Источники электромагнитных воздействий и электромагнитные помехи на электрических станциях и подстанциях

8.1. Общие положения

Электромагнитная обстановка на объектах электроэнергетики (электрических станциях, подстанциях, линиях электропередачи) резко отличается от электромагнитной обстановки других объектов (промышленных предприятий, офисных, жилищных помещений и т.д.).

Характерными особенностями этой обстановки являются: наличие постоянных во времени высоких напряженностей электрического поля промышленной частоты (до 25 кВ/м и выше) и напряженностей магнитного поля промышленной частоты (до 10³ А/м и выше). Кроме того, на объектах электроэнергетики могут быть высокочастотные поля, обусловленные устройствами управления, сигнализации, передачи данных и т.д.

В целом электромагнитная обстановка достаточно сложна даже в стационарных условиях. Она представляет собой наложение полей естественного и искусственного происхождения, причем напряженности полей искусственного происхождения часто существенно превышают напряженности естественных полей. Ситуация осложняется тем обстоятельством, что электромагнитные поля искусственного происхождения подвержены быстрым изменениям вследствие изменения режимов работы объектов электроэнергетики, возникновения аварийных ситуаций и т. д. В результате возникают возмущения стационарной электромагнитной обстановки.

Характерными источниками электромагнитных воздействий, которые могут оказывать влияние на автоматические и автоматизированные системы технологического управления электротехническими объектами на электрических станциях и подстанциях являются:

• переходные процессы в цепях высокого напряжения при коммутациях силовыми выключателями и разъединителями;

• переходные процессы в цепях высокого напряжения при коротких замыканиях, срабатывании разрядников или ограничителей перенапряжений;

• электрические и магнитные поля промышленной частоты, создаваемые силовым оборудованием станций и подстанций;

• переходные процессы в заземляющих устройствах подстанции, обусловленные токами КЗ промышленной частоты и токами молний;

• быстрые переходные процессы при коммутациях в индуктивных цепях низкого напряжения;

• переходные процессы в цепях различных классов напряжения при ударах молнии непосредственно в объект или вблизи него;

• разряды статического электричества;

• радиочастотные поля различного происхождения;

• электромагнитные возмущения в цепях оперативного тока.

Дополнительным источником электромагнитных возмущений на электрических станциях и подстанциях, которые могут вызвать сбои в работе электронных и микропроцессорных устройств, является также такое вспомогательное электрооборудование, как сварочные аппараты, осветительные приборы, мощные тяговые механизмы, бытовые электроприборы, электроинструмент и др.

Кроме того, в устройствах автоматических и автоматизирован­ных систем технологического управления электроэнергетическими объектами могут возникнуть и другие электрические явления, которые могут стать причиной их неправильного функционирования. К таким явлениям относятся: переходные сопротивления в контактных соединениях, шумы активных и пассивных элементов, дрейф параметров элементов, разброс времени коммутации в логических устройствах, исчезновения сигналов при передаче, явления отражения в линиях, вибрации и микрофонный эффект в контактах, пьезоэлектрические смещения зарядов при сжатии и изгибах изоляции, а также контактные напряжения, схемоэлектрические и термоэлектрические эффекты в точках соединения проводников из различных материалов.

Наконец, два следующих вида воздействий должны рассматри­ваться в особых ситуациях:

• электромагнитные импульсы ядерных взрывов;

• магнитное поле Земли при аномальных явлениях на поверхности Солнца.

На рис. 8.1. изображены некоторые источники воздействий, из отмеченных выше, на электростанциях и подстанциях высокого напряжения.

Основные типы и возможные диапазоны значений электромагнитных помех. Помехи, создаваемые источниками электромагнитных возмущений, могут возникать как в виде периодически появ­ляющихся, так и случайно распределенных во времени величин. В обоих случаях речь может идти как об узкополосных, так и широкополосных процессах. При систематизации, в первом приближении, несмотря на бесконечное разнообразие вариантов, выделяют четыре типа помех. Характерные их примеры приведены на рис. 8.2., а именно: синусоидальные (например, постоянно действующие периодические узкополосные помехи в форме переменного напряжения 50 Гц или большей частоты), прямоугольные одиночные импульсы, образованные двумя экспонентами и периодические затухающие однократные импульсы.

Помехи, возникающие в автоматических и автоматизированных системах технологического управления электротехническими объектами, могут рассматриваться как синфазные или противофазные напряжения (рис. 8.3.).

Рис. 8.1. Источники электромагнитных воздействий на электрических станциях и подстанциях:

1 – удар молнии; 2 – переключения и короткие замыкания (КЗ) в сети высокого напряжения (ВН); 3 – переключения и КЗ в сети среднего напряжения (СН); 4 –переключения и КЗ в сети низкого напряжения (НН); 5 – внешние источники радиочастотных излучений; 6 – внутренние источники радиочастотных излучений; 7 – разряды статического электричества; 8 – источники кондуктивных помех по цепям питания

Противофазные напряжения электромагнитных помех (поперечные, симметричные) возникают между проводами двухпроводной линии (u_d, рис. 8.3.). Они непосредственно накладываются на полезные сигналы в сигнальных цепях или на напряжение питания в цепях электроснабжения, воздействуют на линейную изоляцию между проводами и могут быть восприняты как полезные сигналы в цепях автоматических и автоматизированных систем технологического управления на электрических станциях и подстанциях и, тем самым, вызнать ошибочное их функционирование.

Противофазные напряжения помех возникают в цепях автоматических и автоматизированных систем технологического управления через гальванические или полевые связи или преобразуются из синфазных напряжений помех в системах, несимметричных относительно земли.

Синфазные напряжения электромагнитных помех (несимметричные, продольные напряжения) возникают между каждым проводом и землей (u_{c 1}, u_{c 2}, рис. 8.3.) и воздействуют на изоляцию проводов относительно земли. Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства, например, между точками 1 и 2 на рис. 8.3. вызванной токами в земле (токи короткого замыкания или токи молнии). Они могут также возникать в результате воздействия магнитных полей. Параметры помех, в зависимости от электромагнитной обстановки на энергообъекте, могут изменяться в очень широком диапазоне (табл. 8.1.).

8.2. Способы описания и основные параметры помех.

Помехи можно представить и описать как во временной, так и в частотной областях. Рассмотрим систему из двух контуров, имеющих гальваническую, емкостную или индуктивную связи (рис. 8.4.). В первичном (влияющем) контуре возникает помеха, которая передается во вто­ричный (подверженный влиянию) контур.

Важнейшими параметрами периодических помех (рис. 8.4.) являются частота f и амплитуда х_тах помехи в первичном контуре. Эти параметры определяют амплитуду напряжения помехи u_{s max} во вторичных контурах.

Важнейшими параметрами непериодических помех (рис. 1.4.) являются:

скорость изменения Δ х /Δ t (скорость нарастания или спада) помехи х; она определяет максимальное напряжение помехи u_{s mаx} во вторичной цепи;

изменение времени Δ t, или интервал времени, в течение которого, например, помеха х имеет максимальную скорость изменения амплитуды; этот интервал идентичен длительности действия напряжения помехи u_s во вторичной цепи;

максимальное значение изменения амплитуды Δ х, пропорциональное интегралу напряжения помехи вторичной цепи по времени (площади импульса помехи).

Периодические помехи	Непериодические, случайные помехи
Узкополосные	Широкополосные	Узкополосные	Широкополосные
Временная область, изменение помех во времени
Частотная область, амплитудные спектры
С – амплитудный спектр	А – спектр амплитудной плотности

Рис. 8.2. Типы помех и их характерные примеры

Рис. 8.3. Помехи, связанные с передачей сигналов по линии

Таблица 1.1. Возможные диапазоны значений параметров

Рис. 8.4. Пояснение параметров периодических (а) и непериодических переходных (б) помех:

Е – приемник сигналов; G – источник сигналов; х – помеха (напряжение или ток); u_s – напряжение помехи, обусловленное связью; 1 – влияющий контур; 2 – гальваническая, емкостная или индуктивная связь; 3 – контур, подверженный влиянию

Для взаимосвязанного представления этих величин используют при периодических помехах амплитудный спектр, а при импульсных — спектр амплитудной плотности (рис. 1.2). Применительно к рассматриваемой (измеряемой) помехе оба представления позволяют:

• оценить воздействие помехи на узкополосную систему;

• рассчитать воздействие, обусловленное заданной связью;

• выбрать параметры средств подавления помех, например, фильтров;

• определить граничные области, например, максимально возможного или допустимого излучения помех или характеризовать границы помехоустойчивости;

• наконец, получить представление о параметрах воздействий при испытаниях согласно нормам ЭМС.

Для количественной оценки величин, характеризующих ЭМС, пользуются логарифмическими масштабами электрических величин в относительных единицах, что позволяет наглядно предста­вить соотношение величин, отличающихся на много порядков, а также умножать эти значения простым сложением их логарифмов. Различают два вида логарифмических относительных величин: уровень и меру сигнала.

Уровень — логарифм относительной величины с постоянной базой — знаменателем. При помощи понятия «уровень» можно описывать значения помех (напряжения, тока, напряженности полей помех и т.д.). В качестве базового значения напряжения часто принимают U ₀= 1 мкВ. Логарифм относительного напряжения называют уровнем напряжения. При применении десятичного логарифма справедливы следующие выражения для уровней:

напряжения

, дБ при мкВ;

тока

, дБ при мкА;

напряженности электрического поля

, дБ при мкВ/м;

напряженности магнитного поля

, дБ при мкА/м;

мощности

, дБ при nВт.

Чаще уровень мощности выражается в неперах:

nВт

Уровень сигнала является величиной безразмерной. Физическая природа описываемых величин подчеркивается принятыми для них обозначениями, такими, как u, i, Е, Н, Р, а размерность базовой величины указывается в индексе или в скобках, например дБ (мкВ), дБ (мкА) и т.д..

Мера сигнала — логарифм отношения величин для обозначения измеряемых свойств объекта (степени передачи, коэффициентов усиления, ослабления). При этом берут отношение величин на входе и выходе системы или отношение величин в определенной точке при наличии и отсутствии демпфирующего элемента (фильтра, экрана). Например, коэффициент затухания, дБ, вносимого фильтром, выражают с помощью десятичного логарифма отношения

,

где а_е — общий коэффициент затухания, дБ, при наличии экрана . Здесь u ₂ и u ₂₀ — напряжения помех на входе с фильтром и без фильтра, а Е ₁ и Е ₀ — воздействующие на прибор напряженности электрического поля без экрана и с экраном соответственно.

При помощи натурального логарифма можно образовать отношение величин в неперах (Нп), например,

u _Нп = ln(u_x / u ₀)

(1 непер соответствует отношению , а для энергетических величин – отношению P_x/P₀ = e ²);

а для мощности

Р_Нп = 0, 5 .

Между непером и децибелом существуют соотношения:

ln(u_x / u ₀), Нп = 20 lg (u_x / u _o), дБ,

или 1 Нп = 8, 686 дБ и 1 дБ = 0, 115 Нп.

Понятие «помехоподавление» служит для характеристики защитного воздействия средств защиты от помех. Чаще всего оно указывается в зависимости от частоты. Помехоподавлением характеризуют, например, логарифм отношения напряжений на входе u ₁ и выходе u ₂ фильтра (коэффициент затухания а _ф) или напряженности поля перед экраном Н _о и за ним Н_э (коэффициент экранирования а _э): а _ф=20 lg(u ₁/ u ₂); а _э = 20 lg (Н ₀/ Н _э).

Контрольные вопросы:

1. Какова характерная особенность электромагнитной обстановки на объектах электроэнергетики?

2. Какими способами можно описать и представить помеху?

3. Перечислите важнейшие параметры периодических помех?

4. Перечислите важнейшие параметры непериодических помех?

5. Что используют для количественной оценки величин, характеризующих ЭМС?

6. Чем характеризуют понятие «помехоподавление»?