Особенности практической реализации методов снижения помех и оценка вероятных уровней помех

3.1 Общие положения

Виды компоновок. Здесь будут рассмотрены наиболее общие возможные планы размещения оборудования и его взаимосвязь с источниками возмущений, а также отмечены факторы, способ­ствующие снижению помех, например, наличие сети заземления, экранирующих конструкций и т.п.

Будет показано, что уровень помех, воздействующий на уст­ройство, зависит от месторасположения остального оборудования, с которым связано рассматриваемое устройство. Такой подход позволит выделить различные классы электромагнитного окру­жения.

Подстанции высокого напряжения. На рисунке 3.1 приведен план подстанции высокого напряжения. Объекты подстанции можно разделить на 3-4 основные категории: оборудование высокого на­пряжения, помещения релейных щитов, щиты управления и иногда комнаты связи, причем все объекты связаны между собой цепями вторичной коммутации.

Рис.3.1 План типовой высоковольтной подстанции и соответствующие виды ЭМ окружения.

 

В некоторых ситуациях релейные щиты могут отсутствовать. В этих случаях их функции выполняют щиты управления.

Комната связи также может быть либо входить в состав щита управления, либо располагаться отдельно.

Все описанные объекты в нормальных условиях присоединены к единой сети заземления или к нескольким взаимосвязанным се­тям заземления (если уровни их потенциалов различны).

Электростанции. План расположения оборудования обычной электростанции приведен на рисунке 3.2.

На электростанции, в зависимости от места расположения, можно выделить три вида объектов:

Рис. 3.2 План типовой электростанции и соответствующие типы ЭМ окружения.

1. Основное здание, в котором располагаются помещения, предназначенные для:

· силовых энергоблоков;

· коммутационной аппаратуры;

· выполнения функций управления;

1. Распределительное устройство, которое само по себе может быть ПС высокого напряжения.
2. Вспомогательное оборудование:

 

· емкости с топливом;

· градирни;

· оборудование для измерения параметров атмосферы;

· дымовые трубы и т.д.

Обычно главное здание и распределительное устройство имеют общий заземлитель или два отдельных заземлителя, связанных между собой. Заземление вспомогательного оборудования может представлять собой либо простую защиту от ударов молнии, либо расширение основного заземлителя, либо вообще может отсут­ствовать.

В отношении плана расположения оборудования особенных различий между обычными и атомными электростанциями нет, за исключением большей сложности последних, повышенных требо­ваний к их безопасности и использования некоторых сигнальных цепей особо низкого уровня напряжений. Более того, в связи с расположением котлов в отдельном здании многие электрические и электронные сети на АЭС имеют большую длину.

Радиостанции. Радиостанции, обслуживающие объекты элект­роэнергетики, часто устанавливаются в пределах подстанций или электростанций. Такой способ установки имеет достоинство в виде наличия хорошей заземляющей сети, а радиостанция с точ­ки зрения ЭМС может быть сопоставима со зданием релейного щита, хотя и имеет большую вероятность поражения ударом молнии.

При установке вдали от ВВ подстанций радиостанции обычно располагаются на возвышенностях, при этом часто имеет место повышенное сопротивление грунта, изолированная (отдельная) заземляющая сеть среднего качества и все та же повышенная веро­ятность поражения прямым ударом молнии.

Для всех указанных случаев следует обращать особенное внимание на выполнение связей такого оборудования (элект­роснабжение, телекоммуникации) с внешними объектами.

Щиты управления. Подобно радиостанциям щиты управле­ния не обязательно располагаются вблизи ВВ оборудования и, как следствие, не всегда обладают хорошим заземляющим уст­ройством. В части молниезащиты это может быть недостат­ком, но при рассмотрении других источников возмущений мо­жет быть и достоинством (КЗ на высокой стороне, коммута­ции и т.д.).

Таким образом, существенные для каждого конкретного щита управления принципы его исполнения с точки зрения ЭМС, зави­сят от его электромагнитного окружения:

· при установке в пределах ПС, он может быть приравнен к

зданию управления;

· если в состав входит антенна связи, он может быть частично

приравнен к радиостанции;

· в случае установки щита в отдельном здании, расположенном
в городе, никаких специальных мер в части ЭМС принимать не требуется.

Типы сигналов и их уровни. Помехи оказывают влияние на обо­рудование непосредственно или, что бывает чаще, через кабели.

В последнем случае уровень помех и порог невосприимчивости зависят, в основном, от двух факторов:

· типа кабеля и способа подключения;

· типа передаваемого сигнала.

Первый фактор характеризуется коэффициентом экранирова­ния, определяемым по выражению , где I₀ –ток в экране, I-ток в проводнике внутри экрана.

Второй фактор грубо может быть охарактеризован амплитудой (в вольтах или амперах) и шириной спектра или скоростью нарас­тания сигналов, и на первый взгляд, при рассмотрении вопросов ЭМС не очень существенно, какие сигналы рассматриваются — цифровые или аналоговые.

Кроме того, можно было бы также классифицировать сигналы в зависимости от вида оборудования, между которым передаются эти сигналы, или в соответствии с типом ЭМО, в которой нахо­дится оборудование.

Хотя между тремя упомянутыми видами классификации (по типу сигналов, оборудования, окружения) существует некоторая взаимосвязь, здесь будет приведена классификация с учетом сле­дующих обстоятельств:

1. другие виды классификаций имеют слишком много исключений, например, широкополосные сигналы низкого уровня, проходящие в пространстве со сложной ЭМО и наоборот;

2. типы сигналов обладают большей изменяемостью, чем их окружение.

Принимая во внимание указанные выше замечания, приведем классификацию сигналов по четырем классам, расположенным в порядке убывания чувствительности оборудования к ЭМ возму­щениям (таблица 3.1).

 

Таблица 3.1 – Классификация типовых сигналов в порядке уменьшения чувствительности оборудования к внешним возмущениям

 

Тип сигнала	Определение	Обычный уровень	Типичный частотный диапазон
1а	Цифровой высокоскоростной сигнал низкого уровня	0,1-5 В	> 20 кГц
1b	Широкополосный аналоговый сигнал, например, от измерителей потока нейтронов	10 мкВ-1 В< 10 МГц
2а	Цифровой низкоскоростной сигнал низкого уровня, например, от импульсных генераторов для измерений скорости или положения	< 20 В	< 20 кГц
2b	Аналоговый низкочастотный сигнал низкого уровня, например, от датчиков измерения температуры или вибрации	< 1 В	< 1 кГц
За	Дискретные сигналы среднего уровня, например, сигналы управления или указания	> 10 В	< 100 Гц
Зb	Аналоговые сигналы среднего уровня, например, от датчиков технологического контроля	1 — 10 B 4-20 мА	< 100 Гц
4а	Дискретные сигналы высокого уровня, например, сигналы управления выключателям и разъединителям	>50 В	< 100 Гц
4b	Аналоговые сигналы высокого уровня от трансформаторов тока и напряжения	> 10 В, > 20 мА	< 1 кГц

 

Следует отметить, что хотя в данной классификации цифровые и аналоговые сигналы отнесены к одному типу (различаясь индек­сами а и b соответственно), подобное объединение имеет некото­рые ограничения вследствие того, что цифровые и аналоговые си­стемы на практике ведут себя совершенно по-разному.

3.2 Основные концепции выполнения заземления и прокладки кабелей

 

Во всех последующих разделах, посвященных выполнению за­земления и прокладки кабелей, будут использованы основные принципы, изложенные в главах 2, 4 и 9. По этой причине приве­дем основные положения:

1 цепи заземления должны иметь, по возможности, больше взаимных связей. За исключением некоторых ситуаций следует без колебаний увеличивать число связей оборудования с заземляющим устройством, а не увеличивать их сечение;

2 следует уменьшать площадь петли электрических (и электронных) цепей. По возможности для цепей, присоединенных к одному оборудованию, следует использовать один путь прокладки кабелей. Всегда в качестве прямого и обратных проводов следует использовать жилы одного и того же кабеля. Следует избегать со­единения более чем одной точки сигнальной цепи с землей (за исключением некоторых ВЧ связей коаксиальными кабелями или в случае небольших цепей, построенных на качественно выпол­ненной эквипотенциальной плоскости нулевого потенциала);

3 следует располагать все части (заземленных) сигнальных цепей по возможности ближе к заземляющим проводникам с це­лью улучшения коэффициента ослабления и уменьшения переда­точных сопротивлений;

4 не следует располагать в непосредственной близости цепи (заземления или сигнальные цепи), по которым передаются (или могут передаваться) токи или напряжения, сильно различающиеся по амплитуде.

Некоторые изложенные требования, могут иногда оказаться противоречащими друг другу, особенно когда речь идет о сети за­земления, по которой возможно протекание больших токов, на­пример, токов молнии.

С одной стороны, электрические цепи должны располагаться на определенном расстоянии от подобных заземляющих провод­ников. С другой стороны, кабели следует располагать максималь­но близко к заземляющим проводникам.

Причиной обоих этих требований является принцип уменьше­ния общего для двух цепей магнитного потока (рисунок 1.3).

Противоречивыми также являются требования располагать сигнальные цепи по возможности ближе к заземленным провод­никам и требование удалять сигнальные цепи от цепей, по кото­рым передаются или могут передаваться токи или напряжения большой амплитуды (уменьшение связи через общее сопротивле­ние).

Компромисс между требованиями можно достигнуть по­средством прокладки множества заземляющих проводников с це­лью уменьшения тока, протекающего по каждому отдельному проводнику, и обеспечения пути с низким сопротивлением для протекания наибольших токов.

Помехозаграждение.

Защита от перенапряжений.

В таблице 3.2 обобщаются характеристики устройств защиты от перенапряжений.

Газонаполненные разрядники (грубая защита) используются в схемах, требующих защиты от очень мощных возмущений (вызванных ударами молнии или КЗ в силовых цепях). Их минимальное статическое напряжение пробоя обычно со­ставляет 90—300 В, в то время как динамическое напряжение пере­крытия при крутизне фронта 1 кВ/мкс обычно превышает 500 В.

Из-за значительного уровня импульсных перенапряжений и больших сопровождающих токов короткого замыкания, установ­ка таких устройств внутри оборудования не рекомендуется. Наи­лучшие результаты дает применение в качестве первичного сред­ства защиты всей установки в месте входа кабелей в здание (по­мещение).

 

Таблица 3.2 – 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
Защитный уровень	Высокий (зависит от формы импульса)	Любой (зависит от тока)	Любой
Динамический ЗУ/Статический ЗУ отношение напряжений при импульсном воздействии к постоянному напряжению	>1	=1	=1
Емкость	Очень мала	Большая	Средняя
Ток утечки	Нет	Есть	Нет
Старение	Невелико	Есть	Нет

 

Преимущество варисторов по отношению к газовым разрядни­кам состоит в том, что при их срабатывании цепь не закорачивается, а поведение при динамических процессах заметно лучше. По указанным причинам они широко используются, особенно в си­ловых цепях.

Однако большая емкость устройств ограничивает их примене­ние в некоторых ВЧ цепях.

Лавинные диоды не способны отводить в землю значительные токи, однако, их напряжение срабатывания может быть очень низким и не зависящим от тока. Поэтому они используются глав­ным образом в качестве подавителей помех (тонкая защита) не­посредственно около оборудования или защищаемых цепей (смотри ниже).

Совместное применение разрядника и подавителя помех. Необхо­димость защиты чувствительного оборудования от перенапряже­ний вызывает необходимость применения многоступенчатых схем защиты, в которых ступень грубой защиты (разрядник), устанав­ливаются на входе в здание для отвода тока (выравнивания потен­циала), а ограничение перенапряжений осуществляется ступеня­ми тонкой защиты.

В такой схеме для достижения цели параметры ступеней и мес­та их установки должны быть скоординированы.

При координации следует учитывать соотношение между на­пряжениями срабатывания элементов, времена срабатывания и рассеиваемые энергии устройств, а также сопротивления прово­дов между ними и форму воздействующего импульса.

Решение данной задачи достаточно сложно.

Фильтры.

Типы фильтров. Основная идея использования фильтров состоит в том, чтобы полоса пропускания цепи не превышала частотный диапазон, используемый передаваемым сигналом. Большинство проблем ЭМС возникают вследствие проникновения помех в оборудование через цепи и порты связи, чья полоса пропускания ничем не ограничена, а также через цепи электропитания.

Наиболее известным типом фильтра является фильтр низких частот, устанавливаемый в цепях питания большинства электрон­ных устройств.

Данные фильтры обычно выполняют две функции: подавление противофазных помех и подавление 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 его установки и подключения к обору­дованию.

Единственным способом обеспечения правильного снижения синфазных помех — это установка фильтра непосредственно на входе кабеля в оборудование (или на раму или стойку, где уста­новлено оборудование) и выполнение заземления при помощи непосредственного контакта между (металлическим) корпусом фильтра и рамой, а не (по крайней мере, не только) при помощи проводника заземления.

Качество фильтра оценивают, прежде всего, по амплитудно-час­тотной характеристике (АЧХ) или ее основным элементам: частоте и крутизне среза, коэффициенту пропускания в полосе прозрачно­сти. По виду АЧХ различают полосовые (ПФ), режекторные (РФ), фильтры низких (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот (рисунок 3.12).

 

Рисунок 3.12 – Амплитудно-частотные характеристики фильтров

 

Частота среза fср определяется на некотором уровне, например, 0,9 от максимального значения коэффициента пропускания. Кру­тизну среза определяют в децибелах при двойном отклонении от частоты среза (0,5fср для ФВЧ и 2fср для ФНЧ), которое называю октавой. Например, ФНЧ, имеющий fср = 1000 Гц и крутизну среза альфа ср. = 20 дБ/октава на частоте 500 Гц имеет коэффициент пропускания, в 10 раз меньше, чес на частоте 2000 Гц.

Для полосовых фильтров задают верхнюю и нижнюю частоты среза, для режекторных – центральную частоту f0.

Все фильтры по исполнению делятся на две большие группы: пассивные и активные. Пассивные собираются из пассивных эле­ментов — резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. В активных фильтрах наряду с упомянутыми элементами использу­ются также полупроводниковые приборы, микросхемы с источни­ками их питания. Активные фильтры, в свою очередь, делятся на аналоговые и цифровые. Достоинством активных фильтров по сравнению с пассивными является большая крутизна среза и боль­ший коэффициент пропускания в полосе прозрачности, высокое входное и низкое выходное сопротивления. Во вторичных цепях подстанционного оборудования для защиты от помех в сети ис­пользуют ФНЧ (смотри таблицу 3.3) и ПФ, в каналах телемеханики и связи чаще встречаются ПФ (заградительные фильтры на шинах и настроенные узкополосные фильтры присоединения к конденса­торам связи, входные фильтры в приемниках).

Принято составляющие элементы фильтров (емкости и индук­тивности), как и сами фильтры, называть помехоподавляющими или защитными. Применение в качестве фильтра только одной ем­кости или индуктивности имеет смысл лишь в некоторых случаях. Блокировка сети электропитания емкостью эффективна тогда, ког­да внутреннее сопротивление источника помех и сети велико. Защита с помощью индуктивности может иметь место в другом слу­чае, когда внутреннее сопротивление источника помех и 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 целесообраз­но использовать в обратных ситуациях. Наибольшее распростране­ние для фильтрации цепей получили П-образные индуктивно-ем­костные фильтры, поскольку они при прочих практически равных показателях оказываются менее сложными по конструкции и обес­печивают достаточно высокое затухание помех.

Помехоподавляющие конденсаторы. Полное сопротивление кон­денсатора в широком диапазоне частот определяется не только его емкостью, но и индуктивностью его выводных проводников. Экви­валентная схема конденсатора может быть представлена в виде пос­ледовательного контура L-R-C-контура. Таким образом, каждый конденсатор имеет определенную резонансную частоту, выше ко­торой его полное сопротивление определяется уже не емкостью, а его собственной индуктивностью. Для расширения диапазона частот, в котором полное сопротивление конденсатора не превышало бы определенной величины, необходимо уменьшить собственную индуктивность конденсатора. Кроме того, к конденсаторам, в зависимости от условий их работы, предъявляются требования в отношении влагостойкости, теплостойкости, электрической и механической прочности и т.д. Отечественной промышленностью выпускаются специальные помехоподавляющие конденсаторы типа КЗ. Эти конденсаторы имеют собственную индуктивность меньше 50*10-9 Гн. Однако в ряде случаев ввиду недостаточно широкой номенклатуры конденсаторов типа КЗ, а также из-за ограничений по весу и габаритам приходится применять обычные конденсаторы. Из них для фильтрации помехонесущих сетей рекомендуется применять конденсаторы типов КСО и КБГ и др. Если обычные конденсаторы применяются в цепи переменного тока, то необходимо учитывать, что их номинальное рабочее напряжение указано только для постоянного тока. Применение конденсаторов типа КЗ и обыч­ных конденсаторов ограничено частотами 10...20 МГц. При более высоких частотах их использование, как правило, малоэффектив­но. Для подавления помех в области частот выше 10...20 МГц реко­мендуется применять проходные конденсаторы. Эти конденсаторы (типа, например, КБП) имеют ряд особенностей, на которых следу­ет остановиться подробнее.

Проходной конденсатор по конструкции существенно отличает­ся от обычного. Токонесущий стержень проходит сквозь корпус конденсатора и изолируется от него при помощи фарфоровых или стеклянных изоляторов. Один торец секции припаян к токонесущему стержню, а другой по всему периметру к корпусу, который является одним из выводов конденсатора. Для характеристики про­ходного конденсатора вводится параметр, равный отношению вы­ходного напряжения (при отсутствии нагрузки на выходе) к входно­му току и, следовательно, имеющий размерность сопротивления.

 

Таблица 3.3 – Основные типы фильтров и оценки вносимого затухания

Помехоподавляющие свойства проходного конденсатора очень существенно зависят от его размещения и способа крепления. Проходной конденсатор размещают так, чтобы входная и выход­ная цепи были эффективно экранированы, он должен устанавли­ваться на плоскости экрана, разделяющего входную и выходную цепи (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 – Примеры установки проходного конденсатора

Высокие помехоподавляющие свойства проходного конденса­тора в области частот выше рабочей могут быть достигнуты только при правильном его креплении, то есть 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 постоянного 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, номинальные их емкости 0,022...0,1 мкФ. Конденсаторы с креплением фланцем 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 емкостью 0,022...2,0 мкФ. В зависимости от номинального напряжения и емкости корпуса конденсаторов КБП имеет диаметр 14..40 мм и длину 55...126 мм.

Помехоподавляющие катушки индуктивностей Они могут использо­ваться как в качестве самостоятельных устройств фильтрации, так и в виде составных частей фильтра. Они устанавливаются непос­редственно на источнике помех или вблизи него и в фильтрах нижних частот включаются последовательно в провод, по которо­му распространяются помехи. Качеством катушки в значительной степени определяются достоинства фильтра. Характерной особенностью работы катушек индуктивностей защитных фильтров является то, что они должны обладать достаточно большим сопротивлением в широком диапазоне частот. Однако для выполнения этого требования на низких частотах необходимо делать катушки со значительной индуктивностью и большим числом витков, в ре­зультате чего возрастает собственная емкость катушек, уменьшаю­щая их сопротивление на высоких частотах. Применение секцио­нированных обмоток в катушках снижает их собственную ем­кость, но уменьшает и индуктивность. Таким образом, следует искать компромиссное решение. Во избежание потерь надо стре­миться к тому, чтобы активное сопротивление катушки было ми­нимальным. При конструировании катушек для фильтров следует стремиться к сокращению габаритов катушки, к обеспечению большей поверхности охлаждения для ограничения нагрева, к уменьшению расхода цветных материалов. В некоторых случаях осуществляется экранирование катушек. Обычно собственная частота катушки подбирается равной средней частоте защищаемого 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 требуемом диапазоне частот, не следует применять больших индуктивностей. Как правило, индуктивность катушек не должна превышать 500 мкГн, при этом их конструкцию оформ­ляют 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 (дроссель), так и без него. В качестве материала для сердечника рекомендуется сталь ВЧ-2, магнитная проницае­мость которой сохраняет значительную величину и в области вы­соких частот. Для обеспечения высокой проницаемости на высо­ких частотах при небольших протекающих по дросселю токах ре­комендуется в качестве сердечника использовать ферриты, которые позволяют значительно уменьшать число витков и габа­риты дросселя.

Эффективность фильтров существенно 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 противоположных 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 фильтра по всему периметру отверстия для ввода провода;

· большое внимание нужно уделять экранированию входных и выходных цепей фильтра, включая входной и выходной конденса­торы, особенно если эти конденсаторы являются проходными и расположены на входе и выходе многозвенного высокоэффективного фильтра.

Экранирование друг от друга средних звеньев в многозвенном фильтре цепи электропитания не обязательно;

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, то есть присоединять помехонесущий провод непосредственно к выводу конденсатора. Если корпус конденсатора служит одним из его выводов, то крепление корпуса конденсатора на шасси или на корпусе фильтра должно обеспечить надежный контакт. Для этого корпус или шасси фильтра в месте крепления корпуса конденсатора должны иметь луженую или оцинкованную поверхность. Если один из выводов конденсатора должен быть соединен с шасси или корпусом фильтра, то это соединение должно быть выполнено возможно более коротким проводом (не длиннее 10... 15 мм). Провод лучше всего припаивать к шасси. При невозможности соединения вывода конденсатора с корпусом фильтра столь коротким проводом это соединение рекомендуется осуществлять с помощью шин;

нельзя использовать выводы конденсатора для его механического крепления;

конденсаторы, которые при отключении аппаратуры от сети питания могут остаться заряженными, должны иметь разрядные резисторы, через которые конденсаторы должны разрядиться непозднее, чем через 10 с после выключения аппаратуры;

в случае применения неэкранированных дросселей необходимо правильно располагать их относительно конденсаторов и подключенных к ним проводов.

Для подавления помех в диапазонах УВЧ и СВЧ обычно применяют не настраиваемые ФНЧ. По конструкции защитные фильтры СВЧ обычно коаксиальные, а по принципу действия - поглощающие. Важное место в проектировании таких фильтров занимает выбор поглощающего материала и расстояний между его частицами в спрессованном виде, так как для этих целей в большинстве случаев используются порошковые магнитные сплавы, состоящие из металлических частиц, покрытых оксидной или фосфатной плёнкой. Частицы распределены в связующем веществе типа эпоксидной смолы. Изменяя расстояние между частицами, можно изменять распределение вихревых токов, а следовательно, и затухание фильтра.

3.3.2. ЭМС в системах комплексного управления энергообъектами.

Для этого случая характерны следующие помехи: медленные колебания напряжения в том числе и провалы; гармоники и интергармоники; кондуктивные помехи в диапазоне от 0 до 150 кГц.

Оптопары

Интерфейсы ввода/вывода могут включать в себя оптопары, которые обеспечивают хорошую гальваническую развязку между электронными и внешними цепями. Применение оптопар особенно эффективно в цифровых цепях Применение в аналоговых устройствах не столь эффективно вследствие недостаточной линейности устройства. Разность в уровнях разделяемых напряжений может составлять до 5 кВ.

3.3 Фильтры

 

Защита от кондуктивных помех основана на использовании фильтров или других устройств заграждения. При помощи фильт­ров можно осуществлять ослабление помех общего вида и диффе­ренциального типа, как в сигнальных, так и в силовых цепях.

Основной характеристикой фильтра является коэффициент вносимых потерь, представляющий собой отношение напряжений на выходе цепи с входным сопротивлением 50 Ом (в функции частоты) до и после внедрения фильтра в цепь.

Действительный коэффициент затухания может отличаться от коэффициента вносимых потерь так как, главным образом для силовых цепей, входные сопротивления источника помех и нагрузки могут значительно отличаться от 50 Ом. Так как вид АЧХ фильтров зависит от входных сопротивлений, коэффициент вносимых потерь полезно использовать для сравнения эффективности разных фильтров.

Для выбора типа фильтра имеют особую важность следующие параметры:

· должно быть достигнуто максимальное рассогласование между входными сопротивлениями фильтра и цепи — источника помех;

· также должны быть правильно оценены уровни сопротивления изоляции и номинальные значения токов и напряжений.

Рисунок 3.14 – Различные типы фильтров, на основе различных входных

сопротивлений: а) емкость; б) r-образные фильтры; в) П – образный фильтр; г) Т – образный фильтр

 

На рисунке 3.14 показаны различные типы фильтров низких частот, соответствующие различным типам защищаемых устройств. Для достижения максимального рассогласования возможно применение следующих конфигураций:

емкостной вход (выход) должен присоединяться к источнику (нагрузке) с высоким сопротивлением (> нескольких Ом);

индуктивный вход (выход) должен присоединяться к источнику (нагрузке) с низким сопротивлением.

Рисунок 3.15 – Схема фильтра для силовой сети

Схема фильтра для силовой цепи в общих чертах представлена на рисунке 3.15.

Так как целью фильтра является создание высокого сопротивления (для обеспечения значительного затухания помех), то лю­бые паразитные емкости (или взаимные индуктивности) между входными и выходными цепями фильтра могут снижать это со­противление, создавая обходные пути для помех и снижая эффек­тивность фильтра (смотри рисунок 3.16,а).

Отсюда следует, что выходные цепи следует располагать вдали от входных цепей фильтра. Если ток помехи отводится в экран, как в случае Т - образного фильтра на рисунке 3.16, б, то качество его выполнения становится очень важным.

На рисунке 3.16,в показано, что наличие любого сопротивления Zg снизит эффективность работы фильтра.

Рисунок 3.16 – Некоторые наиболее общие нарушения в работе фильтров

Указанные нарушения легко могут проявиться и в других уст­ройствах, относящихся к интерфейсам ввода/вы кода (раздели­тельных трансформаторах, оптопарах и т.п.), поэтому очень важно правильно позиционировать их. Например, если интерфейсы вво­да/вывода должны присоединяться к земле, то полные сопротив­ления этих связей должны быть минимизированы для гарантии эффективности действия устройств.

 

3.4 Устройства защиты от перенапряжений

 

Работа защитных устройств основана на сохранении высокого сопротивления по отношению к земле до появления кратковре­менных перенапряжений, когда их сопротивление изменяется практически до нулевого и отводит подходящую энергию.

Ниже приведены три основных типа защитных устройств (за подробностями следует обращаться к п/п 7.3.5):

· заградительные диоды для переходных процессов (обладают высокой скоростью перехода из одного состояния в другое, при­годны для защиты цепей напряжением до 400 В). Для высоких на­пряжений используются лавинные диоды (стабилитроны). Имеют удовлетворительные характеристики, кроме малых импульсов тока. Кроме того, их емкости довольно велики (500—2000 пФ);

· варисторы (обладают меньшей скоростью переключений по сравнению с лавинными диодами, пригодны для защиты цепей напряжением до 2 кВ) Варисторы являются нелинейными резис­тивными элементами, изготовленными из спеченных друг с дру­гом блоков оксида цинка (в смеси с оксидами некоторых других металлов). Постоянное воздействие максимально допустимых па­раметров ухудшает характеристики, сокращает срок службы. Ва­ристоры, подобно диодам, обладают большими емкостями (100 – 4000 пФ в зависимости от параметров).

· Газовые разрядники или искровые промежутки (обладают очень низкой скоростью срабатывания, наибольшим номиналь­ным напряжением до 0 кВ) Данные устройства представляют со­бой небольшие запечатанные искровые промежутки, заполненные внутри инертным газом (аргоном, неоном). При появлении им­пульса напряжения на разряднике (большего, чем напряжение срабатывания) происходит пробой газа. К сожалению, для начала этого процесса может потребоваться некоторое время. Следствием этого является срез импульсов с большой крутизной фронта при более высоких значениях напряжений, чем импульсов с более по­логими фронтами. Обладают малыми емкостями (1—3 пФ).

Для создания качественной системы защиты иногда полезно объединять различные элементы, так как различные защитные ус­тройства обладают различными характеристиками в различных диапазонах. Например, на нижеследующем рисунке показано воздействие волны напряжения амплитудой 10 кВ на линию номинальным напряжением 24 В, защита которой осуществляется последовательно искровым промежутком, варистором и, наконец, диодом. Видно постепенное затухание волны по мере прохождения нескольких устройств защиты от перенапряжений.

Рисунок 3.17 – Типовая конструкция в виде пчелиных сот

3.5 Ограничение уровней гармоник напряжений и токов

 

Опыт эксплуатации конденсато­ров в течение гарантированного времени надежной работы (ресур­са) подтвердил их высокие эксплуатационные качества.

В электрических системах фильтры применяются прежде все­го для того, чтобы уменьшить амплитуду токов или напряжений одной или нескольких фиксированных частот (параллельные фильтры).

Когда же необходимо избежать проникновения токов опреде­ленной частоты в отдельные узлы преобразовательной подстанции или части энергетической системы (как, например, в случае пуль­сации управляющих сигналов), можно использовать последова­тельный фильтр, состоящий из параллельно включенных конден­сатора и катушки индуктивности, создающих большое сопротив­ление протеканию тока на выбранной частоте. Однако такое решение не может быть применено для ограничения уровня на­пряжений гармоник самого источника, поскольку генерация гар­моник нелинейными элементами подстанции (например, трансформаторами и статическими преобразователями) является неотъемлемой чертой их нормальной работы.

Что касается самих статических преобразователей, то обычно в них приняты меры к ограничению проникновения гармоник тока в систему с помощью создания короткозамкнутого пути с малым сопротивлением для гармонических частот. В принципе возможно создание комбинированных последовательных и параллельных фильтров для минимизации тока и напряжения гармоник, однако для этого необходимы большие затраты.

Фильтры. Параллельный фильтр настроен на определенную ча­стоту, если на этой частоте его индуктивное и емкостное сопроти­вления равны.

Добротность фильтра Q определяет точность его настройки. Фильтр с высокой добротностью (от 30 до 60) настраивается стро­го на одну из гармонических частот (например, пятую). Фильтр же с низкой добротностью имеет малое сопротивление в широком диапазоне частот, особенно в случае, если его уровень добротнос­ти не превышает 5.

Если такой фильтр используется для подавления гармоник высоких порядков (например, свыше 17-й), то его можно рассматривать и как фильтр верхних частот. На рисунках 3.18 и 3.19 представлены основные схемы фильтров и соответствующие зависимости сопротивления от частоты.

Для настроенного фильтра Q определяется как отношение индуктивного (или емкостного) сопротивления при резонансе к активному сопротивлению:

(3.1)

Рисунок 3.18 – Схема параллельного фильтра, настроенного на одну частоту (а) и зависимость его полного сопротивления Z от частоты (б)

Рисунок 3.19 – Схема параллельного фильтра второго порядка подавления частот (а) и зависимость его полного сопротивления R от частоты (б)

Как показано на рисунке 3.18, б полоса пропускания частот фильтра Р ограничена частотой, на которой реактивное сопротивление фильтра равно его активному сопротивлению (т.е. угол полного сопротивления равен 450, и частотой, на которой модуль полного сопротивления равен 4l R. Добротность фильтра связана с шириной его полосы пропускания следующим соотношением:

, (3.2)

где - настроенная угловая частота, рад/с.

Точность настройки фильтра подавления высоких частот обратна добротности настроенных фильтров.

Степень несоответствия настройки фильтра номинальной на­строенной частоте характеризуется коэффициентом d, учитываю­щим изменения основной (питающей) частоты, изменения емкос­ти и индуктивности фильтра, вызываемые старением деталей фильтра и колебаниями температуры, а также собственную расстройку фильтра, связанную с промышленными допусками при его изготовлении и конечностью шагов настройки.

Общая расстройка фильтра на единицу номинальной настроен­ной частоты

(3.3)

Кроме того, изменение L или С, скажем, на 2% вызывает такую же расстройку фильтра, как и изменение частоты системы на 1%. Следовательно, (3.3) можно представить и в виде

(3.4)

Мощность фильтра определяется по реактивной мощности, генерируемой фильтром на основной частоте. Эта мощность по­чти в точности равна реактивной мощности основной частоты, ге­нерируемой конденсаторами. Суммарная же мощность ветвей фильтра определяется требованиями по реактивной мощности, предъявляемыми к источнику гармоник, и тем, в какой степени эти требования могут быть удовлетворены за счет сети переменно­го тока.

Идеальным критерием разработки фильтра является подавле­ние всех искажений формы напряжения, в том числе и телефон­ных помех, являющихся самыми сложными для подавления. Од­нако идеальный критерий нереален как с технической, так и с экономической стороны. С технической точки зрения очень труд­но предварительно оценить проникновение гармоник в сеть пере­менного тока. С экономической стороны уменьшение телефон­ных помех может быть получено с меньшими затратами, если принять некоторые предварительные меры в телефонных систе­мах и в энергетической системе в целом.

Более реальный критерий предполагает уменьшение искаже­ний до допустимого уровня в точке общего соединения несколь­ких потребителей и использует или гармонический ток, или гар­моническое напряжение, или то и другое. Критерий, основанный на гармониках напряжения, более удобен для разработки фильт­ров, так как сопротивление сети переменного тока постоянно меняется и проще гарантировать работу фильтра в определенном ди­апазоне напряжений, чем значение рабочего тока.

Для того чтобы учесть требуемые гармонические ограничения, при разработке фильтров необходимо следовать следующей схеме:

· в цепь, состоящую из фильтров, параллельно соединенных
с электрической системой переменного тока (рисунок 3.20) вводится
спектр гармоник тока, генерируемого нелинейной нагрузкой на
соответствующих частотах, и рассчитываются гармоники напряжения;

· результаты, полученные после выполнения предыдущего пункта, используются для определения других характеристик, таких, как искажение напряжения, коэффициенты влияния на линии связи и другие;

· рассчитываются напряжения на элементах фильтра (конденсаторах, катушках индуктивности, резисторах) и их параметры и потери энергии в них.

Особое внимание при разработке фильтров требуется уделить трем элементам: источнику тока, проводимостям фильтра и систе­мы.

В зависимости от нагрузки, а для случая статического преобразователя и от углов зажигания, будет меняться характерис­тика источника тока. После того как будут изучены проводимости фильтра и системы, потребуется рассчитать для каждой частоты минимальное значение общей эквивалентной проводимости, даю­щей максимальное искажение напряжения.

Определив схему соединения конкретного фильтра, можно по­строить геометрическое место точек, соответствующее сопротивлению (проводимости) фильтра. Гораздо труднее построить кривую, соответствующую сопротивлению источника тока даже с малой точностью.

Рисунок 3.20 – Схема определения коэффициента искажения напряжения

Разработанный фильтр представляет собой однополюсную схе­му, способную гасить весь спектр пропускаемых гармоник (на­пример, для случая шестипульсного преобразователя гармоники, начиная с пятой). Однако требуемая для осуществления этой цели емкость фильтра очень велика, и гораздо экономичнее подавлять гармоники малых порядков с помощью одноплечевого настроенного фильтра.

Настроенные фильтры. Фильтр одной частоты представляет собой последовательную Ж – С – цепочку (рисунок 3.18,а), настроенную на частоту одной гармоники (обычно характеристической гармоники малого порядка). Полное сопротивление такого фильтра

(3.5)

 

на резонансной частоте fn уменьшается до чисто активного сопротивления R. Прежде чем перейти к выбору значений R, L и С, необходимо рассмотреть два основных параметра, характеризующих фильтр — его добротность Q и относительное отклонение частоты d, определения которых были даны ранее.

Для того чтобы выразить полное сопротивление фильтра через Q и d, установим следующие соотношения:

; (3.6)

, (3.7)

где - угловая частота надстройки;

, (3.8)

 

где - реактивное сопротивление конденсатора или катушки индуктивности на резонансной частоте;

; (3.9)

; (3.10)

. (3.11)

 

Подставляя (3.6), (3.10), (3.11) в (3.7), получаем

, (3.12)

или, учитывая, что мало по сравнению с единицей

Подставляя (3.6), (3.10), (3.11) в (3.5), получаем

, (3.13)

или, учитывая, что мало по сравнению с единицей,

, (3.14)

и

(3.15)

При разработке фильтров более удобно иметь дело не с полны­ми сопротивлениями, а с полными проводимостями:

(3.16)

где

(3.17)

(3.18)

Гармоника напряжения на зажимах фильтра

(3.19)

следовательно, для того чтобы уменьшить искажение напряжения, необходимо увеличить суммарную проводимость цепи. В системе переменного тока для этого может служить параллельно присое­диненный фильтр.

Для оценки максимального значения необходимо установить предельные значения величин, истинное значение которых точно не известны: отклонение 5 частоты и полная проводимость сети . Так как с ростом 5 напряжение гармоники увеличивается, то для анализа работы фильтра должно использоваться наибольшее ожидаемое значение отклонения частоты 5m. К тому же необходимо учесть наихудшие характеристики системы — наименьшую полную проводимость.

На основании этих предельных значений разработчик может определить Q и мощность фильтра на основной частоте.

Используя и , уравнение (3.19) можно переписать в виде

(3.20)

 

Анализируя годографы полных сопротивлений, можно пока­зать, что гармонические полные сопротивления в системе коорди­нат R, jX располагаются в области, ограниченной двумя прямыми линиями и окружностью, проходящей через начало координат. Максимальный фазовый угол полного сопротивления сети может быть ограничен 90° и обычно уменьшается с увеличением частоты (кроме случая кабельных сетей при высоких частотах). Наиболь­шее напряжение гармоники можно получить, используя со знаком, обратным знаку 5.

Уравнение (3.19) приобретает вид для взятого с положительным знаком, а δ - с отрицательным:

(3.21)

Поскольку значение не ограничено, то полная проводи­мость, дающая максимальное напряжение ,

, (3.22)

а ей соответствует

. (3.23)

Оптимальное значение

, (3.24)

определяет наименьшее значение напряжения гармоники

. (3.25)

Однако фильтры не всегда проектируются для обеспечения ми­нимума напряжения соответствующей частоты. Обычно макси­мальное значение Q выбирается с учетом использования фильтра для снижения потерь энергии.

При расчете фильтра необходимо учитывать и возможность выхода из строя одной или нескольких фильтровых ветвей. При этом оставшиеся ветви фильтра могут оказаться перегруженными, так как вынуждены будут пропускать все токи гармоник, генерируе­мые преобразователем.

Фильтры двойной настройки. Эквивалентные сопротивления двух одночастотных фильтров (рисунок 3.21, а) в районе их резонансных частот практически равны сопротивлениям схемы фильтров, настроенной на две частоты (рисунок 3.21, б), при условии, что

; (3.26)

(3.27)

; (3.28)

(3.29)

, (3.30)

где и .

Рисунок 3.21 – Одночастотный фильтр (а), фильтр двойной настройки (б) и расчетная зависимость сопротивления от частоты фильтра пятой и седьмой гармоник на подстанции Эчинген (в)

 

Равенство сопротивлений достигается с помощью добавочного сопротивления , которое определяется минимальным активным сопротивлением катушки . Эта схема имеет преимущество по сравнению с одночастотными фильтровыми схемами, так как по­зволяет существенно снизить потери энергии на основной часто­те. Основным же достоинством фильтра, настроенного на две частоты, является большее рабочее напряжение. Это связано с тем, что можно уменьшить число катушек индуктивностей, находящихся под полным линейным напряжением.

В качестве примера на рисунке 3.20, в) приведены эквивалентные сопротивления фильтров с двойной настройкой, используемых на подстанции Эчинген передачи энергии через Ла-Манш.

В принципе возможно создание фильтров, настроенных на три и четыре частоты, но в этом редко бывает необходимость, так как подобные фильтры требуют сложной настройки.

Фильтры с автоматической настройкой. При разработке на­строенных фильтров желательно уменьшить максимальное от­клонение частоты. Этого можно добиться, применяя настройку фильтра с помощью автоматического регулирования емкости или изменения индуктивности. Обычно считается приемлемой регулировка ±5%. В преобразователях постоянного тока исполь­зовалась система управления, измеряющая реактивную мощность гармонической частоты в фильтре и изменяющая значение или в зависимости от ее знака и значения.

По сравнению с фильтрами с фиксированной настройкой автоматически настраиваемые фильтры имеют ряд преиму­ществ:

· имеют меньшую емкость конденсаторов;

· применяемые конденсаторы могут иметь одновременно и большой температурный коэффициент емкости, и большую реак­тивную мощность в расчете на единицу массы и единицу стоимос­ти;

· из-за большой добротности потери мощности меньше.

Преимущества 1 и 2 позволяют снизить стоимость конденсато­ров - наиболее дорогих элементов фильтра. Преимущество 2 сни­жает стоимость резисторов и стоимость потерянной энергии.

Широкополосные фильтры. Широкополосный фильтр имеет следующие достоинства:

· меньшая чувствительность к изменениям температуры, отклонениям частоты, промышленным допускам при изготовлении элементов, потерям в емкостных элементах и т.п.;

· малое сопротивление широкому спектру гармоник, отсутствие необходимости разбивки фильтра на параллельные ветви, вызывающей затруднения при переключениях и обслуживании;

· удобство применения в случае, если использование настро­енных фильтров вызывает появление резонанса токов между проводимостями фильтра и системы на частотах гармоник, меньших нижней частоты настроенного фильтра, или на частотах гармоник, лежащих между настроенными частотами.

Основными недостатками широкополосных фильтров являются:

· для получения одинакового уровня фильтрации широкополосные фильтры должны быть рассчитаны на более высокую мощность, хотя в большинстве случаев хорошая работа фильтра осуществляется в диапазоне, требующемся для регулировки коэффициента мощности;

· потери энергии в резисторе и в катушке индуктивности го­раздо выше.

Типы широкополосных фильтров. На рисунке 3.22 показаны четыре типа гасящих фильтров: первого, второго, третьего порядков и С-типа.

Фильтр первого порядка применяется редко, так как для него требуется конденсатор большой мощности, а потери на основной частоте велики.

Фильтр второго порядка удобен в эксплуатации, но потери на основной частоте по сравнению с фильтром третьего порядка ве­лики.

Основным достоинством фильтра третьего порядка являются его малые потери энергии на основной частоте (по сравнению с фильтром второго порядка), связанные с увеличением полного со­противления на этой частоте, вызванным наличием конденсатора С2. Емкость С2 много меньше емкости С1. По своей работе фильтр С-типа занимает положение между фильтрами второго и третьего

Рисунок 3.22 – Широкополосные высокочастотные фильтры: а) первого порядка; 6) второго порядка; в) третьего порядка; г) С-

порядка. Основным его преимуществом является существенно меньшие потери на основной частоте из-за того, что на этой частоте С2 и L последовательно настроены. Такие фильтры наиболее чувствительны к изменениям основной частоты и отклонениям параметров элементов.

Схемы фильтров. Обычно мощные статические преобразовате­ли проектируются на работу по крайней мере с 12 - пульсным циклом. Однако очень часто по условиям эксплуатации или из-за временных сбоев в работе допускается 6-пульсная работа пре­образователя. В этих условиях преобразователь генерирует допол­нительно к характеристическим гармоникам 12-пульсного режима гармоники пятого и седьмого порядка. Эти гармоники от­фильтровываются с помощью специальной схемы, состоящей из настроенных фильтров для гармоник малых порядков (5, 7, 11 и 13-го) и высокочастотного гасящего фильтра для гармоник 17-го и более высоких порядков, рисунке 3.23.

Рисунок 3.23 – Фильтр переменного тока

Полосовая фильтрация для 12-пульсных преобразователей. Установка на преобразовательной подстанции настроенных фильтров резонанса напряжений для 11- и 13-й гармоник и высокочастотных фильтров для гармоник более высоких порядков обычно приводит к более сильному, чем это требуется, подавлению гармоник.

Это связано с тем, что минимальная мощность фильтра обычно определяется наименьшей емкостью конденсаторов, допустимой с точки зрения экономики, и минимальной реактивной мощнос­тью, генерируемой преобразователем.

Таким образом, схема фильтрации может быть упрощена либо заменой настроенных фильтров 11-й и 13-й гармоник на один га­сящий фильтр, либо заменой на такой фильтр всех фильтров схе­мы. В первом случае гасящий фильтр, заменяющий два настроен­ных фильтра, должен быть настроен приблизительно на 12-ю гар­монику, при этом его добротность будет достаточно большой (20-50), в то время как добротность гасящего фильтра высших гармоник гораздо меньшей (2-4). Во втором случае гасящий фильтр также настраивается на двенадцатую гармонику, но для обеспече­ния достаточно низкого сопротивления для больших гармоник добротность выбирается относительно малой (2-6).

В создаваемых в настоящее время мощных преобразовательных схемах высокого напряжения велика вероятность резонанса гар­моник малых порядков между полным сопротивлением системы и емкостным сопротивлением фильтра.

В зависимости оттого, что является источником гармоник ма­лых порядков - система переменного тока или преобразователь, могут наблюдаться резонанс напряжений и резонанс токов. Из-за несимметрии системы преобразователь генерирует существенную третью гармонику тока. Эти гармоники имеют прямую последова­тельность чередования фаз и, следовательно, не поглощается об­моткой трансформатора, соединенной в треугольник.

Для исключения появления резонанса на малых частотах была предложена другая схема фильтрации, состоящая из фильтра С-типа и фильтра второго порядка (рисунок 3.24).

Рисунок 3.24 – Смешанный фильтр второго порядка и С-типа