей, создаваемых током молнии на уровне земли на различных расстояниях от места удара, используется рис. 1.4. Формулы для расчета напряженности электрического поля и индукции : ; , где - ток молнии; - электри ческая и магнитная постоянные; - ско рость света в вакууме. Рис 1.4. Положение канала молнии при оценке электрического и магнитного полей, создаваемых током молнии Существуют различные модели расчета зависимости базирующиеся на экспе риментальных данных. С помощью уравнений Максвелла можно рассчитать электрические и магнит ные поля на уровне земли на расстоянии от канала молнии. При этом делается допу щение о том, что канал молнии представляет собой вертикальную антенну высотой ,поверхность земли имеет нулевое сопротив ление, а радиус поперечного сечения канала молнии много меньше, чем минимально возможная длина волны тока молнии. На рис. 1.5 показаны типичные резуль таты измерений вертикальной составляю щей напряженности электрического поля и горизонтальной составляющей напря женности магнитного поля полученные одновременно на расстоянии 5 и 50 км от первого удара и последующего обратного удара молнии. На основе выполненных исследований были определены следующие характери стики электрических и магнитных полей, создаваемых током молнии: вертикальная составляющая напря женности электрического поля и горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля на порядок и более превышают горизонтальную составляю щую напряженности электрического поля и вертикальную составляющую напря женности магнитного поля ; вертикальная составляющая электри ческого поля и горизонтальная составля ющая магнитного поля представляют собой кривую с очень крутым первым фронтом, за которым следуют всплески с гораздо менее крутым фронтом (см. рис. 1.5). Первый фронт обоих компонен тов имеет одинаковую крутизну и представ ляет собой так называемую излучаемую составляющую поля, затухающую обратно пропорционально расстоянию (). После дующие фронты (всплески) соответствуют емкостной и индуктивной составляющим, которые уменьшаются с увеличением рас стояния быстрее чем пропорционально - и соответственно. С дальнейшим увеличением расстояния до нескольких десятков километров излучаемая составля ющая становится преобладающей, а верти кальная составляющая электрического поля | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||