Использование металлических конструкций в качестве сети уравнивания потенциала. Для создания пространствен ной сети заземления следует объединять все несущие кабельные конструкции, лотки, стеллажи и каналы. Это означает, что для обеспечения ЭМС такое заземление корпу сов оборудования или кабельных экранов более предпочтительно, чем связь с заземлителем или шиной оборудования при помощи единственного медного проводника.
Это значит, что шины заземления могут быть легко образованы из металлических конструкции, если требуемое общее эквива лентное сечение медного проводника пре вышает 50 мм2, а неизолированный медный проводник сечением 16 мм2, присоединен ный к конструкции, обеспечивает электри ческое соединение.
В принципе все рекомендации, сделан ные для помещений релейных щитов, при менимы и к зданиям щита управления. Однако наиболее важные щиты управле ния включают в себя несколько помеще ний с очень чувствительным оборудова нием (например, компьютерами). Этот факт вызывает необходимость проведения некоторых специфических мероприятий при прокладке кабелей и, в особенности, заземления.
Хотя в данных условиях возможно создание смешанной сети заземления, осо бенно если здание имеет несколько этажей, но более простым и даже более эффектив ным оказывается создание цельной замкну той сети, при этом шаг ячейки в помеще ниях с наиболее чувствительным оборудо ванием должен быть более частым.
Следует обращать особое внимание на прокладку кабелей и, в особенности, уст ройство заземления телекоммуникацион ных зданий, непосредственно примыкаю щих к опорным мачтам радиоантенн.
Существует, по крайней мере, три при чины для подобного внимания:
высокая вероятность поражения мачты молнией;
большинство оборудования связи не удовлетворяет требованиям в части ЭМС, предъявляемым к оборудованию ПС высо кого напряжения;
использование широкополосных сиг налов.
Все основные принципы выполнения заземлений, упомянутые ранее, остаются а силе, при этом особенно важна концепция построения трехмерной структуры нуле вого потенциала.
Так как антенный фидер обычно входит в здание на уровне крыши, то рекоменду ется устанавливать полосу заземления выше оборудования, над поверхностью потолка, вместо прокладки ее около пола (последний вариант рекомендуется в слу чае, если антенный фидер входит в здание на уровне земли).
Это означает, что все устройства для крепления кабелей должны размешаться на стенах вблизи потолка или на самом потолке, кабели должны прокладываться на том же уровне, попадать на различные стеллажи и вводиться в корпуса сверху.
При такой прокладке кабели образуют пучок (группу), свисают с потолка помеще ния и не имеют непосредственного кон такта с полом.
Разделения подходящих к оборудова нию кабелей на две части (заходящие сверху и снизу) следует избегать в любом случае, так как при такой прокладке образуются петли, которые могут как воспринимать, так и излучать сильные магнитные поля.
Принимая во внимание то, что токи молнии протекают с верхней части здания вниз, а для подключения радиоканалов используются коаксиальные кабели или волноводы с многократным заземлением, то единственным способом ослабить связь через общее сопротивление и индуктивную связь является прокладка вертикальных проводников заземления по углам здания вдали от оборудования.
По тем же причинам все кабели (в част ности, коаксиальные), приходящие от антенн, и поддерживающие их конструк ции, следует заземлять прямо на входе в здание при помощи проводника сечением не менее 50 мм2, прокладываемого по наружной стене здания и присоединенного к контуру заземления здания.
Все кабели, соединяющие здание связи с другими зданиями, следует вводить с той же стороны здания, что и кабели от мачты связи для того, чтобы избежать протекания токов молнии поперек здания.
Настойчиво рекомендуется избегать прокладки кабелей, проходящих от антен ной мачты (например, коаксиальных кабе лей, кабелей подогрева антенн и т.п.), и кабелей, трасса которых проходит внутри здания.
Обычно считается, что оборудование высокого напряжения и, в частности, система молниезащиты действуют и для оборудова ния низкого напряжения и зданий, располо женных в пределах подстанций высокого напряжения, поэтому нет необходимости устанавливать дополнительную защиту.
Однако необходимо проверять эффек тивность действующей защиты в соответ ствии с правилами, приведенными в общих руководящих указаниях и стандартах, каса ющихся молниезащиты.
По требованиям электробезопасности ограды никогда не присоединяются к кон уру заземления подстанции, если существует вероятность одновременного прикос новения к ограде и оборудованию или эле ментам ПС. В этом случае контур заземле ния следует прокладывать и за пределами огороженной территории.
Цепи вторичной коммутации вклю чают в себя кабели низкого напряжения, выполняющие на ПС высокого напряжения следующие функции:
измерение токов и напряжений;
управление оборудованием;
индикация, связь;
электроснабжение собственных нужд переменным и постоянным током.
Вторичные цепи следует располагать как можно дальше от источников возмуще ний. В частности, следует избегать про кладки параллельно с шинами высокого напряжения или вблизи них, вблизи емкос тных трансформаторов напряжения и раз рядников.
Кроме того, как уже упоминалось, необ ходима прокладка в каждой кабельной траншее заземляющего проводника сече нием не менее 50 мм2.
Все кабели, входящие и выходящие из здания, должны быть экранированы.
Экраны всех кабелей должны быть заземлены с обеих сторон, за исключением редко встречающихся на ПС кабелей, по которым передаются сигналы типа 2b (согласно классификации, приведенной в табл. 7.6).
Заземление следует выполнять либо на щитках, либо на самом оборудовании, к которому присоединяется кабель. В первом случае рекомендуется устанавливать щитки параллельно стене вблизи места входа кабе лей и присоединять экраны непосредс твенно к шине заземления.
Во втором случае, в настоящее время наиболее часто встречающемся па прак тике, экраны присоединяются к поверхно стям с высокой проводимостью, например стенам шкафов, в месте входа кабелей. Длина проводника, соединяющего экран и корпус оборудования, должна быть наи меньшей, причем наилучшим является присоединение экрана по окружности. Использование проводников длиной менее 10 см в большинстве случаев дает хороший результат.
Соединительные проводники должны обеспечивать непрерывность электриче ской цепи между кабелем и корпусом обо рудования. Следует избегать использова ния для подключения заземляющих про водников одно- или двухштырьковых сое динителей или фиксирующих устройств (замков, защелок).
Сечение проводников для заземления экрана кабеля должно быть эквивалентно сечению экрана.
В зависимости от вида используемого экрана кабеля могут быть получены различ ные значения передаточного сопротивления, приводящие к различным уровням синфаз ного напряжения для конкретной помехи.
На ПС высокого напряжения наиболее часто встречаются следующие виды экра нов, приведенные в порядке убывания эффективности действия:
1) стальные ленты (броня), навитые в виде спирали без защитного покрытия и соединенные медными проволоками для повышения электрической проводимости. Ввиду малого шага повива коэффициент экранирования такой системы очень мал и зависит от толщины кабеля, при этом чем меньше его сечение, тем лучше экранирую щее действие. На ПС высокого напряжения применение кабелей с такими экранами следует избегать;
2) стальная проволока, навиваемая спи рально с шагом более 20 см. Эффектив ность действия такой системы немногим лучше, чем предыдущей. Применима на частотах до нескольких сотен килогерц. Может быть достигнут коэффициент экра нирования 30—40 дБ, однако такие экраны не рекомендуются применять, в частности, на элегазовых подстанциях;
3) сплошной повив медной проволокой с большим продольным шагом, дополни тельно покрытый на 50 % медной лентой, навитой в обратном направлении. Данный тип экрана может быть рекомендован, например, для экранирования кабелей, иду щих от трансформаторов тока и напряжения;
4) одиночная или двойная оплетка с высоким коэффициентом заполнения (более 80 %). Иногда в дополнение к медной оплетке на жилы навивается пластиковая фольга с алюминиевым покрытием. При качественном выполнении оплетки может быть достигнут достаточно высокий коэф фициент экранирования (более 40 дБ) даже при частотах выше нескольких мегагерц. Рекомендуется к применению на ПС высо кого напряжения для любых цепей вторич ной коммутации.
При прокладке в земле (кабельных тран шеях) рекомендуется усиливать оплетку при помощи одной или двух медных (латунных) полос, навитых по спирали. Такая операция повышает не только механическую про чность кабеля, но и его передаточное сопро тивление;
5) экран из двух слоев медной ленты, навитых в противоположных направлениях с перекрытием. Вследствие хорошего заполнения и наличия двойного слоя коэф фициент экранирования остается высоким даже при частотах выше 10 МГц. Однако относительная жесткость конструкции ограничивает ее применение в случаях, требующих использования кабелей малого размера, например кабелей связи;
6) сплошной экран, образованный обыч ной металлической трубой (из свинца или меди). Для достижения большей гибкости медные экраны обычно гофрируются. Сплошные экраны обеспечивают наилуч шую эффективность, особенно па высоких частотах, что приводит к уменьшению про тивофазной помехи до нескольких десятков вольт. Рекомендуются к использованию в любых условиях, в том числе на элегазовых подстанциях;
7) многослойные экраны. Используются либо для достижения эффекта на низких частотах при очень низких передаточных сопротивлениях (экраны, содержащие маг нитные материалы) или для получения триаксиальной системы, позволяющей одно временно выполнить несколько видов заземления экранов (например, внутренний экран заземлить на одном конце, внешний на другом).
Все сочетания рекомендованных выше конфигурации экранов, например экраны, выполненные на основе медной проволоки пли лент, усиленных стальными лентами, несомненно, повысят общую эффектив ность экранирования.
В частности, сочетание хорошо экрани рованного кабеля и электрически непре рывного - образного кабельного лотка может обеспечить получение коэффици ента экранирования 60 дБ и даже более, при этом создается практически непреодо лимый для помех путь при прокладке кабе лей, передающих сигналы практически любого типа.
Следует указать, что в отличие от элект ростанций, количество кабелей на ПС высокого напряжения относительно неве лико и в будущем, вероятно, уменьшится с появлением локальных вычислительных устройств и систем уплотнения.
Однако вследствие близости оборудова ния высокого напряжения и высокой веро ятности поражения молнией, электромаг нитная обстановка па ПС обычно более сложная, чем на электростанциях. Поэтому большее внимание следует обращать на качество прокладки кабелей (т.е. их экра нирование) на ПС высокого напряжения, чем на электростанциях. Другими словами, польза от качественного выполнения экра нов кабелей более существенна на ПС, чем на электростанциях.
Кабели, не выходящие за пределы зда ния, могут быть не экранированы, за иск лючением кабелей, по которым передаются широкополосные сигналы связи (при полосе пропускания кГц или скорости более 20 кбод), аналоговые сигналы низкого уровня (при измерениях темпера туры и т.п.).
Минимальный уровень электрической прочности изоляции между жилой и экра ном зависит от многих факторов, однако испытательное напряжение должно быть не менее 1000 В при частоте 50 (60) Гц.
Как уже отмечалось, следует следить за тем, чтобы в одном кабеле (пучке неэкранированных кабелей) никогда не проклады вались цепи, по которым передаются сиг налы различных типов.
То же самое правило относится к цепям, разделенным помехозащищающим уст ройством. Примером являются входные и выходные цепи фильтров или изолирую щих трансформаторов.
Следует обращать особое внимание на кабели, соединяющие ТТ и ТН с релей ными щитами, так как они относятся к тем цепям, которые подключаются непосредст венно к оборудованию высокого напряже ния. Даже если это соединение осущест вляется через понижающий трансформа тор, ситуация такова, что коэффициент трансформации определяется только для промышленной частоты. Реальное измене ние как для синфазных, так и противофаз ных сигналов на высокой частоте мало зависит от коэффициента трансформации и сильно различается даже для трансфор маторов одного типа.
Из соображений безопасности вторич ные цепи должны быть заземлены около оборудования высокого напряжения. Во избежание образования петли между нуле вым и заземляющим проводами экран измерительного кабеля следует соединять с корпусом трансформатора, а не отдельным проводом непосредственно к контуру зазем ления (рис. 10.8).
Связь между трансформаторами и релей ным щитом могут выполняться раздель ными двухжильными кабелями для каждой фазы или двумя четырехжильными кабе лями — один для токовых цепей, другой — для цепей напряжения.
а) б)
Рис. 10.8. Неправильное (а) и правильное (б) заземление экрана кабеля емкостного трансформатора напря жения
Рис. 10.9. Заземление вторичных цепей ТТ и ТН и кабелей, связывающих их с релейным щитом
В последнем случае установка колодки зажимов вблизи трансформатора позво ляет выполнить соединение к заземление различных нулевых проводников, как пока зано на рис. 10.9.
Нулевые проводники и экраны кабелей, входящих в коробку зажимов, присоединя ются к корпусу коробки, которая в свою очередь, заземляется.
Подобное двойное заземление нулевого проводника (на трансформаторе и в коробке зажимов) оказывает очень небольшое влия ние на уровень синфазных помех вследст вие очень небольшой длины двухжильных кабелей между трансформатором и короб кой зажимов.
Повторное заземление нулевых проводников на релейном щите не допускается ни при каких условиях.
Иногда следует опасаться появления двойного заземления в случае, когда два измерительных трансформатора присоединены к одному и тому же оборудованию (например, цепи синхронизации). В этом случае необходима установка разделитель ных трансформаторов.
В любом случае настоятельно рекомен дуется включать параллельно каждому двухжильному кабелю заземленный про водник сечением не менее 50 мм2.
Рис. 10.10. Схема вторичных цепей ТТ и TН, модифицированная в целях снижения появляющихся при пере ходных процессах противофазных помех
Если по условиям электробезопасности не требуется иного, то заземление нулевого проводника в одной точке, например, только в распределительной коробке пред почтительнее, так как напряжения помехи будут меньше (рис. 10.10).
Экранирование зданий. Необходимость экранирования строительных конструкций может возникнуть в случаях, когда требуется защитить установленное внутри здания очень чувствительное оборудование, напри мер компьютеры или оборудование связи.
Основными источниками возмущений, наличие которых вероятно может оправ дать создание глобальных экранов, явля ются на высоких частотах излучение, выз ванное током молнии и коммутациями в Цепях высокого напряжения, и на низких частотах значительные магнитные поля вблизи BJ1 высокого напряжения и оши новки, способные оказать влияние на чувствительное к помехам оборудование.
Выполнить экранирование от высоко частотного излучения относительно просто, если требуется достичь разумной эффек тивности экранирования (см. гл. 8). Дости жение очень высокой степени экранирования совершенно не оправдано, так как достаточно много помех проникает в зда ние через кабели.
Одним из наиболее простых и дешевых способов экранирования от ВЧ-помех — это закладка в стены здания сетки из сталь ных прутьев (диаметром около 5 мм) с шагом 10-15 см, причем каждый прут на концах и на пересечениях присоединяется к соседним.
При подобном выполнении может быть достигнут коэффициент затухания магнит ного поля от 15 до 30 дБ в диапазоне частот от 10 кГц до 30 МГц; он зависит от каче ства выполнения соединений между пруть ями, между прутьями и металлоконструк циями и наличия строительных проемов (окон, дверей и т.п.).
Другой дешевый способ экранирования на ВЧ — это создание сетки из тонкой про волоки.
Обеспечить необходимое для нормаль ной работы мониторов затухание магнитных полей промышленной частоты, несомненно, более трудно. Применение стальных реше ток, указанных выше, обеспечит затухание до нескольких децибелл. Использование стальных пластин или листов более эффек тивно, но весьма сложно. Коэффициент экранирования пропорционален толщине листа и квадратному корню из магнитной проницаемости материала. При использова нии стального листа толщиной 2,5 мм с маг нитной проницаемостью около 1000, образу ющего непрерывную магнитную цепь вок руг источника или приемника помех, можно достигнуть коэффициента затухания от 10 до 20 дБ. Если магнитная цепь не замкнута, ее магнитное сопротивление остается значи тельным, а значение коэффициента затуха ния редко превышает 10 дБ.
Значительное улучшение экранирующих свойств может быть достигнуто при приме нении стали с ориентированной внутренней структурой (подобно применяемой в транс форматорах).
Однако, вследствие наведения вихревых токов также возможно достичь приемле мого экранирования при помощи алюмини евых или медных пластин.
При одинаковой толщине пластин более эффективно применять сталь для создания экранов в непосредственной близости от защищаемого оборудования, в то время как использование алюминия более эффек тивно на больших расстояниях (например, несколько метров).
Использование сплавов с высокой маг нитной проницаемостью позволяет полу чить очень большие коэффициенты экрани рования, однако высокая стоимость ограни чивает их применение для защиты неболь шого оборудования.
Если источником возмущения является ошиновка, то лучшим методом подавления помех является увеличение расстояния между источником и приемником помех или уменьшение расстояния между прово дами различных фаз.
Подстанции с элегазовой изоляцией. Все принципы прокладки кабелей, рас смотренные ранее, могут быть применены и на элегазовых подстанциях, однако вследствие наличия на них более сложной электромагнитной обстановки эти меры должны быть усилены.
В частности, большое значение имеет создание хорошей эквипотенциальной сети заземления или общей поверхности нуле вого потенциала.
Поверхность нулевого потенциала может представлять собой непрерывную сталь ную сетку, залитую бетоном, сетку или металлические пластины, расположенные на одном или нескольких уровнях.
Стальные прутья, внедренные в армиро ванный бетон, могут быть использованы для создания такой поверхности и даже обра зовывать основу для ее создания, если раз мер ячейки не превышает 5×5 м. Сеть зазем ления, образованная при соединении такой поверхности нулевого потенциала с класси ческим контуром защитного заземления должна иметь размер ячейки не более 2×2 м.
Все металлические корпуса должны заземляться, по крайней мере, в двух точ ках; в частности, кабельные лотки и кабельные эстакады из проводящих мате риалов должны заземляться на обоих кон цах и каждый раз, когда они пересекают другие металлические элементы.
Сам корпус элегазовой подстанции надо присоединять к сети заземления у основа ния каждой опоры (кронштейна). Данные соединения должны иметь очень неболь шую длину и по возможности выполняться при помощи трех-четырех проводов.
В местах соединения с ВЛ металличе ский корпус элегазовой подстанции должен быть электрически соединен с поверхно стью опорного потенциала при помощи металлических пластин площадью нес колько квадратных метров (имеющих низ кое сопротивление). Корпуса оборудования подстанции, имеющие трубчатую форму, присоединяются к пластине при помощи шести-восьми перемычек, равномерно рас пределенных по его периметру.
Экраны кабелей высокого напряжения и вторичных цепей, входящих в элегазовую подстанцию, могут быть присоединены или не присоединены к местному контуру заземления.
Единственный способ избежать появле ния помех значительного уровня - это коаксиально присоединить экран кабеля к корпусу подстанции. Если этого не сделать, т.е. если кабельные экраны присоединены только к контуру заземления, то разность потенциалов между экраном и корпусом может составить многие десятки киловольт и могут произойти перекрытия изоляции.
Наличие одновитковых трансформато ров тока (надеваемых на кабель) или необ ходимость выполнения соединения разъем ным иногда влечет за собой невозможность коаксиального соединения. В этих случаях соединение следует выполнить при помощи минимум четырех коротких проводников, равномерно распределенных по окружно сти. Но даже в этом случае существует вероятность перекрытия, если расстояние между выводами экрана и корпусом меньше 10 см.
Для того чтобы избежать неконтроли руемых разрядов, рекомендуется устанав ливать на кабель кольцо (цилиндрический искровой разрядник, изображенный на рис. 10.11) с зазором между кольцом и кор пусом примерно 2-5 мм.
Подобная конструкция работает как фильтр высоких частот и пропускает раз ряды низкой энергии (составляющие 50/60 Гц проходят через внешнее коакси альное соединение), не оказывая практи чески никакого влияния на общий уровень помех.
При необходимости можно достичь полного подавления искрения при помощи шунтирования промежутка сопротивле нием в несколько Ом.
Если экраны кабелей не присоединяются к местному заземлителю, то появляется необходимость установки по периметру места соединения между экраном и корпу сом устройств зашиты от перенапряжении (например, варисторов, конденсаторов или резисторов). Данное решение также приме нимо для развязывающих изолированных соединительных муфт в металлическом кор пусе. Во всех случаях соединения с шунтирующими элементами должны быть как можно более короткими.
Рис. 10.11. Переход кабеля в злегазовую подстанцию с установкой трансформатора тока (показана только одна из фаз)
Как уже отмечалось, высококачествен ные экранированные кабели должны эксп луатироваться с экранами, заземленными соосно (по периметру) на обоих его концах. Следует внимательно относиться к выбору трассы прокладки таких кабелей. По всей трассе кабели должны прокладываться в надежно заземленных металлоконструк циях.
Помехозаграждение. Кроме общих методов выполнения экранов и прокладки кабелей, описанных ранее, иногда возни кает необходимость использования заграж дений для снижения уровня помех ниже некоторого приемлемого уровня, определя емого помехоустойчивостью или, что более вероятно, электрической прочностью обо рудования.
Обычно это происходит тогда, когда при емные цепи проходят через границу зон с различной электромагнитной обстановкой.
Заграждающие устройства могут выпол нять следующие функции: гальваническое разделение, ограничение перенапряжений и фильтрацию.
Гальваническое разделение. Приведем элементы, наиболее часто используемые для гальванического разделения цепей:
электромагнитные и статические реле, возможности которых обычно ограничены переключениями между состояниями включено/выключено при очень низких частотах (50/60 Гц) с уровнем изоляции не более 2 кВ;
оптроны, широко распространенные и используемые как в сочетании с элект ронными цепями, так и отдельно. Они поз воляют осуществлять передачу сигналов частотой до нескольких мегагерц в уст ройствах с уровнем изоляции до 5 кВ. Паразитные емкости между входом и выхо дом оптрона (порядка нескольких пикофарад) на высоких частотах могут значи тельно ограничить коэффициент снижения синфазной помехи, однако в настоящее время разработаны специальные конструк ции, в состав которых входит экран между входом и выходом устройства;
разделительные трансформаторы, часто используемые как симметричный барьер, который легко может быть добав лен к существующей цепи без специальной подготовки, и обычно не требующие подачи питания на свой выход. При помощи таких трансформаторов могут передаваться сигналы частотой от единиц герц до нескольких мегагерц, при этом уро вень изоляции достигает 20 кВ и выше. Паразитные емкости между обмотками трансформатора значительно больше, чем у оптрона (до нескольких сотен пикофарад), но также могут быть значительно снижены при помощи заземленных экранов. Боль шинство разделительных трансформато ров имеют обмотки с выводом средней точки и поэтому могут обеспечить выпол нение заземления цепей, наряду с такими возможностями как электропитание сим метричных цепей. Этот факт имеет боль шое значение в случаях, когда требуется снижение синфазных напряжений или про тивофазных напряжений промышленной частоты. Кроме того, если оборудование связи имеет значительное синфазное сопротивление, то паразитные емкости трансформатора могут вызывать появле ние перекрытий между его выводами и заземленными элементами, В этом случае возникает необходимость заземления сред ней точки обмотки на стороне оборудова ния непосредственно или через устройство защиты от перенапряжений;
волоконно-оптические системы, несомненно, являются наилучшим барье ром на пути помех всех типов. Однако если они не используются для передачи уплот ненной информации (например, в локальных вычислительных сетях), то относи тельно высокая (с учетом оконечного обо рудования) стоимость ограничивает их применение в сложных системах, требую щих широкополосных каналов передачи (например, для дифференциальных цифро вых защит или зашит удаленных объектов). Некоторые наиболее дешевые виды опто волокна (пластиковые) могут представлять большой интерес для применения в качес тве НЧ-каналов передачи данных на небольшие расстояния в случаях, когда тре буется очень высокий уровень прочности изоляции (например, телефонные цепи, выходящие за пределы ПС высокого напря жения, датчики на оборудовании высокого напряжения и т.п ).
Иногда возникает необходимость при менения оборудования, сочетающего в себе различные типы гальванической развязки, такие как разделительные трансформа торы и реле или оптроны, или даже оптово локно. Примером могут служить телефон ные цепи с вызовом по постоянному току.
Защита от перенапряжений. Понятие устройство зашиты от перенапряжений отличается от гальванической развязки тем, что в срабатывании защиты ток отводится в землю и электрические характеристики передаваемого сигнала искажаются на время появления помехи (это может быть ограничение уровня напряжения, изменение сопротивления источника или даже КЗ).
Более того, если отводимый в землю ток помехи достаточно велик, то могут возникнуть проблемы в каких-либо других Цепях вследствие связи через общее сопро тивление или из-за скачка потенциала заземлителя.
По указанным причинам защита от перенапряжении может быть применена только в тех цепях, сигналы которых допускают искажения во время возмуще ний. Применение подобных устройств в цепях сигналов защиты в нормальных условиях недопустимо.
Устройства защиты от перенапряжений обычно делятся на три типа (применяемые отдельно или в комбинации друг с другом): разрядники, металлооксидные варисторы (нелинейные сопротивления), лавинные диоды.
В приведенной ниже табл. 10.1 обобща ются основные характеристики этих трех типов составных элементов.
Газонаполненные разрядники (грубая защита) используются в схемах, требую щих защиты от очень мощных возмущении (вызванных ударами молнии или КЗ в силовых цепях). Их минимальное статиче ское напряжение пробоя обычно состав ляет 90-300 В, в то время как динамиче ское напряжение перекрытия при крутизне фронта 1 кВ/мкс обычно превышает 500 В.
Из-за значительного уровня импульс ных перенапряжений и больших сопро вождающих токов КЗ, устанавливать такие устройства внутри оборудования не реко мендуется. Наилучшие результаты дает применение в качестве первичного сред ства защиты всей установки в месте входа кабелей в здание (помещение).
Таблица 10.1. Основные характеристики устройств, используемых для защиты от перенапряжений
Характеристика
|
Газонаполненный разрядник
|
Варистор
|
Лавинный диод
|
Способность выдерживать большие токи
|
Высокая
|
Средняя
|
Низкая
|
Постоянная времени срабатывания, с
|
10-7
|
10-8
|
10-9
|
Защитный уровень
|
Высокий (зависит от формы импульса)
|
Любой (зависит от тока)
|
Любой
|
Отношение защитного уровня к напряжению срабатывания при медленном подъеме напряжения
|
>1
|
=1
|
=1
|
Емкость
|
Очень мала
|
Большая
|
Средняя
|
Ток утечки
|
Нет
|
Есть
|
Нет
|
Старение
|
Невелико
|
Есть
|
Нет
|
Преимущество варисторов по сравне нию с газовыми разрядниками состоит в том, что при их срабатывании цепь не закорачивается. Поэтому они широко используются, особенно в цепях электро питания. Однако большая емкость уст ройств ограничивает их применение в некоторых ВЧ-цепях.
Лавинные диоды не способны пропус кать значительные токи, однако их напря жение срабатывания может быть очень низ ким и не зависит от тока. Поэтому они используются главным образом в качестве подавителей помех (тонкая защита) непос редственно на входах оборудования или защищаемых цепей.
Совместное применение разрядника и подавителя помех. Необходимость защиты чувствительного оборудования от перена пряжений вызывает необходимость приме нения многоступенчатых схем защиты, в которых ступень грубой защиты (разряд ник) устанавливается на входе в здание для отвода тока (выравнивания потенциала), а ограничение перенапряжений осуществля ется ступенями тонкой защиты (подробнее см. гл. 11).
В такой схеме для достижения цели параметры ступеней и места их установки должны быть скоординированы.
При координации следует учитывать соотношение между напряжениями сраба тывания элементов, времена срабатывания и рассеиваемые энергии устройств, а также сопротивления проводов между ними и форму воздействующего импульса. Реше ние данной задачи достаточно сложно.
Фильтры. Основная идея использова ния фильтров состоит в том, чтобы полоса пропускания цепи не превышала частот ный диапазон, используемый при передаче сигнала. Большинство проблем ЭМС воз никают вследствие проникновения помех в оборудование через цепи и порты связи, чья полоса пропускания ничем не ограни чена, а также через цепи электропитания.
Наиболее известным типом фильтра является фильтр низких частот, устанавли ваемый в цепях питания большинства элек тронных устройств.
Данные фильтры обычно выполняют две функции: подавление противофазных и синфазных помех.
Первая функция легко выполнима (она напрямую характеризуется передаточными характеристиками фильтра), в то время как выполнение второй функции связано со сложностями, так как сильно зависит от способа установки фильтра и подключения его к оборудованию.
Единственным способом обеспечения правильного снижения синфазных помех — это установка фильтра непосредственно на входе кабеля в оборудование (или на раму, или на стойку, где установлено оборудование) и выполнение заземления при помощи непосредственного контакта между (метал лическим) корпусом фильтра и рамой, а не при помощи провода заземления.
Качество фильтра оценивают, прежде всего, по амплитудно-частотной характе ристике (АЧХ) или по частоте и крутизне среза, коэффициенту пропускания в полосе прозрачности. По виду АЧХ различают кроме фильтров низких частот (ФНЧ) поло совые (ПФ), режекторные (РФ) фильтры и высоких частот (ФВЧ) (рис. 10.12).
Частота среза определяется на неко тором уровне, например 0,9 максимального значения коэффициента пропускания. Кру тизну среза определяют в децибелах при двойном отклонении от частоты среза (0,5 для ФВЧ и 2 для ФНЧ), которое называют октавой. Например, ФНЧ, имею щий Гц и крутизну среза дБ. октава на частоте 500 Гц имеет коэффициент пропускания в 10 раз меньше, чем на частоте 2000 Гц.
Для полосовых фильтров задают верх нюю и нижнюю частоты среза, для режекторных — центральную частоту .
Рис. 10.12. Амплитудно-частотные характеристики фильтров:
а - фнч; б - пф; в - рф; г - фвч
Все фильтры по исполнению делятся на две большие группы: пассивные и актив ные. Пассивные собираются из пассивных элементов - резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. В активных филь трах наряду с упомянутыми элементами используются также полупроводниковые приборы, микросхемы с источниками пита ния. Активные фильтры, в свою очередь, делятся на аналоговые и цифровые. Досто инством активных фильтров по сравнению с пассивными является большая крутизна среза и больший коэффициент пропускания в полосе прозрачности, высокое входное и низкое выходное сопротивления. Во вто ричных цепях подстанционного оборудова ния для зашиты от помех в сети исполь зуют ФНЧ (табл. 10.2) и ПФ, в каналах телемеханики и связи чаще встречаются ПФ (заградительные фильтры на шинах и настроенные узкополосные фильтры при соединения к конденсаторам связи, вход ные фильтры в приемниках).
Принято составляющие элементы фильт ров (емкости и индуктивности), как и сами фильтры, называть помехоподавляющими или защитными. Применение в качестве фильтра только одной емкости или индук тивности имеет смысл лишь в некоторых случаях. Блокировка сети электропитания емкостью эффективна тогда, когда внутрен нее сопротивление источника помех и сети велико. Защита с помощью индуктивности Может иметь место в другом случае, когда внутреннее сопротивление источника помех а сети мало. Г-образный фильтр с емкостным входом применяется, когда внутреннее сопротивление источника помех велико, а сопротивление сети мало. Г-образный фильтр с индуктивным входом целесооб разно использовать в обратных ситуациях. Наибольшее распространение для фильтра ции цепей получили П-образные индук тивно-емкостные фильтры, поскольку они при прочих практически равных показате лях оказываются менее сложными по конс трукции и обеспечивают достаточно высо кое затухание помех.
Помехоподавляющие конденсаторы. Пол ное сопротивление конденсатора в широком диапазоне частот определяется не только его емкостью, но и индуктивностью его выводных проводников. Эквивалентная схема конденсатора может быть представ лена в виде последовательного LRC-кон тура. Таким образом, каждый конденсатор имеет определенную резонансную частоту, выше которой его полное сопротивление определяется уже не емкостью, а его собст венной индуктивностью. Для расширения диапазона частот, в котором полное сопро тивление конденсатора не превышало бы определенного значения, необходимо умень шить собственную индуктивность конден сатора. Кроме того, к конденсаторам, в зави симости от условий их работы, предъявля ются требования в отношении влагостой кости, теплостойкости, электрической и механической прочности и т.п.
Отечественной промышленностью выпус каются специальные помехоподавляющие конденсаторы типа КЗ. Эти конденсаторы имеют собственную индуктивность меньше 50∙10-9 Гн.
Таблица 10.2. Основные типы фильтров и оценки вносимого затухания
Эквивалентная схема фильтра
|
Наименование фильтра и коэффициент подавления помех
|
|
Емкостной фильтр
при
|
|
Индуктивный фильтр
при
|
|
Г-образный CL-фильтр
при
|
|
П-образный CL-фильтр
при
|
|
Т-образный LC-фильтр
при
|
Однако в ряде случаев ввиду недостаточно широкой номенклатуры кон денсаторов типа КЗ, а также из-за ограни чений по массе и габаритам приходится применять обычные конденсаторы. Из них для фильтрации помехонесущих сетей реко мендуется применять конденсаторы типов КСО и КБГ и др.
Если обычные конденсаторы применя ются в цепи переменного тока, то необхо димо учитывать, что их номинальное рабо чее напряжение указано только для посто янного тока. Применение конденсаторов типа КЗ и обычных конденсаторов ограни ченно частотами 10-20 МГц. При более высоких частотах их использование, как правило, малоэффективно. Схемы некото рых фильтров и формулы для определения коэффициента подавления помех приве дены в табл. 10.2.
Для подавления помех в области частот выше 10-20 МГц рекомендуется приме нять проходные конденсаторы. Эти кон денсаторы (например, типа КБП) имеют ряд особенностей, на которых следует остановиться подробнее.
Проходной конденсатор по конструкции существенно отличается от обычного. Токо несущий стержень проходит сквозь корпус конденсатора и изолируется от него при помощи фарфоровых или стеклянных изо ляторов. Один торец секции припаян к токо несущему стержню, а другой по всему пери метру — к корпусу, который является одним из выводов конденсатора. Для характерис тики проходного конденсатора вводится параметр, равный отношению выходного напряжения (при отсутствии нагрузки на выходе) к входному току и, следовательно, имеющий размерность сопротивления.
Помехоподавляющие свойства проход ного конденсатора очень существенно зависят от его размещения и способа креп ления. Проходной конденсатор размещают ток, чтобы входная и выходная цепи были эффективно экранированы, он должен устанавливаться на плоскости экрана, раз деляющего входную и выходную цепи (рис. 10.13).
Высокие помехоподавляющие свойства проходного конденсатора в области частот выше рабочей могут быть достигнуты только при правильном его креплении, т.е. при линейном или многоточечном контакте его корпуса с экраном по всему периметру корпуса. Для крепления к экрану на корпусе проходного конденсатора имеется фланец, резьба или скоба. Проходные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоян ного или переменного тока промышленной частоты. Конденсаторы с креплением на резьбе выпускаются на рабочий ток до 10 А и номинальные напряжения постоянного тока 126, 250 и 500 В, что соответствует 50, 127 и 220 В переменного тока, их номиналь ные емкости находятся в пределах 0,022-0,1 мкФ. Конденсаторы с креплением флан цем и скобой выпускаются на номинальные напряжения 125-1600 В постоянного тока, что соответствует 50-500 В переменного тока, на рабочий ток 20, 40 и 70 А и емко стью 0,022-2,0 мкФ. В зависимости от номинального напряжения и емкости кор пус конденсаторов типа КБП имеет диаметр 14-40 мм и длину 55-126 мм.
Помехоподавляющие катушки индуктивностей могут использоваться как в качестве самостоятельных устройств филь трации, так и в виде составных частей фильтра. Они устанавливаются непосред ственно на источнике помех или вблизи него и в фильтрах нижних частот включа ются последовательно в провод, по кото рому распространяются помехи. Качеством катушки в значительной степени определя ются достоинства фильтра.
Правильно Неправильно
Рис. 10.13. Примеры установки проходного конденсатора
Характерной особенностью работы кату шек индуктивностей защитных фильтров является то, что они должны обладать дос таточно большим сопротивлением в широ ком диапазоне частот. Однако для выполне ния этого требования на низких частотах необходимо делать катушки со значитель ной индуктивностью и большим числом витков, в результате чего возрастает собст венная емкость катушек, уменьшающая их сопротивление на высоких частотах. Приме нение секционированных обмоток в катуш ках снижает их собственную емкость, но уменьшает и индуктивность. Таким обра зом, следует искать компромиссное реше ние. Во избежание потерь надо стремиться к тому, чтобы активное сопротивление катушки было минимальным.
При конструировании катушек для фильтров следует стремиться к сокраще нию габаритов катушки, к обеспечению большей поверхности охлаждения для огра ничения нагрева, к уменьшению расхода цветных материалов. В некоторых случаях осуществляется экранирование катушек. Обычно собственная частота катушки под бирается равной средней частоте защищае мого диапазона. При этом удается добиться того, что полное сопротивление катушки не выходит за пределы допустимого значения. Чтобы частотная характеристика фильтра была по возможности равномерной в тре буемом диапазоне частот, не следует при менять больших индуктивностей. Как пра вило, индуктивность катушек не должна превышать 500 мкГн, при этом их конст рукцию разрабатывают таким образом, чтобы собственная емкость не превышала 100 пФ.
В качестве помехоподавляющих могут применяться любые катушки, имеющие необходимые частотные характеристики полного сопротивления. Катушка может быть как с ферромагнитным сердечником (дросселем), так и без него. В качестве материала для сердечника рекомендуется сталь ВЧ-2, магнитная проницаемость которой остается высокой и в области высоких частот. Для обеспечения требуе мой проницаемости на высоких частотах при небольших протекающих по дросселю токах рекомендуется в качестве сердечника использовать ферриты, которые позволяют существенно уменьшать число витков и габариты дросселя.
Эффективность фильтров зависит от их конструкций и от монтажа элементов. При конструировании фильтра и монтаже помехоподавляющих элементов необходимо учитывать следующие рекомендации:
фильтр необходимо экранировать (это требование не является обязательным для емкостных фильтров, выполненных на обычных конденсаторах). Обычно экраном для фильтра служит его корпус;
входные и выходные провода должны вводиться в корпус фильтра с противопо ложных сторон, а вне корпуса проходить как можно дальше друг от друга. Если у входных или выходных проводов имеется экранирующая оплетка, то она должна иметь надежный контакт с корпусом филь тра по всему периметру отверстия для ввода провода;
большое внимание нужно уделять экранированию входных и выходных цепей фильтра, включая входной и выходной кон денсаторы, особенно если эти конденса торы являются проходными и расположены на входе и выходе многозвенного высоко эффективного фильтра. В многозвенном фильтре экранирование друг от друга сред них звеньев цепи электропитания не обяза тельно;
избегать расположения элементов фильтра на съемных частях его корпуса;
размещать проходной конденсатор следует так, как это описано выше;
обычные и защитные конденсаторы типа КЗ рекомендуется монтировать так называемым проходным способом, т.е. при соединять помехонесущий провод непос редственно к выводу конденсатора. Если корпус конденсатора служит одним из его выводов, то крепление корпуса конденса тора на шасси или на корпусе фильтра должно обеспечить надежный контакт. Для этого корпус или шасси фильтра в месте крепления корпуса конденсатора должен иметь луженую или оцинкованную поверх ность. Если один из выводов конденсатора должен быть соединен с шасси или корпу сом фильтра, то это соединение должно быть выполнено возможно более коротким проводом (не длиннее 15 мм). Провод лучше всего припаивать к шасси. При невозможности соединения вывода конден сатора с корпусом фильтра столь коротким проводом это соединение рекомендуется осуществлять с помощью шик;
нельзя использовать выводы конден сатора для его механического крепления;
конденсаторы, которые при отключе нии аппаратуры от сети питания могут остаться заряженными, должны иметь раз рядные резисторы, через которые конденса торы должны разрядиться не позднее, чем через 10 с после выключения аппаратуры;
в случае применения неэкранированных дросселей необходимо правильно рас полагать их относительно конденсаторов и подключенных к ним проводов.
Для подавления помех в диапазонах УВЧ и СВЧ обычно применяют ненастраиваемые фильтры низких частот. По конструкции защитные фильтры СВЧ обычно коаксиаль ные, а по принципу действия поглощаю щие. Важное место в проектировании таких фильтров занимает выбор поглощающего материала и расстояний между его части цами в спрессованном виде, так как для этих целей в большинстве случаев исполь зуются порошковые магнитные сплавы, состоящие из металлических частиц, пок рытых оксидной или фосфатной пленкой. Частицы распределены в связующем вещес тве типа эпоксидной смолы. Изменяя рас стояние между частицами, можно изменять распределение вихревых токов, а следова тельно, и затухание фильтра. Выбор пара метров конденсаторов и дросселей, приме няемых как в качестве элементов фильтра, так и элементов помехоподавления, произ водится на основании расчета фильтра. Однако произвести точно этот расчет в подавляющем большинстве случаев затруд нительно, так как необходимые для расчета параметры эквивалентной схемы могут быть неизвестны. Поэтому окончательный выбор параметров дросселей и конденсато ре рекомендуется производить после экс периментальной проверки при нормальном функционировании измерительной аппара туры и системы экранирования.
Защита неэкранированных цепей, выхо дящих за пределы здания. Удар молнии в ПС и протекание тока молнии через заземлитель вызывает повышение потенциала заземлителя, приблизительно равного про изведению тока на сопротивление заземлителя.
Если сопротивление заземлителя сос тавляет (или превышает) 1 Ом, то потен циал легко может достичь нескольких десятков и даже сотен киловольт.
Повышение потенциала присутствует и за пределами контура заземления, где он снижается обратно пропорционально рас стоянию (на расстояниях больше удвоен ного значения характерного размера зазем лителя).
Повышение потенциала может пред ставлять опасность для кабелей, приходя щих на подстанцию и проложенных в земле.
|
Скачать 7.85 Mb.