Автор: Ваrин Г.Я. Лоскутов А.Б. Севостьянов А.А.
Теги: электротехника электроэнергетика физика теория поля математическая физика энергетика электромагнитная совместимость
ISBN: 5-93272-259-2
Год: 2004
Текст
Министерство образования и науки Российской Федерации
Нижегородский государственный технический университет
Г.Я. Вагин А.Б. Лоскутов А.А. Севостьянов
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
Рекомендовано Ученым советом Нижегородского
государственного технического университета
в качестве учебного пособия для студентов
специальностей 100200 и 100400
Нижний Новгород 2004
УДК 621.311.6.03
ББК 31.27
В 124
Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: Учеб, по-
собие / Г.Я. Вагин, А.Б. Лоскутов, А.А. Севостьянов; Нижегород. гос. техн,
ун-т. Нижний Новгород, 2004.214 с.
ISBN 5-93272-259-2
Рассмотрены теория и методы построения систем электроснабжения с учетом элек-
тромагнитной совместимости электроприемников. Дан анализ видов электромагнитных
помех, создаваемых электроприемниками, приведены их математические модели. Показа-
но влияние помех на различные электроприемники, системы управления и релейной за-
щиты. Изложены методы расчета и прогнозирования электромагнитных помех.
Предназначено для студентов, проходящих обучение по направлению 551700
"Электроэнергетика”, специальностей 100200 ”Электроэнергетические системы и сети" и
100400 "Электроснабжение". Может быть использовано магистрами и аспирантами по на-
правлению "Электроэнергетика", а также инженерами-электриками промышленных пред-
приятий и энергосистем.
Рис. 135. Табл. 34. Библиогр.: 40 назв.
Рецензенты: д-р техн, наук, проф. О.С. Хватов;
канд. техн, наук С.А. Шалаев
УДК 621.311.6.03
ББК 31.27
ISBN 5-93272-259-2
© Нижегород. гос. техн, ун-т, 2004
© Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б., Севостьянов А.А., 2004
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список сокращений............................................... 5
Предисловие..................................................... 7
1. Общие сведения об электромагнитных помехах и электромагнит-
ной совместимости.............................................. 8
1.1. Определение электромагнитных помех, их классификация..... 8
1.2. Понятие электромагнитной совместимости................... 17
2. Источники электромагнитных помех.......................... 19
2.1. Виды источников помех.................................... 19
2.2. ЭМП, генерируемые электротермическими установками....... 19
2.3. ЭМП, генерируемые электросварочными установками......... 41
2.4. ЭМП, создаваемые электрохимическими установками.......... 53
2.5. ЭМП, создаваемые электроприемниками с электродвигателями. 56
2.6. ЭМП, создаваемые преобразователями тока и частоты....... 61
2.7. ЭМП, создаваемые ЛЭП, трансформаторами и автотрансформато-
рами ................................................... 62
2.8. ЭМП, создаваемые осветительными электроприемниками....... 64
3. Влияние ЭМП на электроприемники, системы управления, защиты
и ЭВМ.......................................................... 67
3.1. Восприимчивость осветительных электроприемников к ЭМП.... 67
3.2. Влияние ЭМП на электротермические установки............. 69
3.3. Восприимчивость электроприемников с электродвигателями к
ЭМП....................................................... 85
3.4. Влияние ЭМП на электросварочные установки............... 90
3.5. Влияние ЭМП на системы управления, измерения, защиты
и ЭВМ...................................................... 101
3.6. Влияние ЭМП на линии связи........................... 103
3.7. Восприимчивость линий связи.............................. 108
4. Методы нормирования ЭМП и ЭМС................................ 112
4.1. Нормирование ЭМП и ЭМС в РФ............................ 112
4.2. Нормирование ЭМП и ЭМС в странах Евросоюза............... 114
5. Методы расчета электромагнитных помех.................... 119
5.1. Исходные положения..................................... 119
5.2. Расчет отклонений напряжения........................... 120
5.3. Расчет колебаний и провалов напряжения................. 122
5.4. Расчет несинусоидальности напряжения..................... 124
5.5. Расчет несимметрии напряжения............................ 127
6. Помехозащитные устройства.................................. 130
6.1. Вводные замечания...................................... 130
6.2. Фильтры................................................ 130
3
6.3. Разрядники.............................................. 141
6.4. Оптроны и световодные линии............................. 149
6.5. Разделительные трансформаторы ......................... 150
6.6. Электромагнитные экраны................................. 152
6.6.1. Природа экранирующего действия.................... 152
6.6.2. Экранирование статических полей................... 154
6.6.3. Экранирование квазистатических полей.............. 156
6.6.4. Экранирование электромагнитных волн............... 158
6.6.5. Материалы для изготовления экранов................ 159
6.7. Грозозащита............................................. 161
7. Электромагнитная совместимость электроприемников и питаю-
щих сетей..................................................... 166
7.1. Классы электромагнитной среды........................... 166
7.2. Рекомендации по снижению уровней ЭМП, генерируемых электро-
приемниками ................................................. 167
7.2.1. Машины контактной электросварки................... 168
7.2.2. Дуговые сталеплавильные печи...................... 173
7.2.3. Индукционные печи................................. 176
7.2.4. Прокатные станы................................... 177
7.2.5. Крупные электролизные установки................... 177
7.3. Рекомендации по повышению помехоустойчивости электроприем-
ников ....................................................... 178
7.4. Распространение ЭМП в электрических сетях............... 181
7.5. Схемные пути обеспечения ЭМС............................ 188
7.6. Применение специальных устройств для обеспечения ЭМС.... 200
8. Влияние полей, создаваемых ЭМП, на биологические объекты.... 205
8.1. Воздействие электромагнитных полей на биоорганизмы...... 205
8.2. Нормы допустимых напряженностей электрических и магнитных
полей для персонала и населения.............................. 206
8.3. Защита персонала от воздействия электрических и электромагнит-
ных полей.................................................... 209
Библиографический список..................................... 212
4
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АД - асинхронный двигатель
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
БСК - быстродействующий статический компенсатор
ВН - высокое напряжение
ВЧ - высокочастотный
ГПП - главная понизительная подстанция
д₽л - дуговая ртутная лампа
ДСП - дуговая сталеплавильная печь
ИК - инфракрасный
итп - индукционная тигельная печь
КБ - конденсаторная батарея
лг - ламповый генератор
лл - люминесцентная лампа
лн - лампа накаливания
лп - ламповый преобразователь
лэп - линия электропередач
мдн - магнитодинамический насос
МДУ - магнитодинамическая установка
мзн - многократно заземленная нейтраль
НН - низкое напряжение
он - отклонение напряжения
ОРУ - открытое распределительное устройство
ПБВ - переключение без возбуждения
пкэ - показатель качества электроэнергии
пн - провал напряжения
ПРА - пускорегулирующая аппаратура
РПН - регулировка под нагрузкой
РЭХО - размерная электрохимическая обработка
СБП - система бесперебойного питания
СР - сдвоенный реактор
ст - средняя точка
тп - трансформаторная подстанция
тпч - тиристорный преобразователь частоты
ТРО - трансформатор с расщепленными обмотками
ТУИП - тиристорный управляемый источник питания
УПК - установка продольной компенсации
УРЭ - удельный расход электроэнергии
УФ - ультрафиолетовый
ШБП - шина бесперебойного питания
эмп - электромагнитная помеха
ЭМС - электромагнитная совместимость
5
эп ЭПРА ЭСУ ЭТУ эшп - электроприемник - электронный пускорегулирующий аппарат - электросварочная установка - электротехнологическая установка - электрошлаковая печь
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
На промышленных предприятиях наблюдается постоянный рост числа и
мощности электроприемников, создающих различные виды электромагнитных
помех. Эти помехи, распространяясь как в воздушной среде, так и по линиям
электропередач, оказывают различное влияние на сами электроприемники, на
системы их управления, защиты, ЭВМ и автоматику. Влияние электромагнит-
ных помех сказывается не только на электроприемниках данного предприятия,
но и электроприемниках соседних предприятий и коммунально-бытовых при-
емниках через линии электропередач энергосистем. Особенно сильное воздей-
ствие на энергосистемы оказывают электромагнитные помехи, создаваемые
электроприемниками черной и цветной металлургии, а также химических ком-
бинатов, имеющих в своем составе крупные электросталеплавильные и элек-
тролизные цеха. В связи с этим задача обеспечения совместной работы различ-
ных потребителей, т.е. их электромагнитной совместимости, с каждым годом
становится все более актуальной. Проблема обеспечения электромагнитной со-
вместимости электроприемников в настоящее время формируется в самостоя-
тельное научно-техническое направление со своими специфическими идеями,
методами прогноза, исследования и разработки электрооборудования.
Проблема электромагнитной совместимости должна решаться в следую-
щих направлениях:
1) определение электромагнитных помех, создаваемых различными элек-
троприемниками;
2) определение восприимчивости электроприемников к уровню электро-
магнитных помех;
3) расчет и прогнозирование электромагнитных помех;
4) разработка эффективных мер снижения помех.
В соответствии с этими направлениями и разработан материал учебного
пособия.
Большое внимание уделено источникам электромагнитных помех и вос-
приимчивости различных электроприемников, систем управления и ЭВМ к
уровням электромагнитных помех. Рассмотрены методы нормирования элек-
тромагнитных помех и электромагнитной совместимости в нашей стране и в
странах Евросоюза. Изложены методы расчета помех и применяемые способы
помехозащит. Впервые подробно описана электромагнитная совместимость
электроприемников и питающих сетей. Показано влияние электромагнитных
помех на биологические объекты.
Авторы выражают благодарность рецензентам: д-ру техн, наук О.С. Хва-
тову и канд. техн, наук С.А. Шалаеву - за ценные замечания по материалам
учебного пособия.
При написании книги авторы опирались на материалы исследований, ко-
торые проводились как в Российской Федерации, так и за рубежом.
7
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХАХ
И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
1.1. Определение электромагнитных помех, их классификация
Под электромагнитными помехами понимаются электромагнитные, элек-
трические и магнитные явления, создаваемые любым источником в простран-
стве или проводящей среде, которые нежелательно влияют или могут влиять на
полезный сигнал при его приеме и (или) преобразовании к определенному ви-
ду. Данное определение, заимствованное из [23], является достаточно исчерпы-
вающим и, хотя ориентировано на радиотехнические и электронные устройст-
ва, в полной мере относится к той электромагнитной обстановке, в которой
функционируют электроприемники (ЭП) промышленных предприятий и вооб-
ще любые электротехнические объекты, устройства автоматики, производства и
передачи электроэнергии и т.п.
Различают источники и приемники помех. На промышленных предпри-
ятиях одни и те же ЭП могут быть источниками электромагнитных помех
(ЭМП) и их приемниками.
Под полезным сигналом можно понимать как питающее напряжение, по
отношению к которому все ЭП являются в полном смысле приемниками, так и
любой сигнал в процессе его приема или преобразования отдельными узлами
ЭП или других устройств.
Вопрос об отнесении электромагнитного воздействия к разряду ЭМП
решается в каждом конкретном случае по реакции ЭП или степени искажения
одного или нескольких параметров принятого (преобразованного) сигнала. При
этом следует учитывать, что ЭМП, являясь таковыми по отношению к одному
виду ЭП, могут не оказывать влияния или быть допустимыми для других. Та-
ким образом, ЭМП и степень их влияния индивидуальны.
Различают преднамеренные и непреднамеренные ЭМП. В системах элек-
троэнергетики промышленных предприятий имеются только непреднамерен-
ные ЭМП, поэтому в дальнейшем будем оперировать только этими ЭМП. Не-
преднамеренные ЭМП возникают в процессе нормальной работы ЭП и различ-
ного рода устройств.
Существует большое разнообразие ЭМП. Их можно систематизировать
по следующим признакам: происхождению, источнику помех (по отношению
источника помехи к приемнику), среде распространения, проявлению помехи
во времени, частотному признаку, энергетическому спектру, характеру воздей-
ствия помехи на полезный сигнал, отношению приемника к помехе. Рассмот-
рим более подробно эти признаки.
В зависимости от происхождения различают естественные и искусст-
венные помехи. Естественные помехи создаются источниками естественного
(природного) происхождения. Для промышленных предприятий и энергосистем
такими источниками могут быть, например, грозовые разряды молний, магнит-
8
ные аномалии и т.п. Искусственные помехи создаются ЭП, коммутационной
аппаратурой, высоковольтными линиями и рядом других электротехнических и
электронных устройств, а также могут возникать в ненормальных и аварийных
режимах (например, при различных видах коротких замыканий в питающей се-
ти или электрооборудовании). Искусственные помехи чаще всего рассматрива-
ются как результат воздействия на параметры электрической энергии.
Исходя из источника помех можно выделить следующие: внешние - ис-
точник помех находится вне приемника; внутренние - источник помех находит-
ся в самом приемнике; межсистемные - источник помех находится в системе,
не относящейся к рассматриваемой, включающей приемник; внутрисистемные
- источник помех находится внутри рассматриваемой системы. Деление ЭМП
на межсистемные и внутрисистемные условно в той степени, в какой определе-
ны сами системы.
По признаку среды распространения различают: помехи излучения, т.е
распространяющиеся в пространстве, и помехи проводимости (кондуктивные),
распространяющиеся в проводящих средах. Помехи излучения есть результат
воздействия электростатическим, электрическим, магнитным полем или их
комбинациями. Помехи проводимости наиболее характерны для промышлен-
ных предприятий и распространяются по проводам, кабелям, оболочкам, шино-
проводам, проводящим конструкциям и т.п., в том числе в электролите, распла-
ве и аналогичных средах.
Проявление помех во времени может быть охарактеризовано длительно-
стью действия ЭМП и их периодичностью. По длительности действия различа-
ют: непрерывные помехи, уровни которых не уменьшаются ниже определенно-
го порогового значения; длительные, время действия которых превышает три
постоянных времени контролируемого параметра; кратковременные, время
действия которых менее трех постоянных времени, но более 0,02 с (одного пе-
риода сетевой частоты); импульсные, время действия которых менее 0,02 с. По
периодичности появления (исчезновения) ЭМП разделяют на периодические
(регулярные) и непериодические. Последние, в свою очередь, делятся на слу-
чайные стационарные (в широком и узком смысле [36, 39]) и нестационарные.
По частотному признаку’ помехи разделяют на низкочастотные и высо-
кочастотные. Такое деление в известной степени условно и зависит от типа рас-
сматриваемого устройства и того, какой его параметр (сигнал) анализируется.
Так, спектральный анализ формы питающего напряжения позволяет определить
величины гармонических составляющих, которые по отношению к основной
гармонике следует отнести к высокой частоте, и это тем более верно, если оце-
нивается их влияние на такие параметры режима ЭП, которые изменяются дос-
таточно медленно. С другой стороны, если в высокочастотной электротехноло-
гической установке возникает паразитная модуляция с частотой несколько
меньшей, чем та, на которой она работает, то говорят о низкочастотной моду-
ляции (помехе), хотя сама по себе ее частота достаточно высока. Таким обра-
зом, частотное разделение помех (указание граничной частоты) должно ре-
9
шаться в каждом конкретном случае. Иногда выделяют три полосы: низкочас-
тотную, среднечастотную и высокочастотную. Поскольку у большинства про-
мышленных ЭП постоянная времени их параметров режима значительно боль-
ше периода основной частоты, то вполне оправдано условно принять частоту
разделения низко- и высокочастотных помех равной 50 Гц. Это также хорошо
согласуется с радиотехническими устройствами, в которых (например, звуко-
технических) к низкочастотной области относят частоты менее 100 Гц. Однако
это деление условно.
По виду энергетического спектра выделяют ЭМП с непрерывным, дис-
кретным и смешанным спектром. Классификацию по этому признаку следует
проводить в пределах амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) или той ее
частоты, которая в основном определяет поведение устройства. Из ЭМП с не-
прерывным спектром отдельно выделяют флуктуационные помехи (шум) с
примерно постоянной величиной спектра в пределах АЧХ. Возможно более де-
тальное деление ЭМП по виду спектра, однако на практике трех уровней града-
ции оказывается вполне достаточно.
По характеру воздействия помехи на полезный сигнал различают: адди-
тивные помехи, действие которых проявляется в сложении с полезным сигна-
лом; мультипликационные помехи, действие которых на приемник изменяет
комплексную структуру полезного сигнала; симметричные относительно вы-
бранной оси помехи и несимметричные.
По отношению приемника к помехе рассматривают: допустимые помехи,
действие которых не снижает требуемого качества функционирования ЭП; не-
допустимые помехи; приемлемые помехи, действие которых снижает качество
функционирования ЭП до уровня, принятого удовлетворительным (возмож-
ным) в конкретно заданных условиях. Соответствующий уровень помехи назы-
вают максимальным или граничным.
Данная классификация позволяет охарактеризовать ЭМП совокупностью
признаков, но она не является исчерпывающей. Поэтому в каждом конкретном
случае характеристику помехи дополняют (например, ее формой - прямоуголь-
ная, синусоидальная и т.п. или другим описанием - ’’провал”, ’’выброс” и т.д.).
Основными видами искусственных ЭМП являются помехи излучения и
проводимости. Помехи излучения кроме обычных параметров (временных,
частотных и других) характеризуются зависимостью распределения напряжен-
ности поля в пространстве вокруг источника, а их действие оценивается по ве-
личине наведенной ЭДС помехи, которая далее распространяется как помеха
проводимости.
Степень связи источника помех излучения с приемником оценивается ко-
эффициентом переноса Кл [25, 31] - отношением напряжения помехи на ’’за-
жимах источника” и приемника. Этот коэффициент является функцией большо-
го числа факторов и зависит не только от пространственного расположения ис-
точника и приемника и свойств среды распространения (обычно воздух), но
также и от наличия других возможных путей распространения помехи: метал-
10
т(Кп) =
лических оболочек, корпусов, труб, железобетонной арматуры, кровли и других
металлических конструкций, проводов, шинопроводов, кабелей и т.д. Причем
эти элементы могут выполнять роль самостоятельных вторичных помехонесу-
щих проводников (вторичные источники помех) и роль экрана. В связи с этим
практически невозможно не только проанализировать, но даже просто учесть
все условия, определяющие количественно связь того или иного источника с
приемником. Кроме того, имеется множество точек проникновения (наведения)
помехи в приемник (многомерность ввода помехи).
На практике [25] ограничиваются расчетом, а чаще измерением Кп только
для одного сочетания точек ввода энергии помехи в среду распространения и
точек ввода помех в приемник потому, что дисперсия Кп очень велика и в
большинстве случаев существует сочетание точек, для которых затухание по-
мехи значительно меньше, чем для других. Таким образом, выполняется только
оценка коэффициента переноса.
В случае отсутствия в окружающем пространстве заведомо доминирую-
щего источника помех излучения (общий фон) принимается логарифмически
нормальный закон распределения Кп в ближней (го 10 м) зоне и линейное его
изменение пропорционально расстоянию г от приемника:
>п(Кт),г<г0)
m(Kno) + 20d\g(r/r0),r>r0,
где т(Кпо) - математическое ожидание Кп в точке приема.
Спектр частот помех излучения достаточно широк и достигает сотен ме-
гагерц. Так, при коммутации низковольтных цепей (реле, контакторы, пускате-
ли) полоса частот помех составляет 5 кГц...30 МГц, число импульсов 1...10,
длительность импульсов до 30 • 10-6 с.
Большие трудности в расчете и измерении Кп объясняют малоизученно-
стью этого вида помех на промышленных предприятиях.
Перед определением помех проводимости сделаем некоторые замечания.
Полезным сигналом по отношению к ЭП, очевидно, является питающее напря-
жение, а нежелательными изменениями полезного сигнала - любые изменения
его характеристик, вызывающие соответствующие нежелательные изменения
параметров режима работы ЭП (например, изменение формы, амплитуды, час-
тоты и т.д.). В зависимости от задачи полезным сигналом может быть любой
другой сигнал, возникающий (протекающий) в узлах, блоках, системе управле-
ния ЭП по принципу их действия.
Причиной возникновения нежелательных изменений (или в соответствии
с определением ЭМП - явлений) являются различные по величине и характеру
токи, протекающие по элементам сети, а также в самих ЭП. Поэтому, строго
говоря, помехи проводимости следует определить как токи, которые формиру-
ются под действием многих факторов: работы ЭП, электрооборудования, сетей,
переходных процессов, ненормальных и аварийных режимов и индуцирован-
ных извне как помехи излучения.
И
Однако в технической литературе под этим видом помех часто понимают
не причину, а следствие, т.е. помехами проводимости считают сами нежела-
тельные изменения характеристик питающего напряжения. Во многих случаях
эю допустимо, поскольку не нарушает физики явлений, протекающих в ЭП.
Кроме того, в условиях действующих предприятий наибольший интерес пред-
ставляет установление количественной и качественной связи параметров режи-
ма ЭП именно с характеристиками питающего напряжения. С одной стороны,
это позволяет проводить анализ в общем виде и распространять результаты ис-
следований на сети других предприятий, с другой - получение такой связи, как
правило, много проще, чем с самими помехами проводимости. Иначе пришлось
бы учитывать другие факторы (например, параметры питающей сети), необос-
нованно усложняющие задачу и делающие ее в известном смысле неопреде-
ленной.
Поэтому в дальнейшем под помехами проводимости мы будем понимать
нежелательные, с точки зрения нормальной работы ЭП, изменения характери-
стик питающего напряжения, при необходимости оговаривая причину их воз-
никновения и источник помех.
Доминирующее значение для ЭП промышленных предприятий имеют
параметры, характеризующие отклонения напряжения и частоты, несимметрию
и несинусоидальность напряжения, размахи изменения напряжения, провал на-
пряжения, импульсное напряжение и дозу колебаний напряжения. Параметры
этой группы ЭМП в РФ относят к показателям качества электрической энергии
(ПКЭ). Этими параметрами не исчерпывается все разнообразие воздействий
помех проводимости. Введение иных параметров, например, площади провала
напряжения, скорости изменения напряжения, композиции ПКЭ и др. объясня-
ется различной реакцией ЭП на помехи и неоднозначностью описания их пове-
дения только ПКЭ.
В соответствии с рекомендациями [11] определяются следующие ПКЭ.
Отклонение частоты Af Гц,
Д/=Л-/ном, (1.1)
где/ном - номинальное значение частоты, Гц;/ - усредненное значение частоты
за период наблюдения, Гц. Усредненное значение частоты/ определяется как
результат усреднения N наблюдений частоты / на интервале времени, равном
20 с, по формуле
Л=ф)/^. (1-2)
где/ - значение частоты в z-м наблюдении, Гц. Число наблюдений N должно
быть не менее 15 [11].
Установившееся отклонение напряжения %,
5t/y=(t/y-t/HOU)-l00/t/I1OM, (1.3)
12
где Uhom номинальное междуфазное (фазное) напряжение, В (кВ); Ц - величи-
на усредненного напряжения за период наблюдения, В (кВ). Величина усред-
ненного напряжения Uy определяется как результат усреднения N наблюдений
напряжений U, на интервале времени 1 мин по формуле
(|Л)
V /=1 /
где Ut - значение напряжения в /*-м наблюдении, В (кВ). Число наблюдений за 1
мин должно быть не менее 18 [11].
В электрических сетях однофазного тока каждое z-e значение напряжения
определяют как действующее значение напряжения основной частоты без
учета высших гармонических составляющих напряжения, а в электрических се-
тях трехфазного тока как действующее значение каждого междуфазного (фаз-
ного) напряжения основной частоты а также как действующее значение
напряжения прямой последовательности основной частоты вычисляемое
по приближенной формуле
U =(^AR/n+t/ + U )/3, (1.5)
KD, V AB(I)/ BC(J)/ СА(1)/7 ’ v 7
где 47дв(1)/ , Uqc(1)i , UcA(t)i - действующие значения междуфазных напряжений
основной частоты в z-м наблюдении, В.
К отклонениям напряжения следует отнести изменения напряжения с ус-
тановившейся длительностью более 1 мин. Графически отклонения напряжения
показаны на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Виды отклонений и колебаний напряжения
Размах изменения напряжения 8Uh %,
St/, = |t/, -t/,+l|-100/G’„OM,
(1.6)
J3
где Uh * значения следующих один за другим экстремумов или экстремума
и горизонтального участка огибающей среднеквадратичных значений напряже-
ния основной частоты, определенных на каждом полупериоде основной часто-
ты, В (кВ).
Графически колебания напряжения показаны на рис. 1.1.
Для характеристики колебаний напряжения наряду с размахом изменения
напряжения необходимо знание частоты изменения напряжения FSU( или ин-
тервала времени между изменениями напряжения ().
Частоту повторения изменений напряжения FdUj, с4, мин1, вычисляют по
формуле
РьиГ^/Т, (1.7)
где т - число изменений напряжения за время Т; Т - интервал времени измере-
ния, принимаемый равным 10 мин.
Интервал времени между изменениями напряжения Д/4/+1, с, мин, в соот-
ветствии с рис. 1.2 определяют по выражению
A^='/+|-'p (Ь8)
где - начальные моменты следующих один за другим изменений напряже-
ния, с (мин).
Если интервал времени между окончанием одного изменения и началом
следующего, происходящего в том же направлении, менее 30 мс, то эти изме-
нения рассматривают как одно.
Доза колебаний напряжения (доза фликера) - это интегральная характе-
ристика колебаний напряжения, вызывающих у человека накапливающееся за
установленный период времени раздражение миганиями света.
Рис. 1.2. Колебания напряжения произвольной формы (а) и имеющие форму меандра (б)
(£Лжв(0 - среднеквадратичное значение напряжения, определяемое
на полупериоде основной частоты)
14
Провал напряжения - это внезапное значительное понижение напряжения
в точке электрической сети, за которым следует восстановление до первона-
чального или близкого к нему уровня через промежуток времени от нескольких
периодов до нескольких десятков секунд (рис. 1.3).
Длительность провала напряжения Д/п, с, определяют по формуле
Д/П='к~'н> (1.9)
где Ас - начальный и конечный моменты времени провала напряжения.
Рис. 1.3. Вид перенапряжения (а) и провала напряжения (б)
Глубину провала напряжения 8С7П, %, определяют следующим образом:
^п = (^Ном-^.п)100/Ц.ом.
(110)
15
где Umin - минимальное действующее значение напряжения в течение провала
напряжения, В.
Частость появления провалов напряжения Г,„ %, вычисляют по формуле
^,=т(бС7п,Д/п)/Л/, (1.11)
где т (8Unt Д/п) - число провалов напряжения глубиной 8С/„ и длительностью
Д/п за рассматриваемый период времени наблюдений Г; Л/- суммарное число
провалов напряжения за рассматриваемый период времени наблюдений Т.
Несинусоидалъность напряжения в электрических сетях характеризуется
коэффициентом искажения синусоидальности Кц и коэффициентом и-й гармо-
нической составляющей напряжения Ки{п).
Значения Кщ и %, определяют как результат /-го наблюдения по
выражениям:
= и(D--100, (1.12)
Vn=2 /
^(П)/ = ЦП)(-1ОО/Ц|)/’ (’’З)
где Ц|)/ - действующее значение междуфазного (фазного) напряжения основной
частоты для /-го наблюдения, В.
При определении данного ПКЭ допускается не учитывать гармонические
составляющие порядка п > 40 или значения, которые менее 0,1 %. Вычисление
этих ПКЭ возможно по формулам:
- -
Ком-100, (1.14)
У п=2 /
Кщп)1=и{л)1А00/и„ом, (1.15)
где //„ом - номинальное значение междуфазного (фазного) напряжения, В.
Определение значений KL, и Ки{п}, %, также производится как результат
усреднения N наблюдений KUt и на интервале времени Г, равном 3 с, по
формулам:
мехА- (Мб)
(1-17)
где число наблюдений N должно быть не менее 9.
Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентами обратной
(Кги) и нулевой (Ко(у) последовательности напряжений.
16
Значения К2и и Кои, %, определяют как результат /-го наблюдения по вы-
ражениям:
&2Ui = ^2( 1)/ * ^ ^/^1(1)/ > ( Ь18)
^,=М(О1-100/Ц(1)1( (1.19)
где l/id)/ - действующее значение напряжения обратной последовательности ос-
новной частоты трехфазной системы напряжений в /-м наблюдении, В (кВ);
l/i(ix- действующее значение напряжения прямой последовательности основ-
ной частоты в /-м наблюдении, В (кВ); U^- действующее значение напряже-
ния нулевой последовательности основной частоты трехфазной системы на-
пряжений в /-м наблюдении, В (кВ).
Определение значений К2и и Кои, %, также производится как результат
усреднения N наблюдений K2ui и Кои, на интервале времени Г, равном 3 с, по
формулам:
(1-20)
(1-21)
V /=i /
где число наблюдений N должно быть не менее 9.
В выражениях (1.18), (1.19) 1/2(1х и можно определять по прибли-
женным формулам:
^2(1)/ = 0,62^1) z ~ С/Нм<1) /X (1.22)
^0(1)/ = 0^нб<ф(1)/ (1-23)
где С7Нб(1)м t/HM(i)/ - наибольшее и наименьшее действующие значения из трех
междуфазных напряжений основной частоты в /-м наблюдении, В (кВ);
^/нб.ф(1)/, {7нм.ф(1)/- наибольшее и наименьшее из трех действующих значений
фазных напряжений основной частоты в /-м наблюдении, В (кВ).
1.2. Понятие электромагнитной совместимости
Под электромагнитной совместимостью (ЭМС) понимается способность
устройства или системы удовлетворительно функционировать в его электро-
магнитном окружении, не создавая недопустимых помех другим устройствам,
работающим в этом окружении [12, 39].
Электромагнитная совместимость ЭП имеет важное практическое значе-
ние, особенно в связи с внедрением в системах управления ЭП элементов мик-
роэлектроники и микропроцессорной техники, а также широким применением
ЭВМ и автоматизированных систем управления технологических процессов.
17
Для оптимального построения систем электроснабжения с учетом ЭМС
ЭП необходимо знание уровней помехоустойчивости ЭП и уровней эмиссии
помех (рис. 1.4) [17].
Норма помехоустойчивости - это максимальное значение определенной
ЭМП, воздействующей на ЭП, при котором он может продолжать работу с тре-
буемыми рабочими характеристиками. Норма на помехоустойчивость устанав-
ливается с запасом выше относительного уровня ЭМС, а норма на допустимую
эмиссию помех - с запасом ниже относительного уровня ЭМС. Разница рас-
сматривается как нормированный запас ЭМС.
Уровни помехоустойчивости конкретных ЭП могут быть выше нормы
(кривая 1 на рис. 1.4), а эмиссия помех - ниже нормы (кривая 2 на рис. 1.4). Эти
дополнительные запасы, определяемые конструкцией устройства, называются
конструктивными.
Соотношения уровней, приведенные на рис. 1.4, относятся к случаю од-
ного источника помех и одного ЭП, чувствительного к ним. Уровень помехо-
устойчивости применим и к каждому из множества ЭП, эксплуатируемых в се-
ти. Что касается допустимых уровней эмиссии помех каждым ЭП, то они уста-
навливаются таким образом, чтобы их суммарное воздействие приводило к
уровню помех, не превышающему норму на эмиссию.
18
2. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ
2.1. Виды источников помех
Доминирующими в электроэнергетических системах являются искусст-
венные ЭМП. Их источниками являются: различные ЭП промышленных пред-
приятий городов, населенных пунктов, железнодорожного транспорта, высоко-
вольтные линии электропередач, трансформаторные и преобразовательные
подстанции. Наибольший уровень ЭМП создают ЭП промышленных предпри-
ятий и железнодорожного транспорта. В настоящем учебном пособии источни-
ки ЭМП железнодорожного транспорта не рассматриваются.
На промышленных предприятиях источниками ЭМП являются:
- преобразователи тока и частоты;
- электротехнологические установки;
- электроприемники с резкопеременным или импульсным режимом рабты;
- газоразрядные источники света.
Наиболее мощными источниками ЭМП на промышленных предприятиях
являются различные виды электротехнологических установок (ЭТУ), мощность
которых достигает 100 МВ-А. На рис. 2.1 приведена классификация ЭТУ, при-
меняемых на различных промышленных предприятиях.
2.2. ЭМП, генерируемые электротермическими установками
Наибольший уровень ЭМП вносят в сеть электротермические установки.
Дуговые сталеплавильные печи (ДСП). Они выпускаются на мощности
от 0,4 до 80 MB-А. Напряжение питания переменное: 6, 10, 35 и 110 кВ. Режим
работы ДСП резкопеременный, с большими пиками тока в период расплавле-
ния (рис. 2.2). Колебания токов отдельных фаз при этом возникают неодновре-
менно, что приводит к несимметрии токов и напряжений. Случайный процесс
колебаний токов ДСП в течение всего периода расплавления не является ста-
ционарным, так как по ходу процесса происходит постепенное изменение со-
стояния расплавляемой шихты и условий горения дуг, а также изменение мощ-
ности и напряжения на электродах (9]. Однако, учитывая постепенный характер
изменения состояния расплавляемой шихты и рассматривая процесс при уста-
новившемся режиме, его можно разложить на отдельные стационарные участки
длительностью 2-5 мин, на которых не происходит существенного изменения
среднего значения тока и размахов его колебаний [9].
Из всех ЭТУ ДСП создают наибольшие значения различных видов ЭП,
среди которых доминирующими являются отклонения, провалы и колебания
напряжения, несинусоидальность и несимметрия токов и напряжений. Причем
наибольший уровень помех создается в период расплавления твердой шихты
(табл. 2.1) [9, 19].
19
Рис. 2.1. Классификация электротехнологических установок
Задержки зажигания дуг и сильная нелинейность их вольт-амперных ха-
рактеристик приводят к появлению в спектре тока высших гармоник. Дуговые
сталеплавильные печи генерируют как нечетные (3, 5, 7, 9-ю и т.д.), так и чет-
ные (2, 4, 6, 8-ю и т.д.) гармоники тока. Величины этих гармоник носят случай-
ный характер, поэтому нет точных формул для их определения. В проектной
практике действующее значение нечетных гармоник ДСП можно определить по
следующему приближенному выражению:
Ая)эф(=^.т/(^ном), (2.1)
где 5п.т - мощность печного трансформатора.
$ ю 15 /, с
Рис. 2.2. График нагрузки дуговой сталеплавильной печи
Таблица 2.1. Пределы ЭМП на шинах, питающих ДСП
Напряжение питания ДСП, кВ 5С/, % 8U„ % Ки, % %
6...10 -6...+6 1...7 0,5...5 1...6
35 -5...+5 1...6 0,7...4 0,5...5
ПО -6...+7 0,5...3 0,1...2 0,5...3
На рис. 2.3 показаны частотные спектры токов в периоды расплавления и
рафинирования ДСП емкостью 10 т. В табл. 2.2 приведено процентное содер-
жание гармоник в спектре тока ДСП емкостью 150 т, а в табл. 2.3 - среднее зна-
чение гармоник тока, генерируемых ДСП различной емкости [9, 19].
Колебания напряжения, создаваемые ДСП, делятся на два вида: нерегу-
лярные - с частотой до 1 Гц; регулярные (циклические) - с частотой от 1 до
Ю Гц [9]. Основными причинами нерегулярных колебаний являются неблаго-
приятные условия зажигания дуг в период расплавления и неустойчивое их го-
рение, короткие замыкания электродов с шихтой в момент пуска печи и при об-
21
валах шихты, обрывы дуг при обвалах, резкие перемещения электродов вслед-
ствие коротких замыканий и обрывов дуг. Поскольку броски тока при нерегу-
лярных колебаниях достигают 100 % номинального тока печного трансформа-
тора, то величина размаха нерегулярных колебаний напряжения достигает
7... 12 %. Причины возникновения регулярных колебаний - действие внешних и
внутренних электромагнитных сил, стремящихся вытолкнуть дуги из-под элек-
тродов в сторону стенок печи, вибрация электродов и электродержателей, вы-
прямительный эффект, внезапные изменения проводимости в зоне горения дуг
вследствие испарения материалов и другие нарушения более или менее перио-
дического характера.
Таблица 2.2. Уровни гармоник тока, генерируемых ДСП емкостью 150 т
Номер измерения Величины гармоник, % от первой
2-я 3-я 4-я 5-я 6-я 7-я 8-я 9-я
1 4,22 6,9 0,9 1,3 0,7 1,2 0,03 0,03
2 1,17 5,9 0,5 1,8 0,14 0,7 0,04 0,06
3 7,24 7,4 1,5 1,2 0,32 1,3 0,03 0,04
4 2,2 6,7 0,3 1,9 0,1 1,7 0,01 0,04
5 7,9 7,5 0,7 1,2 0,56 1,1 0,05 0,01
6 2,3 5,9 1,8 2,5 0,47 0,3 0,01 0,01
7 8,2 7,1 2,7 1,1 0,91 0,8 0,03 0,07
8 2,22 6,4 0,9 1,6 0,46 1,1 0,04 0,04
9 6,21 6,9 1,2 2,5 0,8 0,9 0,01 0,04
10 4,34 7,3 0,3 1,0 0,65 0,4 0.05 0,03
11 4,2 6,4 0,8 1,8 0,44 0,2 0,02 0,04
12 7,25 6,6 2,8 1,7 0,21 1,1 0 0,05
13 1,23 6,6 0,5 3,2 0,34 0,1 0,07 0,04
14 4,15 9.5 1,4 1,9 0,76 0,6 0.14 0,07
15 5,24 6,3 1,8 2,9 0,9 0,9 0,05 0,06
16 2,27 7,7 0,7 1,2 0,26 0,1 0.09 0,12
17 4,19 6,9 1,2 1,2 0,2 1,1 0.22 0,04
18 1,2 8,3 0,4 1,5 0.23 0,2 0.08 0.01
19 1,16 7,3 0,2 1,3 0,7 0,7 0.05 0.04
20 2,22 7.5 0,7 1,2 0,4 1,2 0.03 0.04
Среднее значение 3,95 7.05 1,06 1,7 0,47 0,78 0,04 0.04
22
Таблица 2,3, Средние значения гармоник тока, генерируемых ДСП в различные
моменты плавки
Емкость ДСП Величины гармоник, % от первой
2-я 3-я 4-я 5-я 6-я 7-я 9-я 11-я 13-я
5 2,8 3,7 1,2 2,4 0,8 0,9 0,6 0,4 0,3
3,6 4,4 1,4 2,5 0,7 1,1 0,8 0,5 0,4
3,2 4,2 1,4 3,2 0,7 1,0 0,7 0,5 0,4
3,2 3,8 1,2 3,9 0,5 1,2 0,5 0,6 0,4
2,8 3,5 1,1 3,7 0,7 1,0 0,6 0,4 0,3
2,5 1,9 0,7 2,8 0,7 1,4 0,3 0,6 0,4
20 6,9 5,1 2,4 4,3 1,6 1,3 1,0 0,6 0,3
7,2 12,3 5,4 5,7 1,7 1,1 0,9 0,4 0,3
4,6 9,8 1,6 5,4 1,3 1,8 0,9 0,4 0,3
6,4 7,2 1,8 5,7 1,8 2,7 1,2 0,6 0,4
4,4 7,9 0,6 6,3 0,8 2,1 0,8 0,7 0,5
100 2,3 3,3 1,2 3,2 0,6 1,6 0,9 0,5 0,6
2,6 3,6 1,4 3,0 0,8 0,8 0,4 0,5 0,5
2,5 3,8 1,4 3,6 0,6 1,8 1,0 0,6 0,6
2,1 5,3 1,4 3,8 0,5 1,9 0,9 0,6 0,4
1,5 2,0 0,5 3,2 0,5 0,6 0,3 0,5 0,4
0,8 0,6 0,6 1,6 0,2 0,4 0,3 0,4 0,5
0,7 0,6 0,2 1,6 0,2 0,2 0,3 0,4 0,5
200 0,9 2,9 0,3 2,4 0,2 1,8 0,7 0,4 0,2
1,8 5,2 0,6 2,8 0,3 1,9 0,5 0,8 0,3
3,9 5,6 1,0 3,2 0,8 2,1 1,1 0,7 0.2
2,8 6,2 0,9 3,4 0,7 2,2 0,8 0,7 0,2
1,5 2,1 0,3 3,9 0,2 1,9 0,4 0,6 0,2
1,7 2,4 0,3 3,2 0,2 1,9 0,6 0.6 0,3
1,7 2,2 0,5 2,8 0,7 1,3 0,4 0,4 0,2
23
ДА
100
.и
Ml
0 100 200 300 400 /Гц
б)
Рис. 2.3. Частотный спектр тока в период расплавления (а)
и период рафинирования (б)
На рис. 2.4 приведен график спектральной плотности колебаний токов
ДСП емкостью 150 т. На рис. 2.5 представлены диаграммы изменения напря-
жения на шинах ПО и 330 кВ подстанций металлургического завода, от кото-
рых питаются три ДСП емкостью 150 т. В табл. 2.4 указаны дозы фликера на-
пряжения на шинах НО и 330 кВ металлургического завода, замеренные с
помощью ’’фликерметра”.
Большие значения колебаний напряжения, создаваемых ДСП, работаю-
щих на переменном токе, привели к необходимости перевода этих печей на по-
стоянный ток, к развитию плазменных и дуговых вакуумных печей. На рис. 2.6
показана схема питания дуговой печи постоянного тока с элементами управле-
ния. Управление процессом плавки производится автоматически с помощью
контроллера тока и напряжения.
24
Таблица 2,4. Дозы фликера напряжения при работе четырех печей ДСП-150
металлургического завода
Номер измерения Режим работы ДСП Напряжение шин питания, кВ 'Иф.-ое-
1-я 2-я 3-я 4-я
1 Н Р Р Р НО 0,98
2 Н Н Р Р НО 0,78
3 д Р Р Р но 0,86
4 д Р Н Н но 0,74
5 н Р Н Р по 0,76
6 н Н Р - но 0,72
7 н Р Р Р 330 0,20
8 н Р Н Р 330 0,14
9 р Н Н н 330 0,13
10 н Р д р 330 0,15
Примечание: Н - печь не работала; Д - печь работала в режиме доводки; Р - печь рабо-
тала в режиме расплавления.
£(/), о. е.
1,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 /.Гц
Рис. 2.4. Спектральная плотность колебаний тока ДСП-150
25
Рис. 2.5. Диаграммы колебаний напряжения в сети 110 и 330 кВ
металлургического завода
Основным видом ЭМП, создаваемых дуговыми печами на постоянном
токе, являются высшие гармоники. Спектр высших гармоник, генерируемых
этими печами, зависит от схемы выпрямления и определяется по формуле
п = тк ± 1, (2.2)
где т - число фаз выпрямления; к - ряд натуральных чисел (к = 0, 1,2 ...).
вторичной цепи
Сглаживающий
реактор
Управляемый
выпрямитель
Трансформатор Управляемый п .
Графитовый
держатель электрода г
Тигель
Нижний
электрод
Токопровод
вторичной цепи
Контроллер тока Контроллер напряжения
Рис 2.6. Схема дуговой печи постоянного юка
В зависимости от мощности печей применяются шести- и двенадцати-
26
фазные схемы выпрямления. При шестифазных схемах генерируются 5,7,11 и
13-я гармоники, а при двенадцатифазных -11, 13, 23 и 25-я гармоники.
Действующее значение нечетных гармоник, генерируемых печами посто-
янного тока, можно определить по выражению (2.1).
К дуговым печам относят также дуговые плазменные установки и дуго-
вые нагреватели газов. Мощности этих установок находятся в пределах от 0,1
до 8 MB A, напряжение питания переменное: 0,38; 6 и 10 кВ. Наибольшее рас-
пространение имеют плазмотроны на постоянном токе с тиристорными источ-
никами питания. На рис. 2.7 приведена однолинейная схема питания плазмо-
трона с элементами управления. Полный КПД этих установок лежит в пределах
0,93...0,96, коэффициент мощности 0,92...0,95. Они генерируют в сеть высшие
гармоники тока, которые определяются по выражениям (2.1) - (2.2).
Рис. 2.7. Однолинейная схема питания плазмотрона с элементами управления:
В - выключатель; Тр - трансформатор тиристорного преобразователя;
ТТ - трансформаторы тока; УВ - управляемый выпрямитель; Lc- сглаживающий реактор;
П - плазмотрон; АРТД - автоматический регулятор тока дуги;
БИ - блок измерения; ФЗУ - формирователь закона управления;
БФИ - блок формирования управляющих импульсов;
УМ - усилитель мощности; СИФУ - система фазоимпульсного управления
выпрямителем; БТЗ - блок тиристорной защиты
Электрошлаковые печи (ЭШП). Они разделяются на одно-, двух- и
27
трехфазные. Мощности ЭШП от 0,5 до 10 MB A, напряжение питания перемен-
ное: 0,38; 6 и 10 кВ. На рис. 2.8 и 2.9 приведены однолинейные схемы питания
установок ЭШП. Режим работы ЭШП спокойный с постепенным уменьшением
потребляемого тока к концу процесса плавки. Однофазные и двухфазные печи
создают в сетях несимметрию напряжения величиной до 4 %.
а)
Рис. 2.8. Схемы однофазных установок ЭШП:
а - ’’электрод - поддон”; б - бифилярная с совместным движением электродов;
в - бифилярная с раздельным движением электродов:
1 - электрод; 2 - шлаковая ванна; 3 - капля расплавленного металла;
4 • кристаллизатор; 5 - слиток; 6 - жидкая металлическая ванна
Рис. 2.9. Схемы трехфазных установок ЭШП:
а - с тремя кристаллизаторами: б - с одним кристаллизатором
3 ~ 50 Гц
28
Индукционные электрические печи и установки. Индукционные печи
делятся на две разновидности: канальные и тигельные.
Канальные печи могут иметь одну или несколько индукционных единиц.
Мощность однофазной индукционной единицы от 50 до 1000 кВ-А. В печах
большой мощности применяются двухфазные, а также трехфазные индукцион-
ные единицы мощностью до 1500 кВ-А. Для канальных печей характерен полу-
непрерывный или непрерывный режим работы, поэтому они используются
главным образом для плавки цветных металлов (меди, алюминия, цинка и их
сплавов), в качестве разливочных печей в производстве цветного литья и мик-
серов для накопления, выравнивания состава и подогрева чугуна. Индукцион-
ные канальные печи изготовляются на емкости: от 0,5 до 35 т для плавки меди
и ее сплавов; от 0,2 до 40 т для плавки алюминия; от 0,4 до 150 т для плавки
цинка; от 0,5 до 250 т для плавки чугуна (в качестве миксеров). Мощности пе-
чей от 18 до 10000 кВ А. Напряжение питания переменное: 0,36; 6; 10 кВ.
На рис. 2.10 приведена схема включения индукционного канального миксера.
Графики нагрузки канальных печей с одной индукционной единицей со-
стоят из двух стадий: 1) плавки; 2) ожидания загрузки. Графики нагрузки ка-
нальных печей с несколькими индукционными единицами носят импульсный
характер.
Индукционные тигельные печи (ИТП) применяются: для плавки стали
емкостью от 0,06 до 6 т, мощность печей от 0,1 до 2,5 МВ-А; для плавки чугуна
емкостью от 1 до 60 т, мощность печей от 0,4 до 21 МВ-А; для плавки алюми-
ниевых сплавов емкостью от 0,4 до Ют, мощность печей от 0,2 до 2,5 МВ-А;
для плавки медных сплавов емкостью от 1 до 25 т, мощность печей от 0,35 до
3,3 МВ-А.
На рис. 2.11 приведена однолинейная схема ИТП.
Симметрирующее устройство необходимо для снижения несимметрии
токов и напряжений в точках подключения индукционных печей. Им снабжа-
ются все индукционные печи промышленной частоты мощностью 1000 и более
киловольт-ампер. Индукционные тигельные печи имеют очень низкий coscp, по-
этому для компенсации их реактивной мощности параллельно индуктору
включают конденсаторные батареи. Часть из них С включены постоянно, а дру-
гая С t - Сп (обычно 1/2 - 1/3 общей емкости) включаются с помощью электро-
магнитных контакторов К| - К„.
Печи для плавки стали работают на частоте от 500 до 10000 Гц с питани-
ем от машинных или тиристорных преобразователей, остальные печи работают
на частоте 50 Гц. Напряжение питания всех печей переменное: 0,36; 6 или
Ю кВ.
Тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ) имеют ряд преимуществ
Перед машинными: значительно меньшую массу на единицу мощности; луч-
щУю работоспособность при частичных или полных нагрузках, возможность
плавного изменения частоты в зависимости от режима плавки или нагрева, от-
сутствие вращающихся частей. Принципиальная схема силовой цепи ТПЧ по-
29
Индукционная
единицах® I
Индукционная
единица Хе2
Индукционная
единицах®}
Индукционная
единица №4
Рис. 2.10. Схема включения индукционного
канального миксера ИЧКМ-25М1:
ТП1 - ТП4 - электропечные трансформаторы ЭОМП-1600/10-72УЗ;
1ТН - 2ТН - трансформаторы напряжения; ITT - 8ТТ - трансформаторы тока;
V - вольтметр; А - амперметр; РМ1 - РМ4 - реле максимального тока.
Bl - В4 - выключатели; Cl - С80 - конденсаторы
30
казана на рис. 2.12. Выпрямительный блок / представляет собой трехфазный
мостовой управляемый выпрямитель, преобразующий переменный ток про-
мышленной частоты в постоянный ток, блок реакторов 2 осуществляет сглажи-
вание выпрямленного тока, инвертор 3 преобразует постоянный ток в перемен-
ный повышенной частоты. В данном ТПЧ применен двухтактный инвертор,
принцип действия которого основан на поочередном отпирании вентилей мос-
та, в результате чего в нагрузке (индукторе И) проходит переменный ток, час-
тота которого равна частоте коммутации управляемых вентилей инвертора.
Блок пуска БП обеспечивает запуск преобразователя.
Рис. 2.11. Однолинейная схема ИТП с симметрирующим устройством:
ПСН - переключатель ступеней напряжения; Сс, L - емкость и индуктивность симмет-
рирующего устройства; ПТ - печной трансформатор; TH - трансформатор напряжения;
И - индуктор; С - нерегулируемая конденсаторная батарея; С| - С„ - регулируемые кон-
денсаторные батареи; К| - Кя - контакторы; АРИС - автоматический регулятор симмет-
рирующего устройства; АРИР - автоматический регулятор режима печи
Рис. 2.12. Схема питания индукционной печи повышенной частоты:
БП - блок пуска; АВ - автоматический выключатель;
L - сглаживающий реактор; И - индуктор; Ск - конденсаторная батарея
31
Индукционные печи вносят в сеть следующие виды ЭМП: отклонения
напряжения, несимметрию токов и напряжений. Индукционные печи с не-
сколькими индукционными единицами создают, кроме того, колебания и про-
валы напряжения, а высокочастотные индукционные печи вносят в сеть неси-
нусоидальность токов и напряжений. Величина тока нечетных гармоник, гене-
рируемых этими установками, определяется по выражению
/(n)=Snp/(V3t/„OM4 (23)
При шестифазной схеме преобразователя они генерируют п = 5, 7, 11, 13.
Все индукционные печи обладают очень низким естественным коэффи-
циентом мощности, поэтому большинство индукционных печей выпускаются в
комплекте с конденсаторными батареями, а крупные индукционные печи - в
комплекте с симметрирующими устройствами.
Магнитодинамические насосы (МДН) и установки (МДУ). Дальней-
шим развитием индукционных канальных печей явились МДН и МДУ, которые
позволяют повысить эффективность плавки металла за счет электромагнитного
перемешивания и производить транспортировку и заливку металла с помощью
электромагнитных насосов.
Схемы питания трех МДУ при наличии у них двух электромагнитных
систем индукторов и двух электромагнитных систем электромагнитов приведе-
ны на рис. 2.13. В этих схемах за счет расчета и выбора оптимальных соотно-
шений величин и начальных фаз питающих электромагнитные системы напря-
жений,. а также включения особым образом симметрирующих и компенсирую-
щих емкостей удается уменьшить число трансформаторов от четырех до трех
(МДУ1, МДУ2) и даже двух (МДУЗ). Для каждой МДУ показаны автотранс-
форматоры ATI, АТ2, АТЗ, электромагнитные системы индукторов И1, И2,
электромагнитные системы электромагнитов Э1, Э2, регулируемые конденса-
торы С1 - СЗ и коммутирующие ключи К1 и К2. В схеме системы питания
МДУ1 автотрансформатор ATI предназначен для регулирования не только на-
пряжения на И1, но и начальных фаз и напряжений на Э1 и Э2. Второй авто-
трансформатор выполняет функции фазосдвигающего элемента для регулиро-
вания напряжений на Э1, Э2 и С1, третий служит для регулирования напряже-
ния на И2. Здесь величины и фазы напряжений для И1, И2 определяются из ус-
ловий обеспечения необходимой скорости подогрева металла в МДУ1. Отводы
автотрансформаторов, к которым подключаются электромагнитные системы
электромагнитов, обеспечивают необходимые величины и начальные фазы на-
пряжений на них, определяемые из условий необходимой производительности
МДУ1 при разливке металла. Мощности конденсаторных батарей Cl, С2, СЗ,
начальная фаза напряжения на С1 определяются из условий обеспечения сим-
метрии токов на входе системы питания МДУ1 и компенсации реактивной
мощности в различных режимах работы установки. Для усиления тепломассо-
обменных процессов в МДУ часто две электромагнитные системы индукторов
и электромагнитов включают параллельно. В этом случае целесообразно ис-
32
пользовать схему питания МДУ2, где И1 и И2 соединены параллельно, под-
ключены к отводам ATI и АТ2, а Э1 и Э2 также соединены параллельно и под-
ключены к отводам ATI и АТЗ. Конденсаторные батареи Cl - СЗ позволяют
осуществлять симметрирование токов и компенсацию реактивной мощности во
всех режимах работы МДУ2. Эта схема обладает большей гибкостью и легко
перестраивается в зависимости от параметров электромагнитных систем МДУ.
Рис. 2.13. Схемы питания трех МДУ
Схема питания МДУЗ обеспечивает параллельную одновременную или
раздельную работу электромагнитных систем установки при наличии двух ав-
тотрансформаторов и двух регулируемых конденсаторных батарей Cl, С2. на-
пряжения на которых могут изменяться по величине и фазе в широких преде-
лах.
Напряжение питания всех МДН и МДУ переменное - 380/220 В. Графики
нагрузки МДУ состоят из базисной части, создаваемой индукторами, на кото-
рую накладываются импульсы тока от электромагнита [4, 34]. Продолжитель-
ность импульсов, вносимых электромагнитом, составляет от 3 до 15 с. Основ-
ными видами ЭМП, генерируемых МДУ, являются отклонения, провалы, неси-
нусоидальность и несимметрия напряжения.
Индукционные нагревательные и закалочные установки. Для пита-
ния некоторых ЭТУ, например, предназначенных для индукционного нагрева и
закалки, требуются токи повышенной и высокой частоты от нескольких сотен
ГеРЦ до нескольких мегагерц.
33
Генерирование токов повышенной частоты от 250 Гц до 10 кГц при мощ-
ности до нескольких мегаватт в настоящее время во всех ведущих странах мира
осуществляется почти исключительно тиристорными преобразователями часто-
ты [8]. Благодаря более высокому КПД (0,92...0,97) (по сравнению с КПД при-
менявшихся ранее электромашинных преобразователей) достигается экономия
20...25 % электроэнергии.
Область частот от 10 до 100 кГц практически не использовалась из-за от-
сутствия приемлемых источников питания. Для генерирования частот выше
100 кГц до настоящего времени применяются ламповые генераторы мощно-
стью от нескольких сотен ватт до 600 кВт и выше [8].
Благодаря созданию новых полностью управляемых полупроводниковых
приборов, таких, как силовые полевые транзисторы (МДПТ) и силовые бипо-
лярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), сейчас имеются новые
возможности для разработки полупроводниковых преобразователей в диапазо-
не частот от 10 кГц до нескольких мегагерц. По сравнению с тиристорными
преобразователями частоты они имеют более низкие потери управления и до-
пускают более выгодные режимы работы. Преимуществами транзисторных
преобразователей перед ламповыми являются: более высокий КПД (более 90 %
у транзисторных, около 50 % у ’’классических” и 70 % у апериодических лам-
повых генераторов); меньшие размеры (от 1/3 до 1/10); почти неограниченный
срок службы силовых транзисторов (при сроке службы генераторных ламп от
4000 до 6000 часов); меньший расход охлаждающей воды; более низкие экс-
плуатационные расходы; низкое рабочее напряжение; постоянная готовность к
работе.
Тип полупроводникового прибора (тиристор, МДПТ или БТИЗ), схемное
решение и принцип управления в значительной мере определяют достижимую
частоту и КПД преобразователя частоты. Рис. 2.14 дает представление о часто-
тах и мощностях, достигнутых в настоящее время при использовании различ-
ных установок.
Л кГц
1000
100
Ламповые преобразователи
Преобразователи МДПТ |
10
[Преобразователи на БТИЗ)
Тиристорные преобразователи
1 10 100 1000 Р, кВт
Рис. 2.14, Рабочие области частоты и мощности генераторов
34
Свойства полупроводниковых приборов, применяемых в преобразовате-
лях частоты, оказывают влияние на выбор схемы и режима работы. От тири-
сторов, применение которых определяется главным образом временем выклю-
чения, силовые МДПТ и БТИЗ отличаются следующими свойствами:
- возможность выключить транзисторы непосредственно из активного ре-
жима позволяет реализовать работу инвертора как с емкостным, так и с индук-
тивным рассогласованием;
- неспособность силовых МДПТ и БТИЗ блокировать обратное напряжение
требует, если они не работают в резонансном режиме, последовательного
включения быстродействующего диода;
- использование внутреннего обратного диода МДПТ, встроенного в его
структуру, из-за низкого быстродействия не всегда возможно;
- высокие допустимые значения скорости нарастания тока dildt и напряже-
ния duldt обостряют проблемы защиты и влияния на питающую сеть;
- малое время переключения позволяет работать на высоких частотах.
Предпочтительными схемами для генерирования повышенной и высокой
частоты при помощи полупроводниковых приборов являются параллельные и
последовательные резонансные инверторы. Тиристорные инверторы могут ра-
ботать только с емкостным рассогласованием, транзисторные инверторы - так-
же с индуктивным рассогласованием и даже в резонансном режиме.
По большинству критериев отдать предпочтение следует параллельному
резонансному инвертору. Хотя регулирование его мощности требует дополни-
тельных затрат, он имеет преимущества по использованию силовых приборов и
поведению при аварии.
Для питания установок индукционного нагрева для сварки, отжига, за-
калки и специальных задач перспективными являются высокочастотные (ВЧ)
преобразователи на базе силовых МДПТ. Область их рабочих частот от 50 до
300 кГц при мощностях от нескольких до 1200 кВт.
На рис. 2.15 показана блок-схема ВЧ генератора с параллельным резо-
нансным инвертором на базе силовых МДПТ.
При мощностях до 100 кВт ВЧ преобразователи часто выполняются с не-
управляемым входным выпрямителем и транзисторным прерывателем посто-
янного тока во входной цепи (рис. 2.16). При этом для генерирования ВЧ коле-
баний используется двухтактная схема инвертора.
Расширяется использование для питания установок индукционного на-
Пэева для отжига, закалки и специальных задач ВЧ преобразователей на базе
силовых БТИЗ в области частот от 10 до 60 кГц при мощностях от 30 кВт до
нескольких сотен киловатт. На рис. 2.16 показана блок-схема такого ВЧ преоб-
разователя с параллельным инвертором на базе БТИЗ с регулированием мощ-
ности при помощи прерывателя постоянного тока на базе МДПТ во входной
Цепи. Управление и защита выполняются так же, как у ВЧ преобразователя на
базе силовых МДПТ.
Поскольку БТИЗ, как и МДПТ, являются управляемыми напряжением
полупроводниковыми приборами, затраты на управление транзисторным пре-
35
образователем частоты ниже, чем тиристорным. Ожидается, что параллельные
резонансные инверторы на базе БТИЗ заменят тиристорные преобразователи в
области частот выше 1000 Гц и скоро их будут применять при частотах
до 100 кГц. Возможность параллельного включения резонансных инверторов
позволяет достичь мощности нескольких мегаватт. Инвертор на базе МДПТ ох-
ватит область частот от 100 кГц до 1 МГц.
Фильтр
Защитное
Рис. 2.15. Блок-схема ВЧ транзисторного преобразователя для
индукционного нагрева на базе силовых МДПТ:
Д - драйвер; ТТ - трансформатор тока; TH - трансформатор напряжения;
УВ - управление выпрямителем; УЗ - управление защитой;
ПР - потенциальная развязка; ДЗТ - драйвер защитного тиристора;
ИП - источник питания; ИП и У - источник питания и управления;
СП - сигнальный процессор; Р - регулятор; УИ - управление инвертором;
Уйм - управляющие импульсы
36
Рис. 2.16. Блок-схема ВЧ транзисторного преобразователя для
индукционного нагрева на БТИЗ:
ГКл - главный ключ; ГК - главный контактор; Т - трансформатор;
В - выпрямитель; ТТ - трансформатор тока; TH - трансформатор напряжения;
И - инвертор; КЦ - колебательная цепь; ТСУ - трансформатор системы управления;
ВнБУ - внешний блок управления; ВБУ - внутренний блок управления
Разработка полупроводниковых ВЧ преобразователей частотой выше
1 МГц зависит от дальнейшего развития статических индукционных транзисто-
ров.
Тиристорные преобразователи частоты. Они применяются прежде все-
го для питания установок индукционного нагрева под горячую деформацию
(кузнечный нагрев) с частотой от 500 до 4000 Гц при мощностях от 60 до
1600 кВт и для питания индукционных установок закалки и отжига с частотой
Ю кГц и мощностью от 60 до 250 кВт.
Блок-схема ’’классического” тиристорного преобразователя частоты для
индукционного нагрева приведена на рис. 2.12.
При мощностях приблизительно до 500 кВт возможно прямое подключе-
ние преобразователя частоты к низковольтной питающей сети. Для больших
мощностей рекомендуется подключение через трансформатор к сети среднего
напряжения. Чтобы уменьшить влияние на питающую сеть, иногда применяют
цвенадцатифазные выпрямители. При подключении нескольких трансформато-
ров к одной сети группы соединения их обмоток могут быть выбраны таким
образом, чтобы получить двенадцатифазную схему. Для обеспечения европей-
ских стандартов защиты от радиопомех необходимы также сетевые входные
фильтры.
Регулирование режима преобразователя частоты может выполняться с
помощью микро-ЭВМ, которая часто используется для управления процессом.
37
Современные ламповые преобразователи (ЛП) для электротехнологиче-
ских процессов охватывают диапазон частот 0,44...27 МГц и диапазон мощно-
стей 20...2000 кВт. Обычно ламповый генератор (ЛГ) содержит линейную элек-
трическую цепь с нелинейным элементом (триод, тетрод или пентод). Приме-
нение схем с самовозбуждением дает наилучшие результаты при работе ЛГ на
ЭТУ.
Схемы ЛП содержат следующие основные элементы: лампу, колебатель-
ный контур, цепь обратной связи. Блок-схема ВЧ ЛГ (рис. 2.17) состоит из че-
тырех блоков: анодного трансформатора 7, управляемого анодного выпрямите-
ля 2, лампового генератора 3 и нагревательного контура 4.
Рис. 2.17. Блок-схема ВЧ лампового генератора
Основной ЭМП, вносимой индукционными нагревательными и закалоч-
ными установками, является несинусоидальность тока и напряжения. Кроме то-
го, данные установки создают помехи излучения.
Установки нагрева методом электрического сопротивления. Они бы-
вают косвенного и прямого нагрева.
Установки косвенного нагрева в большинстве случаев получают питание
непосредственно от цеховой сети напряжением 0,22 или 0,38 кВ. Регулировоч-
ные трансформаторы и автотрансформаторы применяются, когда необходимо
изменять подаваемое на нагреватели напряжение, например, при карборундо-
вых, молибденовых, вольфрамовых и угольных нагревателях, а также в соля-
ных ваннах. Мощность электрических печей сопротивления косвенного нагре-
ва от 50 до 600 кВт для плавки цветных металлов и от 5 до 10000 кВт для тер-
мообработки, причем такие печи небольшой мощности однофазные, а средней
и большой мощности трехфазные и с несколькими зонами нагрева (рис. 2.18).
Для плавного и непрерывного регулирования температуры в высокотем-
пературных и прецизионных печах применяют тиристорные источники пита-
ния.
38
Рис. 2.18. Принципиальная схема главных цепей
двухзонной печи сопротивления
В одно- и трехфазных источниках питания принята встречно-
параллельная схема включения тиристоров. Использование в трехфазных ис-
точниках встречно-параллельного соединения тиристоров в каждой фазе при
соединении нагрузки по схеме звезда с выведенным нулем и треугольник обес-
печивает независимую работу фаз.
Тиристорные источники питания можно разделить на две группы: непре-
рывные - тиристорные управляемые источники питания (ТУИП) и релейные-
тиристорные переключатели.
Тиристорные источники питания выполняются однофазными типа РНТО
на выходные токи 63, 250 и 630 А и трехфазными типа РНТТ на выходные токи
3x63, ЗхЮО, 3x160,3x250,3x600 А. Напряжение 380 В. Мощность однофазных
ТУИП типа РНТО от 12 до 200 кВт, трехфазных типа РНТТ от 35 до 590 кВт.
Принципиальная схема питания печи от тиристорного трехфазного
ТУИП типа РНТТ показана на рис. 2.19.
Мощность установок нагрева методом электрического сопротивления
прямого действия составляет от 60 до 600 кВ-А, напряжение питания 0,38 кВ.
Они являются однофазными ЭП.
Однофазные установки нагрева методом электрического сопротивления
создают несимметрию напряжения, а установки с тиристорными источниками
питания - высшие гармоники тока и напряжения.
Установки электронно-лучевого нагрева. Они применяются для полу-
чения слитков и отливок высококачественных тугоплавких и активных метал-
лов и сплавов. Мощности электронно-лучевых печей составляют от 50 до
1000 кВт. Источник питания состоит из повышающего трансформатора и пре-
образователя переменного тока в постоянный напряжением 30...50 кВ, питание
печей переменное: 380,600 или 10000 В [10].
Установки диэлектрического нагрева. Диэлектрический нагрев являет-
ся специальным видом нагрева непроводниковых материалов, обеспечивающий
39
высокую размерность нагрева в результате проникновения переменного элек-
тромагнитного поля рабочего конденсатора в материал. Диэлектрический на-
грев используется в различных отраслях промышленности для подогрева пла-
стических масс перед прессованием, ВЧ сварки пластикатов и различных син-
тетических пленок, склейки древесины, сушки различных материалов и т.д. Ос-
новные установки для диэлектрического нагрева выпускаются с диапазоном
рабочих частот 5...80 МГц и требуют создания специальных источников пита-
ния, генерирующих столь высокую частоту. Такими источниками питания
обычно являются ЛГ. Мощности установок диэлектрического нагрева колеб-
лются в широких пределах - от сотен ватт до сотен киловатт. Нагрузка этих ис-
точников - ВЧ нагревательное устройство - представляет собой активно-
емкостную нагрузку, добротность которой обычно велика и может достигать
нескольких сотен. Это объясняется как низким значением тангенса угла потерь
tgS в диэлектрике, так и большими собственными емкостями камер нагрева-
тельных устройств.
-380/220,50 Гц
Рис. 2.19. Принципиальная схема печи сопротивления
с тиристорным источником питания:
ТУИП - тиристорный управляемый источник питания; БП - блок питания;
ПУ - пульт управления; БФУ - блок фазового управления: БУТ - блок
управления тиристорами
В настоящее время все больше развивается такая разновидность диэлек-
трического нагрева, как сверхвысокочастотный нагрев. Частоты, применяемые
для этого вида нагрева, обычно лежат в пределах 1...5 ГГц. Источники питания
указанных установок, используемые в индукционном и диэлектрическом нагре-
ве, но построенные не на обычных электронных лампах, а на специальных ва-
куумных приборах (магнетронах, клистронах и т.д.), близки к ЛГ.
Генераторы для нагрева диэлектриков и полупроводников состоят в ос-
новном из тех же узлов, что и ЛГ для индукционного нагрева металлических
40
изделий. Отличие заключается в том, что нагрузкой является рабочий конден-
сатор, в котором находится нагреваемый материал. На рис. 2.20 показана схемг
генератора, в колебательный контур которого включен конденсатор с нагревае-
мым материалом, при этом частота колебательного контура ЛГ, Гц, определя-
ется по формуле
—L=.
Для того чтобы генератор в течение всего режима нагрева работал в не-
изменном диапазоне частот, нужно поддерживать неизменным эквивалентное
сопротивление колебательного контура. Это достигается специальным регули-
рованием, получившим название согласования нагрузки. На практике приме-
няются разнообразные схемы колебательной системы с обеспечением самовоз-
буждения. Выбор схемы зависит главным образом от необходимой частоты ав-
токолебаний и требований к ее стабильности.
Рис. 2.20. Принципиальная схема генератора для диэлектрического нагрева:
Lp - разделительный дроссель; Ср - разделительная емкость;
Сн - нагрузочная емкость; L - катушка связи
Одноконтурные схемы чаще всего используются для генерирования ко-
лебаний с частотой до 1 МГц. В этих схемах применяется, как правило, транс-
форматорная или автотрансформаторная связь.
Более гибкими являются многоконтурные схемы автогенераторов. Они
позволяют плавно регулировать эквивалентное сопротивление контура без за-
метного падения его КПД.
2.3. ЭМП, генерируемые электросварочными установками
Электросварочные установки (ЭСУ) при своей работе создают помехи
излучения и помехи проводимости. Электромагнитные помехи излучения ле-
жат в диапазоне средних и высоких частот и для расстояний / = 300. ..1610 м
пропорциональны Г1,5 [39]. Излучаемый спектр концентрируется в одной из
трех областей частот: 750 кГц, 3 или 20 МГц.
Помехи проводимости, вызываемые ЭСУ, можно разделить: на техноло-
гические, создаваемые за счет резкопеременного режима работы, к ним отно-
41
сятся колебания и провалы напряжения; электротехнические, определяемые
видом ЭСУ, их систем управления и коммутации, к ним относятся несинусои-
дальность и несимметрия напряжений; структурно-технологические, зависящие
от состава ЭСУ в группах и их коммутации; структурно-составные, характери-
зующиеся взаимовлиянием помех друг на друга.
По своему характеру ЭМП проводимости, создаваемые ЭСУ, можно раз-
делить на два вида: детерминированные и случайные. Отдельные ЭСУ могут
создавать детерминированные или случайные ЭМП, а группы ЭСУ - случайные
ЭМП.
Импульсный характер графиков нагрузки машин контактной сварки при-
водит к появлению в огибающей напряжения провалов. Форма провалов на-
пряжения (ПН) зависит от формы индивидуальных импульсов тока сварки, ко-
торые определяются способом включения ЭСУ. Электросварочные установки
могут включаться с помощью асинхронных тиристорных контакторов. В общем
случае, когда угол открытия тиристоров не равен углу нагрузки (а*ф),
при включении возникает ток переходного процесса. Этот ток состоит из уста-
новившегося синусоидального iy и свободного /св тока, меняющегося по экспо-
ненте, т.е.
’« = ’у +'« = 4 sin(“f + а- ф) + А ехр(- t/т),
где 1т - амплитудное значение тока; А - значение свободного тока в момент
включения; т - постоянная времени активно-индуктивной цепи.
В момент включения ток в цепи с индуктивностью должен быть равен
нулю, тогда
А = -Im sin(a- ф). (2.4)
Из (2.4) видно, что при a = (р и А = 0 ток сразу принимает установившее-
ся значение
/у = /msin(®t).
Включение контакторов с углами a > ф обеспечивается синхронными
контакторами. В асинхронных контакторах момент включения может меняться
в процессе работы машины и возможны случаи, когда a > ф или даже a » 0.
При 0 < a < ф величина А приобретает положительное значение, и поскольку
свободный ток существует во время, равное Зт, то все это время наблюдается
асимметрия в форме тока.
Таким образом, при синхронных контакторах сварочные машины создают
импульсы тока в виде отрезков синусоид с постоянной амплитудой (рис.
2.21, а), а при асинхронных контакторах наряду с импульсами с постоянной
амплитудой наблюдаются импульсы с амплитудой, затухающей по экспоненте
(рис. 2.21, в). На рис. 2.21 приведены также формы ПН, которые создают ЭСУ
при синхронных (рис. 2.21, б) и асинхронных (рис. 2.21, г) тиристорных контак-
торах. Каждый ПН характеризуется двумя размахами напряжения, причем дли-
42
тельность размахов напряжения для ПН любой формы составляет 0,02 с. Малая
длительность Д/р позволяет допустить, что при синхронном включении форма
ПН будет прямоугольная, а при асинхронном - зависеть от длительности им-
пульса тока.
Последовательность ПН, создаваемых отдельными ЭСУ, может носить
периодический, цикличный или случайный характер.
Периодическую последовательность ПН создают ЭСУ, работающие в ав-
томатических сварочных линиях, и сварочные роботы. Эти последовательности
ПН в зависимости от числа одновременно свариваемых точек могут быть трех
видов: 1) отдельных ПН (рис. 2.22, л); 2) групп ПН (рис. 2.22, б); 3) комплексов
групп ПН (рис. 2.22, в). Количество ПН в группах и групп в комплексах, а так-
же периоды следования ПН (7), группы (Гг) и комплексов (Тк), расстояния меж-
ду ПН (Д rj и их длительности (Дгп) постоянны. Расстояния между ПН, груп-
пами ПН и комплексами групп ПН определяются временем смены деталей и
перемещения инструмента, а длительность - технологией и режимом работы
ЭСУ.
Для циклических последовательностей ПН характерно случайное изме-
нение расстояния между ПН в группах и между группами (рис. 2.22, г). Такие
последовательности ПН имеют ЭСУ, работающие в полуавтоматическом ре-
жиме при наличии ручных операций установки и снятия деталей.
Случайные последовательности ПН характеризуются случайными изме-
нениями их характеристик: размахов 5(7П, длительностей Дгп/, периодов сле-
дования (Ту, Тг/, Гк/) и др. Случайные последовательности ПН подразделяются
на основные группы [5]:
1) случайные последовательности отдельных ПН (работа большинства
ЭСУ в неавтоматическом режиме: подвесные и стационарные точечные сва-
рочные машины);
2) случайные последовательности групп ПН (многоточечные сварочные
машины);
3) случайные последовательности комплексов групп ПН (работа стацио-
нарных и подвесных одноточечных машин при перемещении изделия или ин-
струмента, полуавтоматические сварочно-сборочные линии).
Распределение расстояний между провалами, группами и комплексами
групп ПН для различных ручных операций хорошо согласуется с экспоненци-
альным законом распределения [5]
= МД,Г'еХр[-(Д/-Д/™п)/Л/М при
|р при Af <A/min.
43
I
Рис. 2.21. Формы провалов напряжения при асинхронных
и синхронных тиристорных контакторах
44
г)
Рис. 2.22. Виды провалов напряжения, создаваемых
электросварочными установками
К основным свойствам случайных последовательностей ПН следует от-
нести стационарность, ординарность и последействие. В силу установившегося
характера технологического процесса цехов с ЭСУ индивидуальные графики
45
случайных ПН обладают свойством стационарности и ординарности [5]. Наи-
большее последействие имеют периодические индивидуальные графики ПН.
Глубина ПН определяется мощностью сварочной машины и источника
питания, а также параметрами питающей сети. Машины точечной и рельефной
сварки создают ПН до 7 %. Наибольшую глубину ПН образуют стыковые и
многоточечные машины - до 19 %. Длительность ПН зависит от видов ЭСУ и
свариваемого металла (толщины и марки). Точечные, рельефные, многоточеч-
ные и шовные сварочные машины создают ПН длительностью от 0,02 до 1,0 с,
стыковые сварочные машины - от 0,2 до 20 с, а дуговые сварочные установки -
от 5 до 600 с (табл. 2.5).
Таблица 2.5. Параметры провалов напряжения, создаваемых отдельными
сварочными установками
Тип сварочных машин Мощность, кВ А Глубина провала, % Длительность провала, с dt7/d/, %/с Средняя частота провалов напряжения, Гц
Точечные:
подвесные 75 3,0 0,14 150 1,7...2,0
150 6,1 0,26 300 1,7...2,0
стационарные 75 1,2 0,18 360 0,8...1,0
200 3,9 0,52 195 0,7... 1,0
рельефные 150 3,6 1,24 180 1,5
300 11,2 1,24 550 1,2
Шовные 150 2,0 0,14 100 5,0
Стыковые 750 13 0,7 650 0,08
100 1,2 2,6 60 0,07
Многоточечные 5x63 3x150 16,3 0,36 815 0,03
Автоматическая 4x8x63 11 0,32 550 0,05
линия
Дуговые 60 1,0 27 50 0,016
На рис. 2.23 приведены характеристики ПН отдельных сварочных машин,
а на рис. 2.24 - шинопроводов, питающих различные сварочные машины.
Средняя частота ПН
fa.=n/T, (2.5)
где п - число ПН за интервал времени Т (с, мин, ч).
Средняя частота размахов напряжения
/Р.с=2/П.с. (2.6)
В настоящее время большое число машин контактной сварки снабжается
регулируемыми тиристорными контакторами. Большое распространение полу-
46
чили также сварочные машины постоянного тока и установки дуговой сварки
постоянного тока.
fl)
б)
Рис. 2.23. Зависимости вероятности, частоты и
средней длительности провалов напряжения от уровня UK:
а - подвесные сварочные машины; б - стационарные и многоточечные машины
47
Рис. 2.24. Спектральная плотность колебаний напряжения шинопроводов:
/ - группа стыковых машин; 2 - группа стационарных сварочных машин;
3 - группа подвесных сварочных машин
Токи отдельных гармоник машин контактной сварки можно определить
по формуле
Ал)эф = 4^пасп^зс'У^®Ф с /П ^ном ’ (2.7)
где 5пасп - паспортная мощность ЭСУ; КЗС9 ПВфс - среднестатистические
коэффициенты загрузки и фактической продолжительности включения
(определяются по данным [5]).
Здесь определяющими являются 3, 5 и 7-я гармоники.
Сварочные машины постоянного тока и сварочные выпрямители, имею-
щие трехфазную мостовую схему выпрямления, генерируют 5, 7 и 11-ю гармо-
ники. Токи отдельных гармоник для них определяются по выражению
7(«)эф ““ *^пасп ном • (2*8)
В табл. 2.6, 2.7 приведены уровни гармоник тока и напряжения, генери-
руемых различными ЭСУ и на шинах питающих подстанций.
Все ЭСУ, как правило, являются однофазными потребителями электро-
энергии. Равномерное распределение их по парам фаз трехфазной сети не все-
гда удается, особенно при наличии крупных сварочных машин, кроме того,
сварочные машины включаются в случайном порядке. Поэтому в трехфазной
сети с ЭСУ возникает несимметрия токов, которая приводит к несимметрии на-
пряжения; наряду с системой прямой последовательности напряжений появля-
ются составляющие обратной и нулевой последовательностей.
Характер и величина несимметрии в цеховой сети низкого напряжения
зависят от схемы соединений обмоток цеховых трансформаторов, типа сети
низкого напряжения и параметров ее элементов. Цеховые трансформаторы в
48
настоящее время выпускаются со схемой соединения обмоток Д/Уо. Все ЭСУ
включаются на линейное напряжение. При отсутствии ЭП, включенных на фаз-
ное напряжение, несимметрия токов и напряжений обусловлена лишь наличием
составляющих обратной последовательности и характеризуется величиной ко-
эффициента несимметрии.
Таблица 2.6. Значения гармонических составляющих
Номер гармоники Пределы изменения амплитуд гармо- ник тока, % амплитуды суммарного тока Пределы изменения амплитуд гармо- ник напряжения, % амплитуды суммарного напряжения
одноточечные многоточечные одноточечные многоточечные
1 60...94 70...96 94...99 94...99
2 0,3...5,0 0,1...4 0.05... 1,0 0,08...0,8
3 12...30 4...26 1.3,5 1 ...2,5
4 0,2...3,0 0,08...3 0,02. .0,7 0,01...0,8
5 4...15 3...10 0,7...2 0,4...2,3
6 0,2...0,25 0,07...2,2 0,02...0,4 0,03...0,75
7 2...8 1,3...5 0,4... 2 0,2...1,6
8 0,2...2 0,07... 1,5 0,02...0,3 0,07... 1,5
9 1...5 1,1...5 0,02... 1,5 0,4...1,1
10 0,1...1,5 0,07... 1,3 0,03...0,3 0,04... 0,5
11 0,3...2,5 0,6...4 0,2...1,2 0,2... 0,8
Коэффициент несимметрии напряжения в сварочных сетях колеблется от
1 до 5 %, что превышает норму 2 %, указанную в ГОСТ 13109-97. Однако
большие значения коэффициента несимметрии кратковременны (до 1,0 с) и с
большими паузами между ними (до нескольких минут), кроме того, они возни-
кают только при наличии машин с 5ПЯГП > 500 кВА.
х ПаСП
Поэтому при проектировании схем электроснабжения для питания ЭСУ
применение специальных симметрирующих устройств должно быть экономи-
чески обосновано, так как влияние несимметрии напряжения на нагрев элек-
тродвигателей практически сказываться не будет. Несимметрия напряжения,
вызываемая сварочной нагрузкой, может повлиять на системы управления и ав-
томатики ЭСУ и других производственных механизмов.
Как отмечено выше, ЭСУ могут включаться в работу с помощью асин-
хронных тиристорных контакторов. При этом на периодический импульс тока
накладывается апериодическая составляющая. При асинхронном включении
амплитудное значение переходного тока может достигать 21т. Длительность
переходного процесса от 3 до 6 периодов, вероятность возникновения аперио-
дических бросков тока при сварке достигает 20 % от числа сварочных точек.
При асинхронных тиристорных контакторах большие броски переходных
токов наблюдаются также, если имеется разброс характеристик тиристоров в
49
контакторе. Большие значения переходных токов приводят к увеличению ам-
плитуды ПН и дополнительному искажению синусоиды напряжения за счет по-
явления в токе постоянной составляющей и четных гармоник.
Таблица 2.7. Значения тока и напряжения отдельных гармоник
Номер гармоники ГПП ТП КБ
/,% и, % /,% 1/,% /,% (/,%
1 100 100 100 100 100 100
2 4,0 1,7 6,4 4,3 3.0 3,6
3 12,8 2,1 13,7 2,57 3.6 2,0
4 2,4 1,7 3,7 1,5 1.6 1,6
5 12,1 1,2 10,3 2,0 8.9 1,6
6 1,9 1,2 2,2 1,05 2.2 1,1
7 3,2 1,0 2,6 1,3 4.9 1,3
8 1,4 0,9 1,5 0,47 1.7 0,6
9 1,8 0,7 1,2 0,52 3.8 0,6
10 1,1 0,6 0,8 0,42 2.9 0,4
11 0,9 0,6 0,8 0,43 7.2 0,7
12 0,9 0,7 0,8 0,42 2.9 0,4
13 0,7 0,5 0,6 0,45 5.3 0,5
14 0,7 0,3 0,6 0,42 2,6 0,4
15 0,7 0,4 0,6 0,35 2.8 0,4
16 0,8 0,3 0,4 0,33 2.2 0,4
17 0,6 0,3 0,4 0,36 2.2 0,4
Коэффициент ис- кажения, % 19,0 4,2 19,2 6,0 16,4 5,3
Примечание: ГПП - главная понизительная подстанция; ТП - трансформаторная под-
станция; КБ - конденсаторная батарея.
Для контактной сварки крупногабаритных изделий из легированной ста-
ли, жаропрочных и титановых сплавов применяются сварочные машины посто-
янного тока (рис. 2.25).
Для дуговой электросварки также могут применяться источники питания
переменного и постоянного тока. В табл. 2.8 показаны области применения ис-
точников питания дуговой сварки, а на рис. 2.26, 2.27 - схемы некоторых ис-
точников питания дуговой сварки. Дуговые сварочные установки генерируют
гармоники тока 3, 5 и 7-го порядков. Однофазные установки создают несим-
метрию токов и напряжений.
Мощности машин контактной сварки от 10 до 1000 кВ-А, автоматические
сварочные линии для сварки кузовов автомобилей, вагонов, тракторов и т.д.
имеют установленные мощности сварочных машин от 500 до 20000 кВА. На-
пряжение питания 380 В.
Мощности дуговых сварочных установок находятся в пределах
от 10 до 200 кВА, напряжение питания 220 или 380 В.
50
Рис. 2.25. Схема главных цепей шовной сварочной
машины постоянного тока:
QF - автоматический выключатель; VS1 - VS3 - тиристорные контакторы;
Т - сварочный трансформатор; VD1 - VD3 - выпрямительные блоки
Рис. 2.26. Схема главных цепей выпрямителя с вольтодобавочными
трансформаторами для питания дуговой сварки:
PH - регулятор напряжения; В - выпрямитель,
ВДТ - вольтодобавочный трансформатор
51
Рис. 2.27 Схема источников питания дуговой сварки
алюминиевых и магниевых сплавов.
В - выпрямитель; PH - регулятор напряжения;
Т - силовой трансформатор
Таблица 2.8. Области применения источников питания дуги
Род тока Источник питания Внешняя характе- ристика Область применения
Переменный Трансформаторы пере- менного тока промыш- ленной частоты Падающая Ручная дуговая сварка, сварка под флюсом в среде защитных газов алюминие- вых сплавов
Передвижные агрегаты с генератором повышен- ной частоты (400. 500 Гц) Падающая Ручная дуговая сварка
Постоянный Электромашинные пре- образователи, выпрями- тели, передвижные агре- гаты с генераторами по- стоянного тока Падающая Ручная дуговая сварка под флюсом в защитных газах неплавящимся электродом
Пологопадающая Механизированная сварка в среде защитных тазов пла- вящимся электродом, свар- ка под флюсом
52
2.4. ЭМП, создаваемые электрохимическими установками
Электрохимические установки при своей работе являются источниками
высших гармоник. Основными методами электрохимической обработки и по-
лучения материалов являются: электролиз, гальванотехника, размерная элек-
трохимическая обработка.
Электролизные установки. Наиболее мощными и энергоемкими потре-
бителями постоянного тока являются установки для электролитического полу-
чения алюминия, магния, цинка, никеля, меди, хлора, водорода, натрия и азоти-
стых веществ. Электролиз алюминия, магния и металлического натрия пред-
ставляет собой электролиз расплавленных солей. Остальные из перечисленных
элементов получаются в результате электролиза водных растворов. Обычно
электролизная установка состоит из группы последовательно соединенных
электролизеров (электролизных ванн), называемой серией. Примерные пара-
метры (выпрямленные напряжения и ток) применяемых серий электролиза при-
ведены в табл. 2.9. В качестве выпрямительных агрегатов для электролизных
установок используются полупроводниковые агрегаты на выпрямленный ток
12500 и 25000 А мощностью от 10 до 40 MB A, которые питаются на напряже-
нии £7ПИТ, равном 6, 10 и 35 кВ. В состав данных агрегатов входят: 1) силовой
трансформатор; 2) блок уравнивающих дросселей; 3) блок дросселей насыще-
ния; 4) блок полупроводниковых выпрямителей.
Таблица 2.9. Параметры электролизных процессов
Продукт электролиза (Л,В /=,А
Алюминий 450,825, 850 <200
Магний 450,600 <120
Цинк 300,450,600, 850 <25
Никель 230,300,450 <18
Медь 230,300 <21
Хлор 230,300,450 <100
Водород 450 <10
При напряжении электролизных установок 75, 115 и 150 В применяются
выпрямительные агрегаты на тиристорах. Они выпускаются на мощность
от 4000 до 25000 кВ-А с выпрямленным током от 12500 до 50000 А.
Источники питания электролизных установок должны отвечать следую-
щим требованиям:
1) высокая точность регулирования силы тока (колебание силы тока в се-
рии не должно превышать ±1 % установленного значения при электролизе алю-
миния, ±2 % - при электролизе других расплавленных растворов);
2) плавное регулирование напряжения (это вызывается необходимостью
точной стабилизации силы тока серии с большой противо-ЭДС);
3) большая надежность, соответствующая требованиям потребителя пер-
53
a)
б)
Рис. 2.28. Принципиальные схемы тиристорного источника питания установок РЭХО:
а - схема с использованием тиристоров на первичной стороне силового трансформатора;
б - схема с использованием тиристоров в разрыве нейтрали
звезда на первичной стороне трансформатора;
Т - тиристоры; Тр1, Тр2 - силовые трансформаторы; В - неуправляемый выпрямитель;
Др - дроссель; МЭП - межэлектродный промежуток;
1 - резистор, 2,4 - блоки управления тиристорами; 3 - сигнал обратной связи
54
вой категории;
4) многофазность выпрямления для снижения пульсаций тока.
Графики нагрузки, создаваемые электролизными установками, носят не-
прерывный спокойный характер. Коэффициент мощности электролизных уста-
новок составляет 0,92...0,94 при нерегулируемых преобразователях, 0,81...0,94
- при регулировании с помощью дросселей насыщения и 0,6...0,9 - при им-
пульсно-фазовом регулировании. КПД электролизных установок 0,7.. .0,97.
Все электролизные установки вносят в сеть высшие гармоники тока. В
зависимости от схемы выпрямления электролизные установки генерируют сле-
дующие гармоники тока: 5, 7, 11 и 13-ю при шестифазной схеме; 11, 13, 23 и
25-ю при двенадцатифазной схеме.
Электролизные установки гальванотехники потребляют постоянный ток
силой 100... 10000 А при напряжении 6...48 В. В качестве источников питания
гальванических ванн используются кремниевые выпрямительные агрегаты. В
настоящее время применяются агрегаты, мощности которых составляют
2...300 кВА, напряжение питания преобразователей переменное - 380 В.
Установки размерной электрохимической обработки материалов.
Под размерной электрохимической обработкой (РЭХО) понимают процесс по-
лучения из заготовки детали требуемой формы и размеров за счет анодного
растворения металла. Существуют несколько основных способов РЭХО:
1) обработка с неподвижными электродами, при этом способе получают
местные облегчения в деталях, отверстия в листовых материалах, наносят ин-
формацию, удаляют заусенцы, скругляют острые кромки;
2) прошивание углублений, полостей, отверстий;
3) точение наружных и внутренних поверхностей;
4) протягивание наружных и внутренних поверхностей в заготовках,
имеющих предварительно обработанные поверхности (чистовая обработка ци-
линдрических отверстий, нарезание резьб, шлицев, винтовых канавок);
5) разрезание заготовок (изготовление пазов, щелей, подрезка нежестких
деталей);
6) шлифование (изготовление пакетов пластин из магнитомягких мате-
риалов, а также деталей из вязких и прочих сплавов).
В качестве источников питания при РЭХО используются полупроводни-
ковые преобразователи (рис. 2.28).
Установки РЭХО генерируют в сеть высшие гармоники, порядок которых
зависит от схемы выпрямления.
55
2.5. ЭМП, создаваемые электроприемниками с электродвигателями
Наибольшее распространение на промышленных предприятиях имеют
ЭП с асинхронными двигателями (АД) с короткозамкнутым ротором. В момент
пуска заторможенного АД он потребляет пусковой ток (содержащий апериоди-
ческую составляющую) /п = А?п/номд = 5...7,5 - коэффициент пуска). При
пуске в огибающей напряжения возникает ПН сложной формы (рис. 2.29). Пер-
вый размах изменения напряжения 8С7Н объясняется наличием апериодической
составляющей в токе, когда сопротивление АД равно пусковому. Она доста-
точно быстро затухает, поэтому Д/, мала. Величина размаха bUt2 зависит от
момента включения, предвключенного сопротивления и кратности пускового
тока. Провал напряжения 8С/П1 (равный 8С/п1 =6l/d-6Ц2 =/ноидАГпгэкв) по
мере разворота двигателя уменьшается до 8(7п2. Разница 8С/п1 -8t/n2 и дли-
тельность разгона Аг2 определяются Кп, суммарным маховым моментом и за-
висимостью момента сопротивления приводного механизма от скорости. В
конце разгона ток быстро спадает до нагрузочного и остается падение напря-
жения в нагрузочном режиме 8t/p. Обычно А/, «А/2, поэтому можно опери-
ровать эквивалентной глубиной ПН:
srr -8t7n.-*-5^n2 ... '’«.A
и<уп.э ~ ~ “Ъкв /Т гт ’
2 t/HOM C°S<P
где Un3 - провал напряжения, создаваемый приводным электродвигателем.
Рис. 2.29. Форма провала напряжения при пуске
асинхронного двигателя
Электродвигатели являются практически линейной нагрузкой. Работа АД
56
в составе отдельных ЭП (пресс, привод инструмента в станках автоматических
линий и др.) сопровождается появлением ПН. При периодическом пуске и ос-
танове параметры провалов определяются, как указано выше. Если нагрузка на
работающий двигатель возрастает от К3\ до Кз2, то глубина провала
^(^2-^3.)
6^n = Z3KB
V3t/„OMcos<p
где К3 - коэффициент загрузки, т.е. зависит от величины наброса тока, а дли-
тельность спада и нарастания напряжения определяется характером изменения
нагрузки на валу двигателя. Часто ПН можно считать элементарным.
Рассмотрим параметры ПН, создаваемых характерными ЭП с АД.
Прокатные станы. На рис. 2.30 представлена схема прокатного произ-
водства с основными видами прокатных станов, а на рис. 2.31 - схемы электро-
снабжения некоторых прокатных станов. В качестве электроприводов прокат-
ных станов используются асинхронные, синхронные и двигатели постоянного
тока. Прокатные станы создают следующие виды ЭМП:
1)с асинхронными и синхронными электродвигателями - колебания и
провалы напряжения;
2) с преобразователями тока - колебания, провалы и несинусоидальность
напряжения.
ICDLO №2...5 05 10 мм 0.2. 0.35 мм
Рис. 2.30. Схема прокатного производства
57
6700 6700 2x1850
Вспомогательные механизмы,
Главные приводы
общецеховые нагрузки
Главные приводы
Рис. 2.31. Схемы электроснабжения слябинга 1250 (а)
и тонколистового стана 2000 горячего проката (б)
На рис. 2.32 приведены осциллограммы изменения тока и напряжения на
шинах, питающих прокатный стан, а на рис. 2.33 - диаграмма уровней и прова-
лов напряжения на шинах 6 кВ.
Состав гармоник тока, генерируемых прокатными станами, питающими-
ся от тиристорных преобразователей, зависит от фазности применяемых пре-
образователей. Имеются шести- и двенадцатифазные схемы. Номера гармоник
тока и их величину можно определять по выражениям (2.1), (2.2).
В табл. 2.10 показаны пределы изменения ЭМП, создаваемых различны-
ми типами прокатных станов [6, 19. 27].
Таблица 2.10, Электромагнитные помехи, создаваемые прокатными станами
на шинах 6,10 кВ
Виды станов 5t/,% 5GT,,% %
Листовые горячей прокат- ки -10...+5 1 ..2 4...14
Блюминги, слябинги, реверсивные станы холодной прокатки -10..+5 5 20 10 30
Нереверсивные станы холодной прокатки -10 +5 10 .30 -
58
(/,
кВ
7,0
Рис. 2.32. Осциллограммы токов и напряжений прокатных станов
-----------------------------1------------1--------------к
10 И 12 13 14
15 16
Рис. 2.33. Диаграмма уровней напряжения на шинах 6 кВ распределительного п> нкча.
питающего прокатные станы:
® - посадки напряжения при пуске прокатых станов
59
Прессы. Параметры ПН от кривошипных прессов во многом определя-
ются массой маховика и практически не зависят от вида изготавливаемых дета-
лей. Функциональной связи между усилием и глубиной провала нет.
Максимальный размах ПН при работе прессов достигает 1... 1,8 %, часто-
та следования ПН до 0,2 Гц. Автоматические прессовые линии создают ПН глу-
биной до 5 % при частоте до 0,17 Гц (табл. 2.11 и рис. 2.34).
Таблица 2,11. Параметры ПН, создаваемых прессами
Усилие, т Мощность привода, кВт Параметры ПН
8t/n,% Д/и с Д/2, с Д/,, с Средняя частота, Гц
200 20 0,4 0,2 1,3 1,5 0,2
315 55 0,3 0,1 0,8 0.7 0,08
500 37 0,5 0,1 1,7 1.2 0,06
1000 125 0,5 0,15 1,65 1,2 0,07
2000 175 1,8 0,1 4,4 2 0,06
Щ
к
А/' Д^2 ДЪ
Рис. 2.34. Форма провала напряжения при пуске пресса
Краны. Провалы напряжения возникают в момент начала перемещения
груза. Размах изменения напряжения у кранов незначителен. Например, у крана
с двигателем 40 кВт при перемещении груза 1,5...2 т 8£/п < 0,8 %.
Металлорежущие станки. Этот вид ЭП практически не создает ПН в
процессе нормальной работы (не пуска). Провалы становятся различимыми при
мощности главного привода станка более 14 кВт. Решающую роль имеет на-
значение станка. Так, при обследовании шлифовальных станков с АД до 30 кВт
ПН не обнаружено, а у зубонарезных станков, работающих с высоким
(0,7...0,8) коэффициентом загрузки, размах изменений напряжения достигал
0,6 % при мощности АД 28 кВт.
Транспортеры, вентиляторы, компрессоры. Провалы напряжения воз-
никают в момент пуска. Параметры ПН зависят от мощности АД и характера
нагрузки. Глубина ПН не превышает: у транспортеров и конвейеров 1,2 %, вен-
тиляторов 3... 5 %, компрессоров 4...6 %.
60
2.6. ЭМП, создаваемые преобразователями тока и частоты
На промышленных предприятиях большое распространение получили
различные преобразователи тока. Наибольшее применение имеют трехфазные
мостовые схемы полупроводниковых преобразователей. Эта схема выпрямле-
ния позволяет реализовать шестифазную (шестиимпульсную) схему выпрямле-
ния. Соединение последовательно или параллельно двух или нескольких мос-
товых схем и питание их напряжением, сдвинутым на соответствующий угол,
позволяет получить 12-, 18-, 24-, 36-, 48-фазные схемы выпрямления [19]. Такие
схемы применяются в преобразователях большой мощности. На промышлен-
ных предприятиях преобразователи работают на противо-ЭДС или активно-
индуктивную нагрузку. Кривая сетевого тока, потребляемого преобразовате-
лем, искажена, ее форма определяется углом управления а и углом коммута-
ции у.
Порядок нечетных гармоник, генерируемых преобразователем, определя-
ется по формуле (2.2). Преобразователи генерируют высшие гармоники сле-
дующих порядков:
- шестифазные 5, 7,11,13-ю ...
- двенадцатифазные 11,13, 23, 25-ю ...
- двадцатичетырехфазные 23,25,47,49-ю ...
При нарушении симметрии моментов открытия вентилей в преобразова-
теле в спектре тока появляются и четные гармоники: 2,4,6-я и т.д.
В проектной практике углы управления и коммутации преобразователей
часто бывают неизвестны, поэтому действующее значение тока л-й гармоники,
генерируемой преобразователями, можно найти по выражению [20]
Г ^*^пр • • I ЗлХ*£
= _-----1---sin ср sin!--~
43кияХпп l^wsincp
(2-9)
где - относительное индуктивное сопротивление цепи коммутации.
Если пренебречь углом коммутации, то действующее значение и-й
гармоники можно определить так:
(2.Ю)
т ~ ^пр
В работе [15] приведены точные выражения для определения /(Л) в функ-
ции углов управления а и коммутации у для различных схем преобразовате-
лей тока.
Тиристорные преобразователи частоты получают питание, как правидо,
от неуправляемых выпрямителей, для которых [15]
= 5т(и-1)у0/2
м‘ н(и-1)у0/2 ’
(2.И)
61
где уо * угол коммутации для неуправляемого выпрямителя.
Сам преобразователь частоты модулирует напряжение питания и ток вы-
прямителя на собственной частоте вследствие конечного времени процесса
коммутации тиристоров. Если вводится дополнительная стабилизация выпрям-
ленного напряжения, то применяют полностью управляемые преобразователи и
спектр рассчитывают по (2.9), (2.10) или [2,15].
2.7. ЭМП, создаваемые ЛЭП, трансформаторами
и автотрансформаторами
Протяженность линий электропередач (ЛЭП) напряжением 35 кВ и выше
в РФ достигает около 1 млн. км. В табл. 2.12 приведены данные о протяженно-
сти ЛЭП переменного тока. Линии электропередач начинаются и заканчивают-
ся на подстанциях, оборудованных понижающими и повышающими трансфор-
маторами или автотрансформаторами.
Таблица 2.12. Данные о протяженности ЛЭП переменного тока
Напряжение, кВ Протяженность, тыс. км
750 6,0
500 40
220 120
110... 150 400
35 300
В зависимости от конструктивного исполнения ЛЭП и их электрических
схем они оказывают различное электромагнитное влияние на окружающее про-
странство. Линии электропередач в рабочих и аварийных режимах генерируют
помехи излучения и помехи проводимости.
Основными видами ЭМП проводимости, создаваемых высоковольтными
ЛЭП, являются: несимметрия и несинусоидальность токов и напряжений; вы-
бросы и провалы напряжения; перенапряжения.
Различают внутренние и внешние перенапряжения. Внутренние перена-
пряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в
элементах электрической цепи или поступающей в нее от генераторов. В зави-
симости от условий возникновения и возможной длительности воздействия
различают коммутационные, квазистационарные и стационарные перенапряже-
ния.
Коммутационные перенапряжения связаны с внезапным изменением
схемы или ее параметров (аварийные отключения или включения ЛЭП, транс-
форматоров и автотрансформаторов). При включении элементов электрической
сети возникает переходный процесс от предшествующего к новому установив-
шемуся состоянию. Вследствие малых потерь и высокой добротности контуров
переходные процессы при коммутациях имеют колебательный характер и могут
привести к появлению значительных перенапряжений - до 2 - 3 раз от (7Н0М.
62
Емкостный эффект ЛЭП и нелинейные свойства элементов, входящих в
энергетическую систему (трансформаторы и автотрансформаторы с насыщен-
ными магнитопроводами), могут стать причиной квазистационарных перена-
пряжений в линии, а сама ЛЭП - источником не только ЭМП с промышленной
частотой 50 Гц, но и гармоник с частотным диапазоном 0,1... 150 кГц. Наи-
большие амплитуды имеют гармоники в диапазоне частот 100...3500 Гц. Эти
гармоники достигают особенно больших значений в трехфазных линиях пере-
дач переменного тока, питающих установки с выпрямителями. Линейные или
фазовые напряжения и токи, а также токи нулевой последовательности в систе-
мах с глухозаземленной нейтралью содержат гармоники с большими амплиту-
дами в диапазоне частот 100...3500 Гц [31].
Стационарные перенапряжения, как правило, меньше квазистационарных
и не имеют существенного значения при генерации ЭМП.
Частным случаем внешних перенапряжений являются грозовые перена-
пряжения. При воздействии на ЛЭП грозовых разрядов вдоль линии со скоро-
стью света и малым искажением и затуханием распространяются электромаг-
нитные волны, которые являются источниками мощных ЭМП даже в тех рай-
онах, которые удалены от места воздействия молнии.
Перенапряжения в высоковольтных ЛЭП могут быть причиной аварий-
ных режимов ее работы и стать источником ЭМП намного большей мощности,
чем в рабочих режимах ЛЭП. При аварийных режимах ЛЭП источниками мощ-
ных ЭМП становятся токи и напряжения основной частоты. Наиболее распро-
страненным аварийным режимом ЛЭП является ее короткое замыкание на зем-
лю. Причиной коротких замыканий ЛЭП могут быть внутренние и внешние пе-
ренапряжения. Наиболее неблагоприятным в смысле электромагнитного воз-
действия ЛЭП является ее однофазное короткое замыкание, которое возможно
только в системе с глухозаземленной нейтралью, т.е. в сетях с напряжением
110 кВ и выше.
Напряженность магнитного поля, возникающая при коротком замыкании
ЛЭП, пропорциональна току короткого замыкания и аналитически определяет-
ся как [23]
H(t) = IK З[ехр(-Г/Гс)-cos(D/]/27ir,
где 1К'3 - ток короткого замыкания, A; t - время действия тока короткого замыка-
ния (Г = 0,05...0,2 с); Тс - постоянная времени сети (Тс- 0,05...0,1 с); г - расстоя-
ние от ЛЭП до точки наблюдения, м.
Несимметрия токов и напряжений создается ЛЭП при несимметричном
расположении проводов на опорах.
Провалы напряжения возникают при аварийных отключениях ЛЭП и при
коротких замыканиях. Глубина провалов от 0 до 100 % от Цюм, а их длитель-
ность от 0,05 до 0,2 с и более.
При отсутствии нагрузки первичное напряжение сетевых трансформато-
ров практически равно противо-ЭДС, так как при малых токах влияние актив-
63
ного сопротивления и рассеивания очень мало. Для мгновенного значения кри-
вой синусоидального напряжения можно записать выражение
d®
(71=-el=-EMsinto/ = ^—,
at
из которого следует уравнение для основного потока
ф-_ - _2»L_ COSCO/= ФЛ, COSO)/,
Na
т.е. при отсутствии нагрузки синусоидальное напряжение вызывает появление
синусоидального потока. Однако при этом первичный ток не будет чисто сину-
соидальным, так как поток нелинейно пропорционален намагничивающему току.
В идеальном случае при отсутствии гистерезиса поток Ф и вызывающий
его ток намагничивания im связаны кривой намагничивания, причем результи-
рующая кривая тока далека от синусоиды. При учете явления гистерезиса сину-
соидальный намагничивающий ток теряет симметричность относительно сво-
его максимального значения. Искажения кривой тока im вызываются, как пра-
вило, гармониками, кратными трем, особенно третьей. Следовательно, для по-
лучения синусоидального питающего напряжения необходимо исключить рас-
пространение таких гармоник, что достигается использованием обмоток, со-
единенных в треугольник.
В каждой фазе трехобмоточного трансформатора присутствуют все маг-
нитодвижущие силы гармоник, кратные трем, причем в каждой обмотке транс-
форматора они действуют в одном и том же направлении. Путь потока этих
гармоник должен замыкаться через воздух (или через масло и бак), а большое
магнитное сопротивление этого пути снижает гармонический поток до очень
малого значения (10 % от потока, появляющегося в независимых фазах). В этом
случае кривые индукции и ЭДС остаются синусоидальными. Однако 5-я и 7-я
гармоники намагничивающего тока могут достигать достаточно больших зна-
чений (5... 10 %) и вносить существенные искажения, особенно в ночные часы,
когда нагрузки в энергосистемах и на предприятиях малы, а напряжение выше
номинального.
2.8. ЭМП, создаваемые осветительными электроприемниками
В зависимости от типа лампы (накаливания, газоразрядные) осветитель-
ные ЭП являются источниками высших гармоник, коммутационных помех,
создают ПН.
Лампы накаливания (ЛН). В холодном состоянии сопротивление нити
ЛН значительно ниже, чем в разогретом. Этим объясняются броски тока при
включении. По мере разогрева нити ее сопротивление увеличивается, а ток
уменьшается. Процесс носит экспоненциальный характер с постоянной
времени тлн от 0,01. .0,02 с (у ЛН малой и средней мощности) до 0,1 си более
64
у ЛН большой мощности. Чем меньше тлн, тем меньше кратность пускового
тока А*п, которая у ЛН малой, средней и большой мощности соответственно
равна 2...5 и 7... 10. Таким, образом изменение тока во времени
/(О = ^[1 + (^п-1)ехр(-//тлн)],
ном
а на зажимах ЛН возникает ПН глубиной 8С/П = ЛП/?ЭКВ/’НОМ / 17ном. Длительность
первого размаха изменений напряжения очень мала, длительность второго
размаха (экспоненциальной формы) - около 3 тлн> затем напряжение
восстанавливается до (7Ном-
Газоразрядные лампы. Люминесцентные (ЛЛ) и дуговые ртутные лам-
пы (ДРЛ) из-за нелинейности вольт-амперной характеристики дугового разряда
и наличия в составе пускорегулирующей аппаратуры (ПРА) дросселя являются
источниками высших гармоник 3, 5 и 7-го порядков. Относительное значение
токов 3-й и 5-й гармоник составляет [16]: для ЛЛ с индуктивным балластным
сопротивлением 4 и 0,6 %; для ЛЛ с индуктивно-емкостным балластным сопро-
тивлением 16...21 и 0,9...3 %; для ДРЛ без компенсации 6,2...9 и 1,2...2,5 %;
для ДРЛ с компенсацией 18 и 5,8...7,2 %.
У ДРЛ с компенсацией значительны и другие нечетные гармоники.
Величина гармоник тока определяется по выражению
7(я) =0,25л/({/номи2).
Пусковой ток газоразрядных ламп, обеспечиваемый ПР А, относительно
невелик: (1,3...1,5)/Ном для ЛЛ и (2...2,1)7Ном для ДРЛ. Длительность пуска (за-
жигания) ЛЛ колеблется от нескольких секунд (даже долей секунд) до 10... 15 с,
и в течение этого времени ток мало изменяется. Время полного разгорания ДРЛ
около 7 мин. Из-за большого разброса характеристик длительность максималь-
ного пускового тока группы ЛЛ составляет единицы секунд, после чего он бы-
стро спадает. У ртутных ламп высокого давления разгорание протекает почти
одинаково.
В процессе эксплуатации ламп может возникнуть так называемый ано-
мальный режим работы, в котором параметры лампы существенно отличаются
от паспортных. Из-за дезактивации одного из электродов Л Л или некоторых
дефектов новых ламп, как правило, существенно возрас гает напряжение пере-
зажигания в тот полу период, когда дезактивированный электрод является като-
дом. В ртутных лампах высокого давления уменьшается установившееся на-
пряжение (в 3 - 5 раз). В аномальном режиме возникают значительные (до 60
эл. град) паузы в токе или режим односторонней проводимости. Величина тока
Достигает пускового и более (до 2/ном у ламп с индуктивным балластом и до
(З...3,9)/ном у ламп с индуктивно-емкостным балластом) В спектре тока появ-
ляются нечетные гармоники и постоянная составляющая
Особенностью газоразрядных ламп является то, что в процессе их пуска
несамостоятельный разряд переходит в самостоятельный скачкообразно с рез-
65
кими изменениями тока и напряжения. Броски тока приводят к появлению им-
пульсов перенапряжения, т.е. помех.
Источником ЭМП являются неисправные ЛЛ, длительно работающие в
режиме пуска, со случайным переходом в режим самостоятельного разряда.
Для всех ламп низкого давления характерно, что напряжение горения не
постоянно и содержит ВЧ составляющую амплитудой 6... 10 В и частотой
1...2кГц. Эти колебания представляют собой релаксацию анодного падения
напряжения ЛЛ. И хотя эти колебания имеют относительно небольшую ампли-
туду, обусловленные ими ВЧ токи создают постоянный ’’фон” в питающих се-
тях.
Источником кратковременных ЭМП могут служить встраиваемые в ПРА
генераторы импульсного напряжения (для ускоренного зажигания) [25].
Следует иметь в виду, что гармоники, кратные трем, образуют систему
нулевой последовательности. Поэтому, суммируясь в нулевом проводе, они мо-
гут давать ток, близкий к фазному.
66
3. ВЛИЯНИЕ ЭМП НА ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКИ, СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ, ЗАЩИТЫ И ЭВМ
3.1. Восприимчивость осветительных электроприемников к ЭМП
Наибольшее влияние из всех ЭМП на осветительные ЭП оказывают от-
клонения, колебания и провалы напряжения. В качестве источников света на
промышленных предприятиях наибольшее распространение имеют дуговые и
люминесцентные лампы, наименьшее - ЛН. Доля ЛН на современных промыш-
ленных предприятиях не превышает 10 % от мощности осветительных устано-
вок. При отклонениях напряжения изменяются световой поток Fn, мощность
световая отдача Нл и срок службы ГС1 ламп [24, 26]. Ниже приведены зависимо-
сти этих характеристик от отклонений напряжения [37, 40]:
- для ЛН
^=^.ном^6'. (3.1)
Л = Л.1КХ58, (3-2)
НЯ=НЯ^К^ (3.3)
(3-4)
- для ДР Л
Рл=(1,62^-0,62)Рллюм, (3.5)
F,=(2,5^-1,5)Fwm, (3.6)
Zcn =(5~4/^/)/Сл.ном; О-7)
- для ЛЛ
РЛ=(3,75^-2,75)Р1ЛЮМ, (3.8)
ГЛ=(1,25^~0,25)^.НОМ, (3.9)
/СЛ=(4-3^7)ГСЛНОМ, (3.10)
где К[: = С//1/ном - относительное значение фактического напряжения.
На рис. 3.1 и 3.2 представлены графики изменения светового потока и
срока службы различных ламп от величины отклонения напряжения.
Большое влияние на качество освещения оказывают колебания и провалы
напряжения. Они вызывают мигание света, что отрицательно сказывается на
зрении человека. Наибольшая чувствительность глаза к колебаниям напряже-
ния наблюдается при частоте колебаний 8... 10 Гц. Различные источники света
по-разному реагируют на колебания напряжения. Так, при одной и той же ве-
личине и частоте размахов изменения напряжения величина колебаний свето-
ного потока у газоразрядных источников света примерно в 2 раза меньше, чем у
67
ЛН. Оценка допустимости колебаний для осветительных ЭП производится или
по кривым допустимых размахов колебаний, или по дозе фликера [11].
Рис. 3.1. Зависимость изменения светового потока ламп
от величины отклонения напряжения:
/ - для лампы типа ДРЛ 400 (10) - 4 с FH - 24000 лм;
2 - для лампы типа ЛБ 80-1 с FH = 5400 лм;
3 - для лампы типа Г 215-225-300 с F» ~ 4610 лм
/С1, ч
27650
25350
23050
20750
18450
16150
13850
11550
9250
6950
4650
2350
50
80 85 90 95 100 105 НО 115 <А,%
Рис. 3.2 Зависимость изменения срока службы ламп от величины отклонения напряжения:
/ - для лампы типа ДРЛ 400 (10) - 4 с /н = 15000 ч;
2 - для лампы типа ЛБ 80-1 с tH = 12000 ч;
3 - для лампы типа Г 215-225-300 с tH = 1000 ч
68
3.2. Влияние ЭМП на электротермические установки
Режим работы каждой электротермической установки характеризуется
определенным набором параметров режима (ток, температура, угол управления
и т.д.), значения которых зависят не только от вида, назначения, конструкции
установки и особенностей технологического процесса, но и от параметров по-
ступающей в электротермическую установку электрической энергии. Эффек-
тивность работы всех электротермических установок во многом определяют
наличием в питающей сети ЭМП, при этом ЭМП могут оказывать влияние и
непосредственно на физику протекающих процессов, и на отдельные элементы
электрооборудования электротермических установок. В целом это приводит к
изменению технико-экономических показателей этих установок. Наибольшее
влияние на эффективность работы электротермических установок оказывают
отклонения напряжения (ОН). Отклонения напряжения как вверх, так и вниз от
номинального значения приводят к изменению производительности, расходов и
потерь электроэнергии.
На некоторые виды электротермических установок (индукционные печи,
МДУ, установки с преобразователями частоты) оказывают влияние отклонения
частоты. Если в состав электротермических установок входят конденсаторные
установки, то существенное влияние на них оказывают искажения формы кри-
вой напряжения (несинусоидальность напряжения).
Колебания и провалы напряжения не оказывают влияния на электро-
термические установки в силу их значительной тепловой инерции. Несиммет-
рия напряжения ощутимого действия на экономические характеристики элек-
тротермических установок не оказывает (за исключением МДН), однако для
однофазных установок ее надо учитывать, так как несимметрия напряжения
влияет на ОН.
Все виды ЭМП оказывают существенное воздействие на системы управ-
ления электротермических установок. Брака продукции или изменения ее каче-
ства, срыва технологических процессов при ОН в пределах ±10 % от 1/|10м для
большинства электротермических установок не наблюдается [4, 5, 19, 34,35].
Рассмотрим влияние ОН на основные электротермические установки.
Печи сопротивления периодического действия (печи отжига). Работа
этих печей с напряжением, отличным от номинального, сопровождается соот-
ветствующим изменением мощности, потребляемой нагревателями печи [35,
38]:
р = u2/r = (umvKlt )2 !r = Рктк2, (3.11)
что, в свою очередь, влечет за собой изменение времени нагрева печи и садки
а также электроэнергии FFH.
Расход электроэнергии может быть определен по энергетическому балан-
су печей сопротивления периодического действия [33]:
(3.12)
69
Составляющие баланса (3.12) определяются следующим образом.
Энергия, выделяемая в печи за время гн:
(3-13)
Полезная энергия идущая непосредственно на технологический про-
цесс (нагрев садки):
^с=£^и(Зм.к-9и.н)> (3.14)
I
где т - число циклов термообработки; см , GM - удельная теплоемкость и масса
отжигаемого металла; к, Эм н - температура в конце.и начале нагрева.
Энергия ТГак, аккумулируемая печью:
= (3.15)
1
где п - число слоев кладки печи; ch Gi - удельная теплоемкость и масса мате-
риала 1-го слоя; SKI, - конечная и начальная температура z-го слоя.
В тепловые потери Д1РТ входят потери через кладку печи ДИЛКЛ (стенки
Д^ГСТ, свод ДЛ^в, под Д^под) и тепловые потери короткого замыкания
(A^TJU):
д^д^+ди^дрл- (3-16)
Решая совместно (3.12), (3.13), (3.16), получим
= (^к + Wc)/(PmuKl - ДРТ). (3.17)
По выражению (3.17) можно определить изменение времени нагрева при
ОН. В относительных единицах формула (3.17) имеет вид
Гн.=(1-ДРт.)/(^-Д^)> (3-18)
где ДРТ# = ДРТ/РНОМ - доля тепловых потерь в энергетическом балансе; ДРТ -
средняя мощность тепловых потерь за время t.
Длительность цикла Гц отжига печи с учетом времени выдержки гв равна
'ц='.+'в ='«(',.+О- (3.19)
С учетом Гц выражение для расчета относительной производительности
имеет вид
IL =(!+/„.)/(/„.+<„.),
а относительный удельный расход электроэнергии (УРЭ)
W _ ^(1-ДРт.) + ^ьи.(^-ДРт.)
(1 + ^ьи.)(^,-дрт.)
(3.20)
(3.21)
70
где И'выд* = И'выд /^ом'н» И'выд - расход энергии на стадии выдержки.
Зависимости Пф(8<7) и <оудй(б(/) строятся по данным конкретной печи и
для печи ПЭО-700 (отжиг отливок с толщиной стенки 20...25 мм) показаны на
рис. 3.3. В табл. 3.1 приведены их регрессионные уравнения.
В (3.12) не учтены потери электроэнергии, поскольку они невелики, од-
нако если печь получает питание от сети через понижающий трансформатор, то
необходимо учесть потери в трансформаторе и в сети от трансформатора до на-
гревательных элементов.
При положительных ОН срок службы нагревателей сокращается, а при
отрицательных - увеличивается. Оценка изменения срока службы нагревателей
может быть произведена на основе зависимости скорости их окисления Эок от
напряжения. Так, для материала Х20Н80
»ок = 2,1 Ю'5(8£/- 0,31).
Рис. 3.3. Зависимость изменения производительности
и удельного расхода электроэнергии печи ПЭО-700
от величины отклонения напряжения
Тогда
=8О/ЭОК =9,5• 10"5(8С/-0,31)"',
где 80 - толщина оксидной пленки (не более 20% обшей толщины наг-
ревателя), а относительный срок службы
^сл* “ ^сл.ф/^сл.н •
Зависимость /сл в функции ОН приведена на рис. 3.4.
71
Рис. 3.4. Влияние величины отклонения напряжения на относительный срок службы
нагревательных элементов печи сопротивления
Таблица 3.1. Зависимости изменения производительности, удельного расхода
электроэнергии и потерь мощности от отклонения напряжения
Виды электроприемников Уравнения регрессии для АП., ДИуд., ДР., %-10‘3
Металлорежущие станки с приводом от АД ДП< = 35 8/7 - 0,5 8// ДР. = 2908/7+ 3 8//
Кривошипно-шатунные прессы ДП. = 16 8/7-0,4 8// ДР. = 290 8/7+ 3 8//
Печи сопротивления периодического действия ДП. = 900 8/7- 10 8// Дюуд. = 2,5 8//-275 8/7
Печи сопротивления методического действия Производительность не зависит от вели- чины отклонения напряжения ДсоУд. = 7,5 8//-425 8/7
Дуговые сталеплавильные печи емкостью до 10 т (дуплекс-процесс) ДП. = 675 8/7-25 8//2 Дюуд. = 4 6//-580 8/7
Индукционные тигельные печи ДП. = 2200 8/7 Д<оуд.= 1.5 8//- 185 8/7
Тиристорные преобразователи частоты (индукционный нагрев) Производительность не зависит от вели- чины отклонения напряжения Д<о„.= 10 8//+ 200 8/7
Ламповые генераторы (индукционный нагрев) Производительность не зависит от вели- чины отклонения напряжения Д(о5Д. = 25 8//-450 8/7
Электромашинные преобразователи частоты (индукционный нагрев) Д(Оуд* не зависят от &U &Р. = 2 8//+200 86'
Печи сопротивления методического действия. Для этих печей харак-
терно постоянство производительности при действии ОН. Она зависит лишь от
технологического режима термической обработки изделий. Влияние ОН прояв-
ляется в изменении УРЭ. Печи обычно имеют несколько зон нагрева и выдерж-
ки, а нагреватели работают в повторно-кратковременном режиме.
72
Относительный УРЭ определяется как
I
где KBi* - относительный коэффициент включения нагревателей <-й
зоны печи К^и - коэффициент включения при фактическом напряжении.
Если инерционностью термопары пренебречь нельзя, то KwU находится
по формуле
где toi - время включенного и отключенного состояния нагревателей соответ-
ственно.
В работах [4, 24, 38] и на рис. 3.5 приведены зависимости Асоудй, = /(8(7)
для различных печей сопротивления, а в табл. 3.1 - регрессионное уравнение
изменения УРЭ.
Дсоуд*, % а
Рис. 3.5. Зависимость изменения удельного расхода электроэнергии
печей сопротивления методического действия от величины
отклонения напряжения:
1 - печь сопротивления ’’АИСБ”;
2 - печь сопротивления "Бирлек"
Дуговые сталеплавильные печи. Степень влияния ОН на ДСП зависит
от типа регуляторов мощности. В настоящее время на дуговых печах применя-
ют следующие типы регуляторов:
1) поддерживающие постоянным полное сопротивление фазы печи;
2) поддерживающие постоянным ток дуги.
Регуляторы первого типа, называемые дифференциальными, получили
наибольшее распространение. Они обладают следующими преимуществами
перед токовыми регуляторами:
1) при исчезновении напряжения на печи (отключение высоковольтного
73
выключателя) электрод остается неподвижным;
2) данные регуляторы позволяют осуществлять автоматическое зажига-
ние дуг. Недостатком дифференциальных регуляторов является зависимость
изменения мощности печи от квадрата изменения напряжения.
Токовые регуляторы получили некоторое распространение на руд-
нотермических печах. При таком регуляторе мощность печи изменяется про-
порционально первой степени изменения напряжения.
Для дуговых печей с дифференциальными регуляторами, работающими в
дуплекс-процессе, справедливы следующие выражения для тока 1Л и мощности
дуги Рд в функции 8U:
1а=а0+а1Ки+а2К2, (3.22)
^=/д(Л7Л2-^-Лф), (3.23)
где f/ф, Лф, Яф - соответственно фазное напряжение, индуктивное и активное
сопротивления печи; а2 - регрессионные коэффициенты аппроксимации.
Подставив в уравнение (3.22) значение /д из формулы (3.23), получим
зависимость для определения мощности дуги в функции ОН:
Рд = д/(а0 + а,и + а2иг\11 ~ *ф to + a,U + a2U2)* - Яф(а0 + a,U + a2U2f.
Функциональная зависимость изменения мощности дуги ДР ( от 8U для
дуговых печей емкостью 3 т приведена на рис. 3.6.
Рис. 3.6 Зависимость изменения мощности дуги для ДСП
емкостью 3 т от величины отклонения напряжения
В среднем для печей небольшой емкости можно принять, что изменение
мощности дуги составляет 0,7...0,8 % на один процент ОН.
74
Рассмотрим влияние мощности дуги на продолжительность плавки гпл.
Энергетический баланс ДСП
+ ^хим =^м +А^,Л + Д^.р + А^т.пр» (3.24)
где И'пл - энергия, затраченная на плавку; №сэ, РИхим - тепло, выделяемое в печи
от сгорания электродов и экзотермических реакций; И7;, - тепло, расходуе-
мое на нагрев и перегрев металла и шлака, а также легирующих элементов и
добавок; - электрические потери; ДИ;р, APFTnp - тепловые потери за вре-
мя работы Гр печи под током и простоя гпр (Упл = tp + Гпр).
Тепло, расходуемое на нагрев и перегрев металла и шлака:
И'м +й?ш =<?тлкт(9пл -Зн) + ?пл +См.ж(Эпер -9пл)]> (3.25)
где (7ТЛ - масса шихты; смт, см.ж - удельные теплоемкости металлов в твердой и
жидкой фазах; 8ПЛ, Эн, Эпер - температуры плавления, начальная и перегрева
металла; дпл - удельная теплота плавления.
Тепловые потери состоят из потерь теплопередачей через футеровку
ДИ;р, излучением через рабочее окно в период расплавления ДИлизл, с газами
Д Wr и охлаждающей водой ДИ;:
Д^т = ДРЛ =ДИ^ +Д^ИЗЛ + ди; + ди;. (3.26)
Составляющие (3.26) определяются из следующих выражений:
Д»гср=Д»г„+Д»гст + Д»гдн, (3.27)
где ДИ^ДИ^ДН^ - потери энергии через свод, стенки и днище (определя-
ются по методике [4,40]);
Д^я = 4,65^(9:-^)/. 10-\
где Кд - коэффициент диафрагмирования; Гок - площадь окна; &М,ЭОС “ темпе-
ратура металла и окружающей среды;
A^B=l,16gBcB(9B-9BX)fp,
где расход воды; св - теплоемкость воды; &ЙХ, Эй - температура воды на вхо-
де и выходе печи.
Определение составляющих Д J7T,HZC э,И;им приведено в [4,40].
В электрические потери ДИ;л входят потери в трансформаторе AW7, ко-
роткой сети ДИ; с и электродах ДИ;л>тр:
AfFT = (APx+APK3^)/p, (3.28)
гДе ДРХ,ДРКЗ - потери холостого хода и короткого замыкания печного
трансформатора; К3 - коэффициент загрузки трансформатора;
75
Д^.е + Д^ =/рЕ/,2(Лк.С1+RJ), (3.29)
i
где /„ Як.сь R^jii - ток, сопротивления короткой сети и электрода соответствую-
щей фазы.
Зависимость времени плавки /Пд = + 4iP от Рл (и, следовательно, Кц)
можно получить из (3.24), если составляющие баланса выразить через соответ-
ствующие мощность и время:
+ ЛЛл)'р + ДЛ.э'р + Лим 'лЛ =
= и; + + (дрм+дрт)гр + дртгпр. (3.30)
Из (3.30) имеем (приняв X = fp )
W +W
tm =-------. (3.31)
РдХ+ДРс.,Х+Рхнм-ДРт
Относительное время плавки получим, если (3.31) отнести к tn„ при
Ки=1:
'«.“НМ, (3-32)
где у = (Д Рс э Х+ Р^ - Д Рт )/Рд .
Изменение производительности П = См/гплф и УРЭ (byp = WnjGH рас-
считываются по выражениям:
ДП^^/^.ф-1, Д<вуд,=<Вудф/®удн-1. (3.33)
Рис. 3.7. Зависимость изменения производительности
и удельного расхода электроэнергии ДСП от величины отклонения напряжения
76
На рис. 3.7 приведены усредненные зависимости ДПФ, Дшудф = /(8(/)
для ДСП, а в табл. 3.1 - регрессионные уравнения для этих зависимостей [4, 10,
39].
Индукционные тигельные печи. Энергетический баланс ИТП
^пл + ^хим + ^з = + А + А ^эл + + А И'ак, (334)
где W3 - тепловая энергия металла, остающегося в ванне (зумпфа); ДИ^ - поте-
ри в индукторе.
Составляющие тепловых потерь для ИТП определяются по формулам,
аналогичным для ДСП.
В электрические потери входят потери в трансформаторе (если он есть)
ДРКТ, магнитопроводе ДИ^, конденсаторах Д^ГК.
Энергия, выделяемая в металле в функции напряжения на индукторе и
частоты:
6,2-107к2кзл/р^и2
(3.35)
где кь к2, кз - коэффициенты, характеризующие геометрические размеры печи;
DK, пК - диаметр и число витков индуктора; р2,р - удельное сопротивление и
магнитная проницаемость садки.
С учетом того, что U = Kv UH0M и / = KffWU9 мощность, выделяемую в ме-
талле (садке), можно представить
Р„ =^мном^/^/3-
Потери в индукторе
Д^и =
8,2-10l0CQr* = К2
D2MH„f^2 "К2/2
(3.36)
(3.37)
где Ни - приведенная высота индуктора.
Энергия или мощность, потребляемая ИТП в функциях Кц и Kf9 определя-
ется
^=РПЛ.1пя,=К2/К2г'2. (3.38)
Из (3.34) и (3.37) найдем
= (^. + О(ЛЛл- - Д/’Лл. - АЛ)- (3-39)
Производительность ИТП зависит от времени плавки и времени выдерж-
ки металла в печи. Для многих печей t3 = 0 и производительность можно опре-
делять как П = СмЛпл ф.
Относительная производительность и УРЭ для ИТП рассчитываются по
формулам:
77
а =(кк.-Кк.-APj/(l-AP„. -APj, (3.40)
®уд» = ^пл»^пл» ’ (3-41)
г^К^кЦК*1.
На рис. 3.8 приведены зависимости АП,. Асоуд. = /(5{7) для ИТП, а в
табл. 3.1 - регрессионные уравнения для данных зависимостей.
Рис. 3.8. Зависимости изменения производительности и удельного расхода
электроэнергии ИТП от величины отклонения напряжения
Электротермические установки повышенной частоты. Они использу-
ются для закалки, нагрева и т.д. Источник питания - электромашинные и тири-
сторные преобразователи частоты, ЛГ.
Основу анализа составляет уравнение теплопроводности, решение кото-
рого имеет вид
Ф = 2Р0Р0,Р2[Р0+S(a,p,F0)]/X,
где Pq - удельная мощность источников тепла при Ки = 1; Ро* - относительное
значение мощности, подводимой к заготовке при ОН; Fo = at/R2 - критерий Фу-
рье; а,Х - температуро- и теплопроводность изделия; £ = 1 -х3//?2 - относи-
тельная координата; х3 - глубина закаленного слоя.
При поверхностной закалке в большинстве случаев выполняется неравен-
ство F > 0,2, тогда S(a,£, Fo) не зависит от критерия Фурье и определяется как
S(a,p) = ^7p—Tj(^₽2 +a2 -3-41пр) при P > a,
78
5(а,р) = р1/4 + а2/8 + а21па/[2(1-а)] при P<a.
Время нагрева изделия
/н =[»ХЛ2 -2РоРо.Л225(а,р)]/2Роа,
а относительное время нагрева при изменении удельной мощности
= (аХ/Р0Р0.)-2РДа,р)
"• (ад)-2Я2$(а,р) ’ ( '
При сквозном нагреве заготовок уравнение теплопроводности имеет сле-
дующий вид:
Э = Р0Р0.Л2[1 + 5(р,Р0)]/2Х, (3.43)
где S(p,/*^) определяется через функции Бесселя нулевого и первого порядков
(Jo,Л) и корни vn уравнения J0(v«) = ^:
S(p>F0)=-2g^lL)exp(-v2F0). (3.44)
Совместное решение (3.42) и (3.43) относительно конечной температуры
Зк дает зависимость относительного времени нагрева от изменения подведен-
ной к заготовке мощности /н* = ЯЛ)*)> которая необходима для оценки влияния
ОН на производительность этих установок.
Степень этого воздействия определяется также характеристиками
источника питания (электромашинные, тиристорные преобразователи частоты,
ЛГ). Влияние ОН на источники питания электротермических установок будет
рассмотрено ниже.
Электромашинные преобразователи частоты. Мощность, подводимая
к изделию, определяется так:
/’и=/нЧ«и. (3.45)
где /н =С/и/27с/элЛи - ток, протекающий по заготовке; R„ - активное
сопротивление нагреваемого слоя; Д = л/ри/4лц /эм - глубина проникновения
тока в металл; ли - число витков индуктора.
Тогда с учетом /и = (/и/2л/эл£и получим
р. = и2я ^Jn2Fj(2nL2Hh2JF), (3.46)
где - напряжение преобразователя, подводимое к индуктору; ри - удельное
сопротивление изделия; ц - магнитная проницаемость материала заготовки;
Ги - площадь нагреваемого слоя; £и, h„ - общая индуктивность и высота индук-
тора;/^, - частота на выходе преобразователя частоты.
Значение удельной мощности, подводимой к единице площади изделия,
79
определяется по формуле
Ро = Р,М = (3 47)
Из выражения (3.47) видно, что величина удельной мощности зависит как
от величины подводимого к индуктору напряжения, так и от частоты тока.
Напряжение генератора не зависит от напряжения питающей сети, что
обеспечивается блоком автоматического регулирования напряжения. Частота
на выходе генератора прямо пропорциональна частоте вращения ротора при-
водного электродвигателя (которым обычно является АД) и определяется вели-
чиной напряжения и частотой тока. С учетом этого зависимость относительно-
го изменения удельной мощности, подводимой к изделию, имеет вид
Г Т3/2
к,-------и?—
Вт^1 , \В^1 ,
К3К} К3К}
(3 48)
где Kf = /ф//ЫоМ - относительное изменение частоты; SKp - критическое скольже-
ние приводного электродвигателя; Втах - кратность максимального момента;
К3 - коэффициент загрузки электродвигателя.
Рис 3 9 Зависимость изменения потерь мощности
от величины отклонения напряжения
Относительное изменение удельного расхода электроэнергии при ОН за-
висит от режима работы индукционной установки:
1) если время нагрева заготовки не зависит от ОН, то
= (Ро. + ДР„.)/(1 + ДР„.); (3 49)
2) если время нагрева зависит от ЭМП, то
80
шуд. =(1 + АРп,)/(1 +ДРП.),
(3.50)
где ДРП* = ДР/РИ - относительное изменение потерь мощности.
На рис. 3.9 приведена зависимость ДР0* = /(St/) для машинных преобра-
зователей частоты, а в табл. 3.1 - регрессионное уравнение для данной зависи-
мости.
Тиристорные преобразователи частоты. Отклонения частоты не влия-
ют на технико-экономические характеристики тиристорных преобразователей
частоты. Влияние ОН на эти установки рассмотрим на примере преобразовате-
ля типа ТПЧ-800-1,0/У4. Преобразователь конструктивно состоит из двух бло-
ков: выпрямителя и инвертора. Выходное напряжение выпрямителя изменяется
пропорционально изменению напряжения сети. Действующее значение напря-
жения инвертора связано с выходным напряжением выпрямителя следующим
выражением [39]:
U„=UaKu 10,9(cosq>u), (3.51)
где t/a - выходное напряжение выпрямителя при Ку = 1; (ри - угол сдвига меж-
ду напряжением и основной гармоникой тока инвертора.
Рис. 3.10. Зависимость изменения удельного расхода электроэнергии
от величины отклонения напряжения
Поскольку выходное напряжение тиристорного преобразователя стабили-
зировано, то величина [/и не зависит от ОН в питающей сети, но эти ОН приво-
дят к изменению выходной частоты и мощности Ри, подводимой к изделию
[38]. Относительное изменение потребляемой из сети мощности в соответствии
с выражением (3.51) имеет вид
Л=1/(/„.)3''2, (352)
81
где/п*" относительное изменение выходной частоты преобразователя.
Отклонения напряжения в питающей сети приводят также к изменению
сдвига фаз между инверторным напряжением и током, т.е. к изменению по-
требляемой преобразователем реактивной мощности:
e.=tg<p/(Z.)3/2-tg<pHO„. (3.53)
На рис. 3.10 приведена зависимость Дй)уд* = /(5(7) для тиристорных пре-
образователей частоты, а в табл. 3.1 - регрессионное уравнение для этой зави-
симости.
Ламповые генераторы. Конструктивно они состоят из двух блоков:
управляемого выпрямителя и ЛГ. Действующее значение выпрямленного на-
пряжения Ua в функции угла регулирования а определяется по выражению
72 + Зл/3(1+со52а)/2л, 0<а<-,
6
д/-2а/я + 7/ 3 + 2л/з / л - (sin 2а) / 4 л + (З/З cos 2а) / 4 л, --<а<—, (3.54)
6 3
2а / я + 7 / 3 + /3/л + (5sin2а)/4л+(л/зcos2а)/4л, ~<а<5~,
где (7М - амплитудное значение напряжения сети.
В схемах индукционных установок с ЛГ используются выпрямители с
амплитудным регулированием, которое позволяет стабилизировать действую-
щее значение выпрямленного напряжения. При таком принципе стабилизации
напряжения угол управления определяется
а = arccos f ———2 1, (3.55)
v )
где (7ci - задающее, стабилизированное напряжение; (7с2, Utta - постоянная (вы-
прямленная) и переменная (синусоидальная) части регулировочного напряже-
ния, изменяющиеся пропорционально напряжению сети, соответственно.
Из выражений (3.54), (3.55) видно, что при ОН в питающей сети меняется
а и соответственно Ua на выходе выпрямителя. Поскольку идеальной стаби-
лизации выпрямленного напряжения достигнуть невозможно, то при изменении
напряжения в сети будет меняться выходное напряжение выпрямителя.
Мощность, подведенная к индуктору (и, в конечного итоге, заготовке),
пропорциональна квадрату напряжения на зажимах индуктора. Относительное
изменение этой мощности определяется по следующей формуле:
/>.=(£/«. ^Не-
зависимость Р. - f(bU) приведена на рис. 3.11.
Связанное с ОН изменение действующего значения напряжения, подве-
82
денного к генераторной лампе, приводит к изменению потерь активной мощно-
сти в этой лампе.
Рис. 3.11. Зависимость удельной мощности от величины отклонения
напряжения для ламповых генераторов
Ток, генерируемый генераторной лампой, можно разложить в ряд Фурье:
'а = Ло + Л| COSat + 7а2 COS2®/ +
где /а - анодный ток генераторной лампы; /а0 - амплитуда нулевой гармоники
анодного тока; - амплитуда первой гармоники анодного тока.
Примем допущение, что нагрузка генераторной лампы обладает резо-
нансными свойствами и настроена в резонанс на частоту первой гармоники ге-
нерируемых колебаний. В этом случае напряжение на электродах генераторной
лампы можно считать гармонической функцией.
КПД генераторной лампы определяется отношением полезной колеба-
тельной мощности Рп к к мощности Рал, подводимой в анодную цепь генератор-
ной лампы:
Ч = Л1.к^а.11-
Поскольку напряжение на нагрузке генераторной лампы принято гармо-
ническим, то величина колебательной мощности рассчитывается по формуле
Лкк =|tAmax4lCOS<?. (3-56)
где (7Ктах - максимальное значение напряжения на контуре; ср - угол сдвига фаз
колебательного напряжения и первой гармоники анодного тока.
Обычно cosq) = 1, так как сопротивление анодной нагрузки практически
83
активно.
Составляющие UK max, /ai формулы (3.56) определяются следующим обра-
зом:
TJ -ГИ _ р
^кгпах ^ava* ^amm’
Ail “ >
где £a - напряжение источника анодного питания при 8U = 0; £а mjn - минималь-
ная величина напряжения на аноде; Za max - максимальная величина анодного то-
ка при 8 U = 0; - коэффициент Берга.
Мощность, подводимая в анодную цепь лампы, рассчитывается по фор-
муле
Л.л = ^а^4/4о*
Изменение потерь активной мощности в генераторной лампе определяет-
ся по выражению
~ ^П.К.НОм(ПнОм”“ Лф)/(Лф~ Пном) >
где Рп,к ном - колебательная мощность, выделяемая генераторной лампой при
номинальном напряжении; Цном,т|ф - КПД генераторной лампы при номиналь-
ном и фактическом напряжении соответственно.
На рис. 3.12 приведена зависимость Дшудф = /(8t/) для ЛГ, а в табл. 3.1 -
регрессионные уравнения для этой зависимости.
Рис. 3.12. Зависимость изменения удельного расхода электроэнергии
установки с ламповым генератором от величины отклонения напряжения
84
3.3. Восприимчивость электроприемников с электродвигателями к ЭМП
Наибольшее влияние на ЭП с электродвигателями оказывают отклонения
напряжения и частоты [4, 22, 24, 38, 39]. При отклонениях напряжения и часто-
ты на зажимах АД происходит изменение частоты вращения ротора, потребле-
ния активной и реактивной мощности и потерь активной мощности.
Отношение фактической частоты вращения ротора АД к номинальной
иНом можно определить из следующего выражения [33]:
"ф 1 "ном = ". = Kf (1 - $ф )/(1 - ),
где 5*ф, 5„ом - скольжение при фактическом и номинальном напряжении соответ-
ственно.
Скольжение при ОН
5ф = S^/K^B^Kl/К3К})+ /B^/K^-l)],
а критическое скольжение
5 - 2|Уном + лМтах ~ + 1 ~ 2$ном ).
КР 2 + 4SHOM-BmaxSHOM
Потери активной мощности в АД в функции ОН можно записать в виде
ДР№=ДРВОМ(1-/^),
где Кри - коэффициент изменения потерь в функции ОН.
Значения КРи можно рассчитать по формуле [33]
KPU = (11,84К; -18.25Я2 + 3,9К3)К3, +
+ (-2,67К3 + 9,5К3 - 3,08К3 +1)^ +
+ (2,35Х'3 + 1,56К32 -0,806К3 + 0,85)К( .
Потери активной мощности в АД при отклонениях частоты определяются
по выражению [33]
ДЛ f = + Д^ном 0 - кп )(о,з9+о,б \/к,),
где Кп - коэффициент потерь в меди {Кп = 0,445НОМ...0,0595^).
Мощность на валу АД зависит от момента сопротивления механизма и
частоты вращения ротора электродвигателя. Поскольку обе эти величины зави-
сят от 5 U и А/, то согласно [33] можно записать
^Д / ~з^Д А* ’
где Р6(Л, - относительные величины мощности при отклонениях напряже-
85
ния и частоты, которые можно найти по выражениям:
^А/* ^нач*^А/* + С ^нач*)лД/*»
где /иНач* - начальный момент сопротивления вращающегося механизма; р - по-
казатель степени, определяемый типом механизма.
Изменение потребления активной мощности при отклонениях напряже-
ния и частоты можно рассчитать по формулам:
^ном^з )/^ном ~~ [^нач*^бС/* + 0 ^нач*)^5(/* “ ^]»
5Л/. =(Л/ =['Инач.«Д/. +(1-ОТнач-)Ид/. " 1]-
Реактивная мощность, потребляемая АД при 61/ и А/, равна
QbU (А/) С?ном
' К2 К2 К3
с^ + (1-с)-М
где с - коэффициент, характеризующий относительные номинальные потери в
стали.
Изменение потребления реактивной мощности электродвигателя (в отно-
сительных единицах) при отклонениях напряжения и частоты определяется по
выражению
&Q&U (А/)♦ (^б(/ (А/) ^ном) ^ном
_ ^Фном
Ином
Г2 (К3
С(^-1) + (1-СК2 -£-1
и
Изменение мощности, потребляемой АД из сети, определяется как сумма
отдельных составляющих:
8Р1ф=8ДЛ+8Рф+Хэ80ф,
где К3 - экономический эквивалент реактивной мощности (Кз = 0,01...0,02
[18])-
Изменение числа оборотов при отклонениях напряжения и частоты при-
водит к изменению производительности ЭП. Так, для металлорежущих станков
в соответствии с [24]
где t - промежуток времени, за который рассчитывается производительность,
- машинное время; ти - время, необходимое на смену инструмента, к - коэф-
86
фициент резания, равный отношению времени резания к машинному времени;
Гном - номинальная стойкость режущего инструмента; Кт - коэффициент отно-
сительной стойкости инструмента; - вспомогательное время.
Относительное изменение производительности при работе ЭП с отклоне-
ниями напряжения (частоты) определяется так:
П* - Пф/Пноч
1 Ти^
1 + —*—
т
л ном J
1 +
ЬЛ
"^вс* ’
где
Стойкость режущего инструмента зависит от скорости резания, обраба-
тываемого материала и вида инструмента следующим образом [24]:
Г = 100ехр[а(1-Л/1-61пц)|. (3.57)
Здесь а, b - коэффициенты, зависящие от вида обработки; ц - коэффициент
скорости резания:
ц = Э/Э1М) (3.58)
где 9 - скорость резания при данной стойкости инструмента; 9100 - скорость
резания при стойкости инструмента 100 мин.
Используя (3.57), (3.58) и заменяя скорость резания на число оборотов
ротора АД станка [24], найдем зависимость изменения стойкости инструмента
от изменения числа оборотов ротора:
КГ = А+Вл.. (3.59)
Значения коэффициентов А и В для разных видов обработки, обрабаты-
ваемого материала, различной номинальной стойкости инструмента находятся
в пределах: А = 3...9,Я=-2...-8 [38].
Анализ зависимости (3.57) показал, что при определении ущербов от
ЭМП изменением стойкости режущего инструмента можно пренебречь и поль-
зоваться для определения П» более простой формулой:
n.^i+d/kr'+'J (з-бо)
На рис. 3.13 и 3.14 приведены зависимости изменения потребляемой ак-
тивной мощности в функции ОН.
87
Рис. 3.13. Зависимости изменения мощности, потребляемой асинхронными
электродвигателями с номинальной мощностью более 10 кВт, при отклонениях
напряжения при р = 0 (а) и р = 2 (б):
1 - К3 = 0,7 и wHa4» ~ 0,25; 2 - К3 - 0,8 и тпач ♦ =- 0,25;
3 - К3- 0,9 и /Иная • = 0.25; 4 - К, ~ 1 и wKa4 ♦ = 0,25
88
Рис 3.14. Зависимости изменения мощности, потребляемой асинхронными
электродвигателями с номинальной мощностью менее 10 кВт, при отклонениях
напряжения при р = 0 (а) и Р = 2 (б)-
1 - = 0,7 и тНач * ~ 0,25; 2 - К3 - 0,8 и мнач » =0.25;
3 - /С, = 0,9 и /?2Нач ♦ = 0.25; 4 - I<s = 1 и wHa4 * = 0.25
89
3.4, Влияние ЭМП на электросварочные установки
Виды динамических моделей ЭСУ определяются типами этих установок
и их систем управления. Поэтому проведем анализ систем управления ЭСУ.
Процесс сварки характеризуется следующими параметрами: величиной свароч-
ного тока, временем его протекания, усилием сжатия электродов и размерами
их рабочей поверхности. Шовная и стыковая сварка характеризуется также
скоростью перемещения деталей. Эти параметры могут быть как постоянными,
так и изменяться по определенной программе. С помощью систем управления
(СУ) осуществляется: включение, регулирование и отключение сварочного то-
ка; регулирование продолжительности и последовательности всех операций;
изменение скорости вращения роликов (шовные машины) или перемещения
передвижной плиты (стыковые машины); включение и регулирование усилия
сжатия электродов (роликов); подача охлаждения и др. Кроме управления ос-
новными параметрами сварочного режима СУ обеспечивает ряд вспомогатель-
ных операций: индикацию установленных параметров; управление подачей из-
делий (на автоматических линиях); контроль за состоянием и исправностью от-
дельных узлов и блоков; техническую диагностику.
Особенность цикла сварки (кратковременность, стабильность, повторяе-
мость) предъявляет жесткие требования к СУ: малоинерционность, высокая ав-
томатизация, точность работы, надежность, помехозащищенность.
По принципу действия выделяют четыре основные группы СУ ЭСУ [5]:
жесткого управления; с автоматической компенсацией; с автоматическим регу-
лированием (по отклонению регулируемой величины); комбинированные сис-
темы жесткого управления, автоматической компенсации и регулирования.
Системы жесткого управления широко используются в машинах точеч-
ной и шовной сварки. Особенностью таких систем является неучет влияния
возникающих возмущений (изменения питающего напряжения и частоты, не-
синусоидальности, изменения параметров сварочного контура и т.д.) на дейст-
вительный ход сварочного процесса. Основным их достоинством является про-
стота аппаратуры и безынерционность изменения электрических параметров.
Наиболее распространены системы жесткого управления, обеспечивающие по-
стоянство времени сварки и не изменяющегося во времени сварочного тока
(постоянство угла управления). Они позволяют получить хорошее качество
сварки широко применяемых металлов при небольших возмущениях. Более со-
вершенной является система, обеспечивающая /св= const и 1-fit). Вид функции
fit) зависит от вида материала свариваемых деталей, усилия сжатия и т.д. Для
изменения тока во времени используют различного рода модуляторы (блок мо-
дуляции тока). Подбирая вид функции fit), можно достичь высокого качества
сварки. Закон изменения юка может быть задан вручную или на программоно-
сителе, Некоторые системы жесткого управления обеспечивают режим много-
импульсной сварки для металлов с повышенной склонностью к закаливанию,
при этом они позволяют регулировать число, форму и длительность импульсов
сварочного тока.
90
Более стабильную сварку позволяют получить системы с автокомпенса-
цией. В отличие от систем жесткого управления они снабжены устройствами,
изменяющими и преобразующими сигнал возмущений и подающими результат
на вход блока управления током в виде дополнительного воздействия, тем са-
мым осуществляется компенсация возмущений.
Наиболее совершенными являются СУ с использованием обратных свя-
зей по контролируемому параметру, они позволяют поддерживать параметры
сварочного процесса в заданных пределах. Для обеспечения устойчивости та-
ких систем в цепь обратной связи вводятся инерционные звенья. Некоторая
инерционность систем не позволяет их использовать при времени сварки менее
0,1с.
Комбинированные системы позволяют получить сварку высокого качест-
ва практически любых материалов при достаточном быстродействии.
Для управления параметрами стыковой сварки применяются системы с
автоматической компенсацией, замкнутые системы автоматического управле-
ния и комбинированные системы. Система управления стыковой сварки обес-
печивает [5]: управление скоростью оплавления; управление циклом сварки в
функции перемещения подвижного торца свариваемых деталей; коррекцию то-
ка сварки по скорости оплавления в функции подводимого напряжения; регу-
лирование и счет импульсов подогрева; управление работой пневматических и
гидравлических систем.
Важной характеристикой динамической модели является качество ее
функционирования, которое оценивается с помощью вектора-критерия качества
управления [33,39]:
где 1, 2,..., dt - критерии качества.
Анализ СУ показывает, что по количеству рассматриваемых критериев
качества ЭСУ можно разделить на три группы:
1. С одним показателем качества. Сюда относятся ЭСУ с жесткой СУ, ко-
гда на качество сварки влияет подводимое к месту сварки напряжение
(рис. 3.15, а). Функция качества для этой группы ЭСУ
Y = Y(X,E').
Здесь X = Х(х1,х2,...,хп); Е^Е'^ ,е2 ,е'2,...,е'п - помехи.
2. С несколькими показателями качества, когда выходные параметры
— , уп поддерживаются на заданном уровне. К этой группе относятся ЭСУ,
имеющие СУ с автоматической компенсацией (рис. 3.15, б). Функция качества
для этой группы ЭСУ
Я=Л(ХГ)=О,
где е = 1, 2,..., п.
3. С несколькими показателями качества, когда выходные параметры
Ль h2,..., hn должны быть не менее заданного уровня (рис 3.15, е)'.
91
ht=h,(X, £')>0,
где i = 1, 2,..., n. В эту группу входят ЭСУ, имеющие СУ с автоматическим ре-
гулированием (по отклонению регулируемой величины).
Рис. 3.15. Классификация ЭСУ по показателям качества
Для получения качественного соединения необходимо, чтобы за время
сварки /св в точке (шве, стыке) выделилось определенное количество тепла:
a,= K2.(W)^. (3.61)
о
Как правило, импульсы сварочного тока имеют прямоугольную форму
[5], поэтому
<2e8=42a^VcB> (З-62)
где
1 >с?
Яср = — (3.63)
^св О
а величина /СВ Эф близка
Агв.ср “ ~ Рсв ~ Лв ном’ (3.64)
‘св О
где /св ном - номинальный сварочный ток, который задается в технологических
инструкциях на различные виды сварки [13].
Все ЭМП проводимости вызывают изменения действующего значения
напряжения, подводимого к месту сварки, и соответственно изменение /св ср на
величину ± Д/св, что приводит к изменению (?св на величину ±Д^СВ.
Таким образом, отклонение (2св за время гсв может быть определено из
уравнения
Д0св.=2_ |Д/св.(г)Л. (3.65)
Чв О
Выражение (3.65) отражает факт интегральности воздействия изменения
92
А/св.(0 на Д(?св..
Для эквивалентирования изменения напряжения при наличии ЭМП и то-
ка сварки, а следовательно, и Д<2СВ» введем по аналогии с [36] понятие "доза
изменения напряжения" :
^=-^]Фо(')И- (3.66)
Чв О
Здесь
U0(t) = U(t)-UHOM; (3.67)
U(t) - текущее действующее значение напряжения при наличии ЭМП; С/„ом -
действующее значение напряжения, при котором производилась настройка
ЭСУ на качественную сварку; L' - оператор функционального преобразования,
который учитывает реакцию ЭСУ совместно с СУ на изменение напряжения.
Вид оператора L' определяется особенностями ЭСУ и ее СУ, а также на-
личием устройств стабилизации и обратных связей. Оператор L позволяет
привести в соответствие с (3.65) U и Д/св» на том основании, что любое изме-
нение действующего значения питающего напряжения вызывает соответст-
вующее изменение тока сварки, причем не обязательно пропорциональное и бе-
зынерционное. Поэтому параметр может служить мерой влияния измене-
ний напряжения (дозы помех) на Д^* и в конечном итоге на качество сварки
и нормальную работу СУ (например, с точки зрения отсутствия сбоев в работе).
Допустимое значение дозы с учетом равенств (3.64) - (3.66)
= ^св.д*± > (3.68)
где Д/св дф± - допустимые отклонения сварочного тока при сварке.
Выражение (3.68) устанавливает допустимую дозу изменения напряже-
ния отдельно для положительных и отрицательных изменений, причем безот-
носительно к причине изменения (отклонения, колебания, несимметрия, неси-
нусоидальность, переходные процессы и т.д.), т.е. для любого вида ЭМП про-
водимости.
Проверка допустимости изменений напряжения должна производиться по
условию
2 /св г
*св О
Определяющими при задании вида оператора функционального преобра-
зования L' являются особенности построения СУ ЭСУ: зависимость погрешно-
сти управления Да от U, регулировочная характеристика, время реакции (ус-
тановления нового угла управления а при изменении напряжения от U\ до f/2),
наличие обратных связей.
93
Для ЭСУ с жесткими СУ, не реагирующими на изменение напряжения,
L' выполняет операцию линейного преобразования
L'[U0(t)] = aU0(t),
где а - коэффициент пропорциональности.
Для ЭСУ с безынерционными СУ (/„ = 0) оператор L' можно представить
в виде
L'[C/0(/)] = Д/св.(Аа)[1 + Uo(/)]+t/o(O,
где /св,(Да) - относительное изменение сварочного тока от погрешности СУ
при 1/о(О = 0, учитывающее регулировочную характеристику машины.
Влияние ЭМП на точечную, многоточечную, рельефную и шовную
электросварку. Технологический процесс этих видов ЭСУ идентичен, поэтому
и влияние ЭМП примерно одинаково.
Все ЭМП проводимости оказывают влияние на напряжение, питающее
сварочные машины. Причем несимметрия напряжений приводит к дополни-
тельным ОН, т.е. ее действие аналогично действию ОН. Несинусоидальность
напряжений приводит к изменению формы синусоиды. Согласно [34] форма
синусоиды тока и соответственно подводимого напряжения оказывает влияние
только на сварочные процессы, длительность которых мала (сотые и тысячные
доли секунды), это в основном сварка в микроэлектронике и радиоэлектронике.
Влияние отклонений напряжения. Контактная сварка производится
импульсами тока продолжительностью от 2 до 26 периодов [5]. При ОН изме-
няется только сварочный ток, поскольку время сварки задается элементами
управления и является постоянным. Как видно из (3.68), отклонение сварочного
тока приводит к изменению количества тепла, выделяемого в свариваемой точ-
ке. Уравнение теплового баланса для данного вида сварки имеет вид [30]
Q-Qx + Qi+Q^
(3.69)
где Q\ - теплота, затрачиваемая на нагрев до температуры плавления столбика
металла высотой 28 и диаметром Qi - теплота, расходуемая на нагрев ме-
талла в виде кольца шириной х2, окружающего литое ядро, до средней темпера-
туры Зпл/4; Q3 - потери теплоты в электродах или на нагрев условного цилиндра
высотой х3 до средней температуры д|1Л/8.
Тепловой процесс, протекающий в свариваемой точке, является неста-
ционарным, поэтому должен рассматриваться в дифференциальной форме.
Дифференциальное уравнение теплопроводности представляется в виде
[5]
аэ (52э а2э a2s>| © „2а ©
dt 8у2 dz2 J су су
где $ - температура тела; / - время процесса; а - коэффициент температуропро-
водности; dS/dr - скорость изменения температуры; х, у, z - координаты про-
94
странства; со - удельная мощность внутреннего источника энергии; с - удельная
теплоемкость тела; у - плотность тела; V2 - оператор Лапласа:
__2 д2 д2 д2
дх2 ду2 dz2
Поскольку ядро свариваемой точки ограничивается изотермой темпера-
туры плавления в момент окончания нагрева, температурное поле при контакт-
ной сварке является важнейшим параметром теплового процесса. Вследствие
трехмерности температурного поля, сложного характера поля, источников
энергии и краевых условий общее решение дифференциального уравнения теп-
лопроводности отсутствует. Для решения вводятся следующие допущения:
1) энергия, получаемая свариваемой точкой, выделяется в центре контак-
та между деталями под электродами;
2) источник энергии является мгновенным, что дает возможность рас-
сматривать процесс во времени;
3) температура электродов постоянна и равна Эо;
4) свободные поверхности деталей рассматриваются как адиабатические
границы;
5) температурное поле симметрично относительно начала координат на-
ходящегося в центре ядра расплавления.
Для построения температурного поля можно использовать численные ме-
тоды. Наиболее точным и универсальным методом решения дифференциально-
го уравнения (3.70) является метод конечных разностей, который заключается в
том, что объем металла разделяется на конечные объемы, а длительность про-
текания теплового процесса разбивается на достаточно малые интервалы вре-
мени (0,001 с и менее). Весь процесс нагрева рассматривается как чередование
кратковременных процессов выделения и распространения тепла. Согласно [5]
повышение температуры элементарного объема тела за промежуток
времени Д/
ДЭ, jt + Дг =
= 9,+и + + 9,.,+1 + 9,у_, - 49, + +
h 2п ) су
где h - сторона элементарного объема тела; п - количество элементарных объе-
мов.
Описанный метод построения температурного поля является универсаль-
ным и может быть использован для всех видов контактной сварки.
Энергия, прошедшая через площадь F в направлении х, может быть опре-
делена за время t = t2 -1\ [5]:
dt.
,Jdx
95
По известному температурному полю возможно определить все состав-
ляющие энергетического баланса свариваемой детали и влияние отклонений
тока на качество сварки. Однако метод конечных разностей трудоемок и может
реализоваться только с помощью ЭВМ. Для практических расчетов может быть
применена упрощенная методика определения составляющих теплового балан-
са, которая дает погрешность в пределах ±5 %.
Выражения для отдельных составляющих теплового баланса:
й=^»8сму„»„л/2, (3.71)
& = *|ЛХ2 (d, +Х2)8смум9пл/2> (3.72)
03=^^хЛу,Эпл/8, (3.73)
Х2 ~ ’ *3 = >
где - диаметр ядра; 5 - толщина свариваемых деталей; см - удельная теплоем-
кость деталей; ум - удельная плотность свариваемого металла; Эаг1 - температу-
ра плавления металла деталей; к\, - вспомогательные коэффициенты, учиты-
вающие материал деталей и электродов; сэ, уэ - удельная теплоемкость и плот-
ность материала электродов; d - температуропроводность.
Решая совместно уравнения (3.62), (3.69), (3.71) - (3.73), получаем
“ л[8с/,25ссмум + U,x2(d„ +х2)5ссмум +
Уравнение (3.74) позволяет проанализировать, как будет изменяться тем-
пература плавления металла при изменении сварочного тока.
При контактной сварке возникают в основном горячие трещины [5], их
образование происходит в температурном интервале хрупкости, соответствую-
щем минимальной пластичности сплава. Разрушение металла в этом случае но-
сит межкристаллический характер. Согласно [5] для углеродистых и конструк-
ционных сталей верхняя граница температурного интервала хрупкости нахо-
дится при температуре 1250...1400°С.
Таким образом, имеем две крайние температуры, при выходе за которые
наиболее часто возникает брак при сварке. Это температура, на 10 или 20 %
превышающая температуру плавления (для допустимого повышения напряже-
ния), и верхняя граница температурного интервала хрупкости (для допустимого
снижения напряжения).
Зная зависимости 0- и допустимые граничные температуры,
можно определить допустимые отклонения сварочного тока /св и соответствен-
но напряжения в сети (табл. 3.2).
Учитывая, что в пределах ±15 % отклонения тока пропорциональны ОН,
для малоуглеродистых сталей можно допускать ОН в пределах ±10 % ог на-
пряжения, на которое настроена сварочная машина. Это положение подтвер-
ждается экспериментальными данными (табл. 3.3).
96
Таблица 3.2. Допустимые отклонения сварочного тока при точечной сварке
малоуглеродистой стали
6, мм /св, С Anin, кА Апах, кА Ав.ном, кА Допустимые отклонения тока, %
0,8 0,08 7,7 9,55 8,62 -10.7. ..+10,8
0,8 0,12 7,0 8,65 7,85 -10,8...+10.2
0,8 0,3 5,8 7,2 6,54 -11,3...+10,1
1,0 0,08 8,85 11,06 9,9 -10.6...+11,72
1,0 0,16 7,55 9,35 8,4 -10.1...+11,3
1,0 0,4 6,28 7,7 7,0 -10,3...+10,8
1,5 0,14 11,2 14,1 12,6 -11.1...+11,8
1,5 0,24 9,75 12,02 10,92 -10.7...+10,07
1,5 0,5 8,36 10,3 9,35 -Ю.6...+10,16
2,5 0,5 11,7 14,5 13,04 -10,3...+11,2
2,5 0,8 10,6 13,2 11,86 -10.6...+11,3
Таблица 3.3. Экспериментальные данные по влиянию напряжения на качество
точечной сварки
Толщина металла, мм Тип машины Зпасп, кВА /св» С Границы напряжения, за которыми наблюдался брак при сварке, %
1,2 ...3,0 МТП-150 150 0,16 -11...+10
1,0...1,0 МТП-150 150 0,14 -12...+10
1,0...1,0 МТПП-75 75 0,2 -10...+13
1,0...0,8 МТ-1607 56 0,1 -10...+10
1,0...1,0 МТП-75 75 0,12 -11...+10
3,0...5,0 МРП-400 400 0,4 -12...+14
1,2...1,5 МТП-75 75 0,18 -10...+10
1,5...1,5 МТПП-75 75 0,2 -10...+10
1,5...1,5 МТПГ-150 150 0,4 -10...+10
0,8...2,0 МТП-75 75 0,22 -10...+10
0,6...1,0 МТПП-75 75 0,12 -10,5...+10
0,8... 0,6 ЕРН-72 72 0,1 -10...+10
1,0...1,0 МТП-75 75 0,16 -10...+10
0,8...0,8 МТПГ-75 75 0,12 -10...+10
1,0...2,5 МТПГ-75 75 0,16 -10...+10
1,5...1,2 МТ-1610 75 0,12 -10...+10
При выходе ОН за пределы ±10 % может происходить брак при сварке.
Исследованиями установлено, что 100%-ный брак наблюдается при ОН, выхо-
дящих за пределы ±15 %. В диапазоне от -10 до -15 % и от 10 до 15 % вероят-
ность брака изменяется по кривой экспоненциального закона распределения.
Это подтверждается и зависимостью усилия разрыва свариваемых деталей от
97
значения напряжения, при котором была произведена данная сварка (рис. 3.16,
3.17).
Рис, 3.16. Зависимость усилий разрыва от величины напряжения:
1 - толщина свариваемых деталей 1,5 мм;
2 - толщина свариваемых деталей 2,5 мм
Рис. 3.17. Зависимость усилий разрыва от величины напряжения:
/ - толщина свариваемых деталей 0,8 мм;
2 - толщина свариваемых деталей 1,0 мм
Влияние колебаний и провалов напряжения на качество сварки. Ко-
лебания напряжения в трактовке ГОСТ 13109-97 не влияют на качество сварки.
Это объясняется тем, что тепловые процессы при сварке инерционны. На каче-
98
ство сварки влияют выбросы и провалы напряжения. Если длительность ПН
равна или больше времени сварки, то действие ПН аналогично действию ОН и
их допустимая величина аналогична нормам по ОН (табл. 3.2, 3.3). Представля-
ет большой интерес оценка влияния ПН на качество сварки, когда их длитель-
ность меньше времени сварки (рис. 3.18).
Рис. 3.18. График напряжения и тока сварки
при провалах напряжения
Для анализа действия ПН на качество сварки обратимся к решению диф-
ференциального уравнения теплопроводности. Выражение, позволяющее опре-
делить скорость нагрева в любой момент сварки [5]:
[l-exp(-Z>2//)], (3.75)
dr 47tfc2X8L v ,J
где b = .
Из формулы (3.75) следует, что d 9/d t изменяется нелинейно в зависи-
мости от текущего времени сварки.
Исследование выражения (3.75) для различных b показывает, что провал
тока в начале сварки снижает конечную температуру значительнее, чем анало-
гичный провал тока в конце процесса сварки. Однако при небольшом времени
сварки (до 0,4 с), что характерно для рассматриваемых видов ЭСУ, можно при-
нять линейную зависимость изменения dtydt и считать, что действие провала
не зависит от момента его возникновения. Провал напряжения вызовет провал в
токе сварки. Эффективное значение тока за время сварки Гсн
У *св О
При ПН, совпадающем со временем сварки, уменьшается до / 'к|,. При-
чем, если /Эф -/^ < Д/д, то брака при ПН не будет. Поскольку ПН обычно не
превышают 15 %, то можно принять, что Д/7 = &U v где 8 С/ ( - допустимые ОН
99
(табл. 3.4).
Таблица 3.4. Технически допустимые пределы отклонении напряжения для машин
контактной сварки
Виды машин и свариваемых материалов Отклонение напря- жения, %
Точечные, многоточечные, рельефные и шовные (сварка низкоугле- родистых сталей) ±10
Стыковые* сварка сопротивлением низкоуглеродистых сталей сварка непрерывным оплавлением низкоуглеродистых сталей сварка оплавлением с подогревом низкоуглеродистых сталей ±10 ±10 ±15
В общем случае форма ПН может быть различной, однако любую форму
можно привести к прямоугольной с эквивалентной площадью [5, 8]. С учетом
этого в [8] получена формула для определения глубины допустимого ПН в за-
висимости от его длительности:
Рис 3 19 Кривые допус1имых провалов напряжения
для электросварочных установок
На рис. 3.19 приведены зависимости в функции относительной
100
длительности ПН для ЭСУ. Этот рисунок можно использовать для нормирова-
ния допустимых ПН в зависимости от их длительности. Из рисунка также вид-
но, что ЭСУ нечувствительны к колебаниям напряжения даже большой вели-
чины.
Влияние ЭМП на стыковую электросварку. Существуют два вида сты-
ковой сварки: сварка сопротивлением и сварка оплавлением. Причем сварка
оплавлением имеет две разновидности: непрерывным оплавлением и оплавле-
нием с подогревом. Все три разновидности стыковой сварки по-разному реаги-
руют на ЭМП.
Из всех видов ЭМП на стыковую сварку наибольшее влияние оказывают
отклонения и провалы напряжения. Причем, в отличие от рассмотренных выше
способов сварки, у стыковой сварки при отклонениях и провалах напряжения
наряду с ухудшением качества изменяется и время сварки, что приводит к из-
менению производительности ЭСУ. В табл. 3.4 приведены технически допус-
тимые пределы ОН для различных видов стыковой сварки [5, 8]. Влияние ПН
на качество стыковой сварки аналогично влиянию на точечную сварку, и их
допустимые величины можно определять или по формуле (3.75), или по
рис. 3.19.
3.5. Влияние ЭМП иа системы управления, измерения, защиты и ЭВМ
Влияние ЭМП на ЭП определяется не только видом ЭП, но и в значи-
тельной мере наличием и типом СУ. Система управления осуществляет управ-
ление параметрами режима ЭП, последовательностью выполнения операций,
контролирует состояние и положение исполнительных органов ЭП и т.д.
Все ЭП снабжаются СУ. В связи с бурным ростом автоматизации произ-
водственных процессов роль СУ непрерывно возрастает, а внедрение микро-
электроники делает их чувствительными к различным видам ЭМП, имеющихся
в электрических сетях. Степень влияния ЭМП на СУ зависит от их элементной
базы, наличия обратных связей и системы питания. Однако СУ по-разному реа-
гируют на ЭМП, что объясняется особенностями как самих систем, так и
управляемых ими ЭП [5, 36, 39].
В одних СУ ЭМП приводят к отклонению параметров технологических
процессов от заданных и, следовательно, изменению характеристик выпускае-
мой продукции. В этих системах координация параметров процесса происходит
непрерывно в соответствии с возмущениями в питающей сети. Такие системы,
осуществляя функциональное преобразование возмущений в изменение пара-
метров регулирования, могут реагировать как мгновенно, так и с некоторой
временной задержкой вследствие их инерционности.
Другие СУ реагируют на ЭМП таким образом, что параметры технологи-
ческого процесса меняются скачкообразно, происходит сбой или останов в ра-
боте устройств и механизмов. В случае сбоя дальнейшее выполнение техноло-
гического процесса приостанавливается, а продолжение работы осуществляется
либо с начала процесса (цикла), либо с неоконченной операции цикла.
101
Для каждой СУ существует некоторое предельное (критическое) значение
уровня ЭМП (или несколько его значений), начиная с которого работа одного
или группы ЭП сопровождается выпуском продукции с характеристиками, от-
личными от технических условий, или остановами ЭП.
Особую остроту проблема влияния ЭМП на ЭП принимает, если в соста-
ве СУ имеется процессор, мини- или микро-ЭВМ. Это объясняется большим
количеством функций, которые выполняют такие СУ, и тяжестью последствий
из-за сбоя в работе процессора (расстройка технологического процесса, массо-
вый брак, недоотпуск продукции и т.п.).
Блок-схему любой СУ можно представить в виде последовательно соеди-
ненных датчиков, блоков обработки информации и исполнительных органов.
Несмотря на простоту такая схема полностью согласуется с теорией принятия
решений. Основные различия построения СУ начинаются при детализации двух
последних блоков и заключаются в индивидуальных особенностях СУ в соот-
ветствии с их назначением и типом ЭП.
Оценивать влияние ЭМП следует для всей системы ’’система управления
- электроприемник’’ в целом, предварительно изучив поведение СУ в условиях
действия помех (изменения управляющих сигналов). Для этого необходимо
сначала рассмотреть структуру построения СУ различных ЭП и выполняемые
ими функции. Результаты исследований влияния ЭМП на СУ ЭП описаны в ра-
ботах [4,5,26, 36,39].
В СУ различных ЭП, в релейной защите и автоматике большое распро-
странение получили контроллеры и микропроцессоры. Данные устройства
очень чувствительны к ПН [21]. Чувствительны к ПН и электромагнитные реле.
Рис. 3.20. Характеристики чувствительности программируемых
контроллеров (Д микропроцессоров (2) и реле (3) к провалам напряжения
В настоящее время для управления рядом ЭП на промышленных пред-
приятиях используются различные типы ЭВМ. Широко применяются ЭВМ и в
энергосистемах для обработки различной информации. Наличие в сети, от ко-
102
торой питается ЭВМ, ЭМП может привести к ее сбою или отключению. Боль-
шое распространение получили персональные компьютеры. Они питаются от
однофазной сети напряжением 220 В. Сбои в работе данных ЭВМ происходят в
основном из-за провалов, перенапряжений и отклонений напряжения. Стандарт
IEEE 464-67 [21], устанавливает зависимости данных показателей от их про-
должительности для персональных компьютеров (рис. 3.21).
Рис. 3.21. Оценка области устойчивой работы ЭВМ при перерывах
электроснабжения (кривая СВЕМА)
3.6. Влияние ЭМП на линии связи
Гармоники в силовых цепях вызывают шум в цепях связи. Малый уро-
вень шума приводит к определенному дискомфорту, при его увеличении часть
передаваемой информации теряется, в исключительных случаях связь стано-
вится вообще невозможной. Поэтому при любых технологических изменениях
систем электроснабжения и систем связи необходимо рассматривать влияние
ЛЭП на линии телефонной связи.
Отношение напряжений сигнала и помехи, обычно применяемое в цепях
связи в качестве меры добротности передачи, следует использовать для оценки
влияния ЛЭП на цепи связи с осторожностью, учитывая разницу в мощностях
сигналов (мегаватты и милливатты). Из-за большой разницы в уровнях мощно-
сти маленький небаланс токов в силовой линии на звуковых частотах может в
случае металлического соединения вызвать существенный шум в цепях связи.
Более того, основной целью энергетических систем является передача
энергии с большой эффективностью, но с относительно низкими требованиями
к чистоте синусоиды, тогда как целью цепей связи является передача как мож-
но более чистого сигнала, а эффективность передачи мощности сигнала отхо-
дит на второй план.
103
Физическая телефонная цепь состоит из двух скрученных проводов, со-
единенных с соответствующим оборудованием (рис. 3.22).
Рис. 3.22. Упрощенная модель телефонной цепи:
Е - поперечное напряжение
С целью безопасности и по практическим причинам телефонные цепи за-
земляют, а в эквивалентную схему включают входные сопротивления ZL\ и Z£2
по отношению к земле. Напряжение, наводимое электромагнитным путем, обо-
значают как источник напряжения Um, наводимое электростатическим путем,
как Us- Сопротивления ZL\ и Z£2 велики, поэтому собственным сопротивлением
линии, имеющим много меньшее значение, можно пренебречь.
В связи с отсутствием нулевого провода контуры тока замыкаются через
распределительные емкости Cs\ и С^-
Шумы в телефонных линиях обусловливают три фактора.
1. Влияние систем электроснабжения. Оно зависит от наличия в силовых
цепях источников гармоник на звуковых частотах и относительной несиммет-
рии гармоник тока и напряжения в ЛЭП, расположенных вблизи цепей связи.
2. Способ внесения искажений тока и напряжения в линии связи.
3. Восприимчивость цепей связи. Влияние на шумы в телефонных цепях
зависит от характеристики самих линий связи и присоединенного оборудова-
ния.
Если проблема шума возникла, значит, существуют все три указанных
фактора. Отсутствие хотя бы одного из них устраняет проблему шума. Однако
полностью устранить указанные факторы практически невозможно, поэтому
усилия должны быть направлены на наиболее значимый фактор в конкретной
ситуации.
Напряжения шумов могут воздействовать на телефонные цепи несколь-
кими способами: контурной, продольной электромагнитной или продольной
электростатической индукцией и проводимостью.
Контурная индукция возникает, если напряжение вводится непосредст-
венно в металлический контур, образованный двумя проводами телефонной
104
цепи. Этот тип индукции проявляет себя в виде поперечного напряжения на
входах телефонной связи, которое устраняется при регулярной транспозиции
проводов кабельных линий.
Продольная электромагнитная индукция возникает, если ЭДС вводится
вдоль проводов телефонной линии. Воздействующий ток в ЛЭП создает маг-
нитное поле, которое вызывает индуцированные токи в соседних линиях связи.
Этот тип воздействия, иллюстрируемый рис. 3.23, представляет собой наиболее
частую форму внесения шумовых искажений в линии связи.
Рис. 3.23. Электромагнитная индукция:
(/р - напряжение шума; Um - индуцированное напряжение шума;
Ir - ток шума, текущий к земле
Ток IR возвращается через землю к источнику £/р, поэтому контур тока
при использовании воздушной линии охватывает большую площадь. В связи с
этим воздушные телефонные цепи испытывают воздействие на большой про-
тяженности. Это ведет к продольной электромагнитной индукции, отражаемой
зависимостью
Um = MIR,
где М - взаимное сопротивление между ЛЭП и линией связи.
Наиболее широко применяемая модель взаимного влияния между линия-
ми электропередачи и связи была разработана Карсоном [2]. В общем случае
электромагнитные процессы на частотах, возникающих в ЛЭП, не очень чувст-
вительны к структуре земли и ее удельному сопротивлению, поэтому модель
Карсона, которая исходит из предположения об однородной земле с плоской
поверхностью, справедлива для многих случаев.
Уравнение Карсона для взаимного сопротивления ЛЭП с эквивалентной
105
высотой подвеса hi и линии связи с высотой h2 (рис. 3.24) имеет вид
2л
“12 О
e-ua(f4 -Л2) CQS(W ax)du
(3.76)
и
Рис. 3.24. Взаимное расположение линий
электропередач и связи:
1 - линия электропередач; 2 - телефонная
линия; 3 - зеркальное отражение линии
электропередачи;
4 - земля (сопротивление р)
где М - взаимное сопротивление на единицу длины; со=2л/ - угловая частота
индуцированного тока; ро - удельная магнитная проницаемость;
^12 =7(^1+ ^2 Г + *2 5 ^12 =7(^-Й2)2 + х2 а=л/2/б; б=72р/(р0о) - глубина
возврата тока через землю с удельным сопротивлением р; х • расстояние по го-
ризонтали между линиями.
Первое слагаемое в формуле (3.76) представляет собой взаимное сопро-
тивление между двумя проводниками, расположенными над идеально прово-
дящей землей, второе слагаемое корректирует выражение для учета сопротив-
ления земли. К сожалению, второе слагаемое доминирует в выражении при ти-
повых параметрах линий.
Формула Карсона предполагает
измерение сопротивления земли, что
бывает трудно выполнить, поэтому
часто используются упрощенные
формы уравнения, позволяющие по-
лучить хорошее приближение.
Факторы, определяющие взаим-
ное сопротивление между линиями,
могут быть охарактеризованы сле-
дующим образом: влияние возрастает
при увеличении протяженности кон-
тура влияющего тока и протяженно-
сти общей трассы линий, при увели-
чении частоты тока и сопротивления
земли и уменьшается при увеличении
расстояния между линиями.
Продольная электростатиче-
ская индукция возникает, когда ЭДС
вводится между проводами и землей.
Рассмотрим емкости между
проводами линий электропередач и
связи (рис. 3.25).
Напряжение ЛЭП по отношению к земле распределяется между емкостя-
ми Срт и CTg пропорционально их сопротивлениям, т.е.
£75=гтс7г/[(1//<»еРТ)+гт],
где Zt=1/[/<bC+(1/ZT|)+(1/Zt2)].
106
Рис. 3.25. Электростатическая индукция:
Срт - емкостные составляющие между линией электропередачи и линией связи;
Сто - емкостные составляющие между линией электропередачи и землей;
Сто - емкостные составляющие между линией связи и землей
Из-за влияния нагрузок ZTi и Zt2 значение Us мало по сравнению с Um и
легко нейтрализуется экранированием провода. Электростатическая индукция
может быть значительной в случаях, если велико напряжение Ur или емкость
Срт (например, при размещении на одних и тех же опорах или в местах пересе-
чений). Обычно телефонные линии прокладывают проводами, сопротивление
которых намного меньше емкостного сопротивления, что снижает напряжение
Us. Эта форма индукции часто вызывает затруднения в случае длинной теле-
фонной линии, проложенной в непосредственной близости от ЛЭП высокого
напряжения.
Гальваническое влияние. Во время работы ЛЭП всегда существует тот
или иной уровень тока в нейтрали, вызванного несимметрией фазных токов. В
системах с многократно заземленной нейтралью (МЗН) часть тока небаланса
возвращается к трансформатору по нейтральному проводу, а часть по земле.
Ток, текущий по земле, вызывает местные повышения потенциала земли в мес-
тах заземления электродов. Если один из концов телефонной линии заземлен в
зоне влияния этого потенциала, это может воздействовать на продольное на-
пряжение. Если, например, в точке А (рис. 3.22) произойдет повышение потен-
циала земли, это может вызвать неодинаковость токов, текущих по плечам Z/ j и
Z/2, увеличивая поперечное напряжение шума в телефонной линии.
Этот источник помех представляет собой серьезную проблему из-за сле-
дующих факторов:
1) линии электропередач с МЗН вызывают более высокий уровень шумов;
107
2) сопротивление земли у заземляющих устройств телефонных линий
возрастает вследствие применения кабелей без проводящих оболочек; дости-
жение малого сопротивления сопряжено с большими затратами;
3) несмотря на все сказанное в п. 2 сопротивление заземления телефон-
ных линий часто ниже сопротивления возврата тока по земле для ЛЭП с МЗН,
как следствие эти линии оказывают влияние на уровень шумов в телефонных
линиях.
3.7. Восприимчивость линий связи
Восприимчивость телефонной цепи. Влияние, которое шумящая ЛЭП
оказывает на линию связи, может быть определено при рассмотрении воспри-
имчивости цепи связи к индуктивному влиянию. Наиболее важными являются
три характеристики: 1) соотношение влияющих факторов на различных часто-
тах; 2) симметрия цепи связи; 3) экранирующий эффект металлической оплетки
кабелей и других металлических предметов в земле.
Веса гармоник. Воздействие гармоник на шумы в телефонных линиях
зависит от порядка гармоники. В среднем система ’’телефонный аппарат - чело-
веческое ухо” имеет функцию чувствительности с максимальным значением на
частоте порядка 1 кГц. Для оценки влияния различных гармоник на шумы в те-
лефоне используются коэффициенты, представляющие собой сумму гармоник,
взятых с определенными весами. Наибольшее распространение получили два
коэффициента: дсофометрический коэффициент и коэффициент С-взвешивания
(рис. 3.26). Первый коэффициент разработан Международным консультатив-
ным комитетом по телефонным и телеграфным системам (МККТТ) и использу-
ется в Европе, второй - Телефонной компанией Белла и Эдисоновским электро-
техническим институтом и применяется в США и Канаде.
Взвешивающие коэффициенты изменялись по мере развития телефонных
систем.
Псофометрический коэффициент (TFF) представляет собой безразмерную
величину, не зависящую от геометрической конфигурации сближения линий:
TFF = иэкъ 8оо/ t/ном,
где С/?кв 8оо - эквивалентное напряжение частоты 800 Гц; С/ном - номинальное на-
пряжение ЛЭП.
Математически псофометричекский коэффициент вычисляется
где kf — /7800; р; - псофометрический ’’вес” помех с частотой /, деленный на
1000.
Действующее значение псофометрического напряжения
108
Рекомендации МККТТ предусматривают, чтобы псофометрическая ЭДС
в телефонной цепи не превышала 1 мВ. При измерении напряжения шума те-
лефонная цепь соединяется с характеристическим сопротивлением порядка
600 Ом. Напряжение на характеристическом сопротивлении не должно превы-
шать 0,5 мВ.
Критические частоты
/кГц
Рис. 3.26. Кривые псофометрического (МККТТ) и С-взвешивания
В общем случае, если TFF больше 0,5 мВ, возможно влияние на телефон-
ные линии. Следует подчеркнуть, что TFF определяет лишь способ измерения,
но не характеризует действительного влияния, так как не учитывает характера
сближений линий.
Коэффициент влияния на телефонные линии (TIF), использующий кри-
вую С-взвешивания, определяется по формуле, аналогичной (3.77), в которой
kf- 5f а р/ - коэффициент взвешивания по кривой С - MSG.
Описанные показатели мало отличаются друг от друга. В связи с различи-
ем размерностей соотношение TIF/TFF ~ 4000.
Таким образом, 80 единиц TIF соответствуют 2 % TFF.
Продольная симметрия телефонной цепи. Если телефонная линия или
входные цепи оборудования не полностью симметричны по отношению к зем-
ле, наведенное продольное напряжение трансформируется в поперечное, кото-
рое и вызывает шум в наушниках.
Рассмотрим простейшую телефонную цепь, изображенную на рис. 3.22.
Сопротивления по отношению к земле в обоих проводах разные. Поскольку
собственные сопротивления проводов практически одинаковы, разные токи
вызовут увеличение поперечного напряжения.
Причины, которые вызывают несимметрию телефонной цепи по отноше-
нию к земле: 1) различные пути утечки на землю; 2) несимметрия входных це-
109
пей оборудования как на приемном, так и на передающем конце.
Симметрию цепи обычно оценивают значением
20 logio (продольное напряжение / поперечное напряжение).
Для большинства установок она составляет 45.. .50 дБ.
Наиболее критичной компонентой, определяющей симметрию цепи,
обычно является любая входная релейная установка. Поскольку в телефонной
сети находится большое количество релейных устройств, то обеспечить сим-
метрию с высокой точностью практически невозможно, так как это привело бы
к существенному удорожанию телефонной сети.
Экранирование. Металлический или проводящий заземленный экран,
такой, как броня кабеля, который покрывает телефонную цепь по всей ее длине,
полностью устраняет электростатическую индукцию. Кабели, проложенные в
земле без металлического экрана, также нечувствительны к электростатической
индукции из-за проводящего эффекта земли.
Металлический экран только частично снижает воздействие электромаг-
нитной индукции. Механизм электромагнитного экранирования следующий.
Ток в ЛЭП вызывает продольное напряжение, которое наводится как в прово-
дах, так и в экране кабеля. Результирующий ток в экране имеет противополож-
ное направление по отношению к току ЛЭП. Ток в экране, в свою очередь, ин-
дуцирует в проводах кабеля напряжение, противоположное напряжению, инду-
цированному током ЛЭП, и, таким образом, частично нейтрализует последний.
Чем больше ток, протекающий в экране, и чем больше его воздействие на
сердечник, тем сильнее выражен экранирующий эффект. Он характеризуется
коэффициентом защитного действия, который показывает, насколько экран по-
нижает напряжение, наведенное в сердечнике:
К=(Я^+Я,)/(ЯЭ11р.+Я,),
где Яэкр= и Яэкр~ - сопротивление экрана постоянному и переменному току соот-
ветственно; R3- сопротивление земли.
Эта упрощенная формула показывает, что коэффициент экранирования
может быть снижен уменьшением активного сопротивления экрана /?экр=, уве-
личением индуктивного сопротивления, что увеличивает Z)Kp., или снижением
сопротивления земли. Хороший экранирующий эффект достигается, когда при-
держиваются следующих правил:
1) в точке заземления экрана сопротивление земли должно быть как мож-
но ниже (обычно 1 ...2 Ом);
2) сопротивление экрана должно быть малым, что достигается увеличени-
ем затрат металла на экран;
3) должно производиться бронирование кабеля стальной лентой с целью
увеличения индуктивного сопротивления оболочки
Все эти условия означают, что экранированные кабели относительно до-
роги, обычно их стоимость на 30...50 % выше неэкранированных.
НО
Если проблема шума возникла, необходимо выполнить следующие опе-
рации:
1) проверить значения поперечного напряжения. Если оно меньше 1 мВ,
дальнейшие операции не осуществляются. Если больше 1 мВ, то переходят к
следующей операции;
2) определить тип индукции - электромагнитная или электростатическая;
3) проверить симметрию по отношению к земле телефонной линии и
входного оборудования;
4) если представляется полезным, замерить TTF в различных зонах сбли-
жения линий связи с воздушными линиями для того, чтобы локализовать ис-
точник помех.
На основании информации, полученной при испытаниях, намечают спо-
собы снижения шумов. Как было указано выше, существуют три фактора, воз-
действие на которые позволяет снизить уровень шумов, вызываемых соседними
воздушными линиями: влияние линии, механизм переноса помех, чувствитель-
ность линии связи к помехам.
Снижение влияния воздушной линии может быть достигнуто разнесением
линий по разным трассам, что весьма дорого, либо снижением уровней гармо-
ник. Снижения степени переноса помех получить практически не удается, за
исключением случая повышения потенциала земли, если вносящая искажение
многократно заземленная нейтраль может быть разземлена. Снижение чувстви-
тельности линий связи достигается использованием шумоподавляющих дрос-
селей, помехонейтрализующих трансформаторов, экранированных кабелей.
Шумоподавляющие дроссели. С помощью этих устройств при опреде-
ленных обстоятельствах может быть достигнуто снижение шума на 25 дБ. В
общем случае эти дроссели являются единственным средством улучшения ба-
ланса нестандартных входных релейных устройств. Дроссели увеличивают
продольное сопротивление линии, уменьшая токи шумов и понижая вследствие
этого поперечное напряжение шума.
Помехонейтрализующие трансформаторы. Они работают на принципе
создания напряжения, равного по значению напряжению шума, но противопо-
ложного по фазе. При этом может быть достигнуто снижение шума на
15...20 дБ.
Экранирование кабеля. Снижение шума на 60 дБ легко может быть дос-
тигнуто, однако это весьма дорого. Обычно использование экранированных ка-
белей возможно только во вновь создаваемых установках.
Разделение цепей. Использование в цепях систем кодово-импульсной
модуляции, модуляции с делением частоты или подобных систем позволяет
снизить восприимчивость цепей связи к индукции шумов. Степень улучшения
зависит от конкретных обстоятельств.
В заключение следует подчеркнуть, что уровень снижения шума в дейст-
вительности зависит от конкретных обстоятельств и не все способы, перечис-
ленные выше, всегда дают хорошие результаты.
111
4. МЕТОДЫ НОРМИРОВАНИЯ ЭМП И ЭМС
4.1. Нормирование ЭМП и ЭМС в РФ
Нормативной базой для оценки ЭМС в РФ и странах СНГ является
ГОСТ 13109-97 ’’Электрическая энергия. Совместимость технических средств
электромагнитная, нормы качества электрической энергии в системах электро-
снабжения общего назначения” [11]. Нормы ПКЭ, установленные ГОСТ 13109-
97, являются уровнями ЭМС для кондуктивных ЭМП в системах электроснаб-
жения общего назначения. При соблюдении указанных норм обеспечивается
ЭМС электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и элек-
трических сетей потребителей электроэнергии. Данные нормы должны приме-
няться при проектировании и эксплуатации электрических сетей, а также при
установлении уровней помехоустойчивости приемников электрической энергии
и уровней кондуктивных ЭМП, вносимых этими приемниками. ГОСТ 13109-97
устанавливает два значения ПКЭ: нормально допустимое и предельно допусти-
мое. Нормально допустимое значение ПКЭ должно соблюдаться 95 % времени
суток, а предельно допустимое не более 5 % времени суток.
В табл. 4.1, 4.2, 4.3 приведены нормируемые ГОСТ 13109-97 значения
ПКЭ, а на рис. 4.1 - кривые предельно допустимых размахов изменения напря-
жения.
600 300 120 60 30 12 6 3 1,5 1 0,3 0,1 0,06 0,03 с
Рис. 4.1. Предельно допустимые размахи изменений напряжения в зависимости
от частоты повторения изменений напряжения за 1 мин для колебаний напряжения,
имеющих форму меандра
112
Таблица 4.1. Нормируемые значения ПКЭ по ГОСТ 13109-97
Показатель качества электроэнергии Нормы качества электроэнергии
Нормально допустимые Предельно допустимые
Установившееся отклонение напряжения 6Ц, % ±5 ± 10
Размах изменения напряжения 614, %:
для потребителей электрической энергии, распола- - Кривая 2
гающих лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение рис. 4.1
все остальные потребители - Кривая 1 рис. 4.1
Доза фликера:
- кратковременная Psh о.е.:
для потребителей электрической энергии, распола- гающих лампами накаливания в помещениях, где - 1,0
требуется значительное зрительное напряжение все остальные потребители - 1.38
- длительная о.е.:
для потребителей электрической энергии, распола- гающих лампами накаливания в помещениях, где - 0,74
требуется значительное зрительное напряжение все остальные потребители - 1,0
Коэффициент искажения синусоидальности напряжения К и, % Табл. 4.2 Табл. 4.2
Коэффициент и-й гармонической составляющей напря- жения Кц(Г(), % Табл. 4.3 Табл. 4.3
Коэффициент несимметрии напряжений по обратной по- следовательности K2U, % 2 4
Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой по- следовательности Кои, % 2 4
Отклонение частоты Д/ Гц ±0,2 + 0.4
Таблица 4,2. Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения
Значения коэффициента искажения, %
Нормально допустимые Предельно допустимые
f/ном , кВ £4юм • кВ
0.38 6...20 35 ПО...330 0,38 6...20 35 НО... 330
8,0 5.0 4,0 2.0 12.0 8.0 6,0 3,0
ИЗ
Таблица 4.3, Коэффициент л-й гармонической составляющей напряжения
Значение коэффициента, %
Нечетные гармоники, не кратные 3 Нечетные гармоники, кратные 3 Четные гармоники
п £7ном, кВ п ^Аюм, кВ п ^7цом, кВ
0,38 6...20 35 110...330 0,38 6...2q 35 11О...ЗЗО 0,38 6...20 35 НО...330
5 7 11 13 17 19 23 25 >25 6,0 5,0 3,5 3,0 2,0 1,5 1,5 1,5 0,2+1,Зх х25/л 4,0 3,0 2,0 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0 0,2+0,8х х25/л 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 0,2+ +0,6х х25/л 1,5 1,0 1,0 0,7 0,5 0,4 0,4 0,4 0,2+ +0,2х х25/и 3 9 15 21 >21 5,0 1,5 0,3 0,2 0,2 3,0 1,0 0,3 0,2 0,2 3,0 1,0 0,3 0,2 0,2 1,5 0,4 0,2 0,2 0J2 2 4 6 8 10 12 >12 2,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,2 0,2 1,5 0,7 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 1,0 0,5 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,5 0,3 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
4.2. Нормирование ЭМП и ЭМС в странах Евросоюза
Большую работу по созданию нормативных документов по ЭМС прово-
дит Технический комитет 77-й Международной электротехнической комиссии
(МЭК). За время своей работы (с 1973 г.) он разработал около 20 международ-
ных стандартов и технических документов в области ЭМС [17].
Стандарты, принятые техническим комитетом, делятся на четыре группы
[17]:
1) основополагающие стандарты;
2) сводные нормы;
3) стандарты на группы однородных изделий;
4) стандарты на изделия.
По первой группе выпущен стандарт IEC 61000-1-1 ’’Электромагнитная
совместимость. Применение и интерпретация основных понятий и терминов”.
В данном стандарте разъясняется применение основных понятий ЭМС в прак-
тике проектирования и расчета электромагнитно-совместных систем. Все уст-
ройства делятся на две основные группы: генераторы помех и устройства, чув-
ствительные к помехам. Для нормальной работы в общем электромагнитном
окружении обеих групп устройств должны быть предприняты меры по ограни-
чению помех, генерируемых первой группой устройств, и обеспечению поме-
хозащищенности устройств второй группы. Для этого устанавливают нормы на
максимально допустимую эмиссию помех и минимально допустимую помехо-
защищенность. Координация этих норм осуществляется с помощью установ-
ленного уровня ЭМС, который не имеет статус нормы, а рассматривается как
отправная величина, на основании которой вырабатываются собственно нормы.
114
Следует отметить, что термин ’’норма” в стандартах МЭК применяется только к
устройствам, а не к среде, в которой они работают. Устройства при их изготов-
лении должны проверяться на соответствие этим нормам. Что касается уровней
ЭМС, то они, как правило, являются типовыми характеристиками среды, а не
требованиями к ней. Эти характеристики определяют на основе статистических
данных, соответствующих характерным ситуациям, в которых на практике
обеспечивается нормальная работа различных устройств в общем электромаг-
нитном окружении.
По второй группе выпущен ряд стандартов, которые распространяются на
промышленные предприятия:
1. IEC 61000-2-1 “Электромагнитная совместимость. Электромагнитная
обстановка для низкочастотных кондуктивных помех и сигналов, передаваемых
в системах электроснабжения общего назначения". В данном стандарте, кото-
рый используется как рабочий документ, дано описание различных видов по-
мех, их источников и влияние ЭМП на различные устройства.
2. IEC 61000-2-2 "Электромагнитная совместимость. Уровни совмести-
мости для низкочастотных кондуктивных помех и сигналов, передаваемых в
низковольтных системах электроснабжения общего назначения". В данном
стандарте установлены уровни ЭМС для систем электроснабжения общего на-
значения для кондуктивных помех в частотном диапазоне до 10 кГц. Уровни
ЭМС устанавливаются для электрических сетей переменного тока частоты 50 и
60 Гц с номинальным напряжением до 240 В однофазного и до 415 В трехфаз-
ного тока. Уровни ЭМС установлены для следующих видов ЭМП: 1) гармоник;
2) интергармоник (гармоник, не кратных основной частоте); 3) колебаний на-
пряжения; 4) провалов напряжения и кратковременных перерывов питания;
5) несимметрии напряжения; 6) сигналов, передаваемых по силовым линиям;
7) изменений основной частоты переменного тока.
Гармоники. Уровни ЭМС для гармоник напряжения должны принимать-
ся в соответствии с табл. 4.4. В случае, если присутствуют одновременно не-
сколько источников гармоник, суммарное их воздействие должно оцениваться
одним из следующих способов:
- коэффициентом искажения синусоидальности
[40
К(/=Ж. (4.1)
V п=2
где Un* -Un/Utt0M ; U„ - напряжение и-й гармоники. Допустимая величина
устанавливается равной 8 %;
- взвешенным коэффициентом искажения
[40
(4.2)
V п=2
который пропорционален среднеквадратичному гармоническому току, проте-
кающему через конденсатор, подключенный к сети с искаженным синусои-
115
дальным напряжением. Для того чтобы ток в конденсаторе не превышал
1,3 Лом кб, величина К™ не должна превышать 0,7 при U- Цюмкь и 0,4 при
(/ ~ 1,1 UH0M Kg.
Таблица 4.4. Уровни ЭМС для гармоник напряжения в низковольтных
электрических сетях
Нечетные гармоники, не кратные 3 Нечетные гармоники, кратные 3 Четные гармоники
Номер гармоники Напряжение, % Номер гармоники Напряжение, % Номер гармоники Напряжение, %
1 2 3 4 5 6
5 6 3 5 2 2
7 5 9 1,5 4 1
11 3,5 15 0,3 6 0,5
13 3 21 0,2 8 0,5
17 2 Более 21 0,2 10 0,5
19 1,5 Более 12 0,2
23 1,5
25 1,5
Более 25 0,2 + 0,5-25/и
Интергармоники. Интергармоники - это гармоники тока или напряже-
ния с частотой, не кратной основной частоте сети. Они могут быть в виде дис-
кретных частот или широкополосного спектра. Интергармоники вызывают по-
мехи в приемных устройствах систем передачи сигналов по силовым линиям.
Уровень ЭМС для индивидуальных интергармоник установлен равным 0,2 % от
t/ном питающей сети.
Колебания напряжения. Уровни ЭМС устанавливаются только для из-
менений напряжения прямоугольной формы (рис. 4.2).
Провалы напряжения и кратковременные перерывы питания. Уров-
ни ЭМС не установлены, так как они не прогнозируемы, случайны и должны
описываться статическими методами. Длительность провалов может быть от
100 до 1500 мс.
Несимметрии напряжения. Уровень ЭМС для коэффициента обратной
последовательности рекомендуется не более 2 % от 1/|10М.
Изменения основной частоты. Частота питающего напряжения в нор-
мальных режимах не должна отличаться от номинальной более чем на ±1 Гц.
3. IEC 61000-2-4 ’’Электромагнитная совместимость. Уровни совместимо-
сти на промышленных объектах для низкочастотных помех проводимости”.
В стандарте для промышленных систем электроснабжения установлены
три класса ЭМС в зависимости от видов применяемого оборудования.
Первый класс. К данному классу относятся ЭП, чувствительные к ЭМП
(аппаратура технологических лабораторий системы автоматики и защиты, ЭВМ
и т.д.).
116
600 300 120 30 12 3 1 0,3 0,1 0,03 дл с
Рис. 4.2. Допустимые размахи напряжения, устанавливаемые
документом IEC 61000-2-2
Второй класс. Этот класс применяется к точкам общего присоединения в
питающих сетях промышленных предприятий. Уровни ЭМС для данного клас-
са идентичны изложенным в IEC 61000-2-2.
Таблица 4.5, Уровни совместимости для ЭМП
Вид помехи Значение ЭМП
до 1 кВ 10, 35 кВ
Отклонение напряжения ± 10% ± 10%
Размах изменения напряжения 5% 5%
Несимметрия напряжения 2% 2%
Отклонение частоты ± 10% ± 10%
Коэффициент искажения синусоидальности кривой на- пряжения 8% 8%
Коэффициент и-й гармонической составляющей напряжения, %
Нечетные гармоники Четные гармоники
не кратные 3 кратные 3
5 6% 3 5% 2 2%
7 5% 9 1,5% 4 1 %
11 3,5 % 15 0,5 % 6...24 0,5 %
13 3% 21 0,5 %
17 2%
19...25 1,5%
Примечание. Значения ЭМП, указанные в таблице, допускаются в течение 95 % вре-
мени недели.
117
Третий класс. В этот класс входят следующие ЭП: преобразователи, сва-
рочные установки, ЭП с резкопеременным режимом работы, ЭП с частозапус-
каемыми электродвигателями.
Электроприемники типа дуговых печей и крупных преобразователей мо-
гут иметь уровни ЭМП более третьего класса. В этих случаях уровни ЭМС
должны быть согласованы с энергоснабжающей организацией.
Для каждого класса даются уровни ЭМС по всем нормируемым ЭМП.
Для стран Евросоюза был разработан и в 1994 г. принят стандарт
EN 50.160 "Характеристики напряжения электричества, поставляемого энерго-
системами". Действие стандарта распространяется на сети низкого (до 1 кВ) и
среднего (10, 35 кВ) напряжений. Данный стандарт устанавливает уровни ЭМС
для следующих видов ЭМП: 1) гармоник; 2) колебаний напряжения;
3) отклонений напряжения; 4) несимметрии напряжений; 4) изменений основ-
ной частоты переменного тока. Уровни ЭМС приведены в табл. 4.5.
118
5. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ
5Л. Исходные положения
Цель расчетов - определение расчетных показателей ЭМП в точках элек-
трических сетей, в которых национальными стандартами нормируются уровни
ЭМП и ЭМС.
Расчетное значение ЭМП сравнивается с допустимым по стандарту:
(5-1)
если неравенство (5.1) не выполняется, то необходимо предусмотреть меропри-
тия по снижению \gp.
Основными ЭМП, которые нормируются ГОСТ 13109-97, являются от-
клонения частоты и напряжения, колебания напряжения, несинусоидальность и
несимметричность напряжения.
Исходными данными для расчета ЭМП при проектировании систем элек-
троснабжения являются графики электрических нагрузок Qt{t) отдельных
ЭП и параметры систем электроснабжения (7?, X). При малых сопротивлениях R
и X фаз питающей сети графики нагрузок отдельных ЭП считают не зависящи-
ми от изменений напряжения. Этот принцип инвариантности индивидуальных
нагрузок существенно упрощает расчеты, так как можно вначале найти харак-
теристики суммарных процессов Рр и (?р, а затем перейти к потерям напряже-
ния, %:
ДС/ =
[(^ +
2р*)Мм]1оо=
\ I 17/
100.
(5.2)
Чтобы избежать раздельного суммирования активных и реактивных на-
грузок, применяют графики приведенных (фиктивных) реактивных нагрузок
D
(5.з)
-А
которые для группы ЭП суммируются алгебраически. Тогда
ДС7«(ерЛМм)100 = ^1а,/^ом =(£еп,Д,)100, (5.4)
где 3 - мощность короткого замыкания в точке расчета ЭМП.
В проектной практике кроме (5.4) пользуются также выражением
AC7«(Sp/S’>c.J100. (5.5)
Формулы (5.2) - (5.5) являются определяющими при расчете основных
видов ЭМП, которые нормируются ГОСТ 13109-97.
119
5.2. Расчет отклонений напряжения
Отклонения напряжения оказывают наибольшее влияние на экономиче-
ские характеристики ЭП. Поэтому их расчет является обязательным для всех
систем электроснабжения. ГОСТ 13109-97 нормирует ОН на зажимах ЭП, что
не совсем правильно. В современных энергосистемах насчитываются сотни ты-
сяч ЭП, поэтому провести проверку всех ЭП не представляется возможным.
Стандарты МЭК и Евросоюза нормируют ОН на шинах, от которых питаются
группы ЭП (в точках общего присоединения), что позволяет значительно со-
кратить трудоемкость расчетов.
Для систем электроснабжения промышленных предприятий точками об-
щего присоединения следует считать шины 0,4 кВ цеховых понижающих под-
станций и шины 6, 10 кВ распределительных пунктов, от которых питаются
высоковольтные ЭП.
Расчет сводится к определению уровней напряжения в периоды макси-
мума и минимума нагрузок потребителей электроэнергии. Для расчета состав-
ляется однолинейная схема электроснабжения потребителей (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Упрощенная схема электроснабжения
для расчета уровней напряжения
Уровень напряжения в период максимума нагрузок на шинах 0,4 кВ /-й
ТП определяется по выражению
U'2l=U{ -Af/;rnn+8[/Tlnn-At/',-At/;in,+5C/Tll„, (5.6)
где - уровень напряжения на шинах 110 - 220 кВ ГПП в период максимума
нагрузки (задается энергосистемой), %; АС/' 1ИП - потеря напряжения в транс-
форматоре ГПП, %; 8(Д 1ПП - добавка напряжения, создаваемая трансформато-
ром ГПП, %; АС/',- потеря напряжения в линии; AC/' 1Н / - потеря напряжения в
120
трансформаторе z-й линии, %;8(7Т Tni - добавка напряжения, создаваемая транс-
форматором /-й ТП, %.
Уровень напряжения в период минимума нагрузки на шинах 0,4 /-й ТП
рассчитывается по формуле
U’2i = и* - дс/;_ mn + 3t/T гпп - wni - дс/*1П, + st/T.Г|1/. (5.7)
Составляющие, входящие в (5.7), аналогичны составляющим выражения
(5.6), но они определяются в период минимума нагрузки.
Потеря напряжения в любом элементе систем электроснабжения рассчи-
тывается по формуле (5.2).
При определении потери напряжения в период максимума нагрузки в ка-
честве Р и Q в выражение (5.2) подставляется максимальная расчетная нагруз-
ка, протекающая по данному элементу сети, а при определении потери напря-
жения в период минимума нагрузки - минимальная нагрузка, протекающая по
данному элементу (если минимальная нагрузка неизвестна, то можно принять
^rnin = 0,25Рmax, 0min ~~ 0,25 0max)*
При нахождении потери напряжения для понижающих трансформаторов
все составляющие в выражении (5.2) должны быть приведены к тому номи-
нальному напряжению, которое подставляется в это выражение.
Все понижающие трансформаторы могут создавать "добавки" напряже-
ния, с помощью которых компенсируются потери напряжения в элементах сис-
темы электроснабжения. "Добавки" могут быть положительными и отрицатель-
ными. "Добавка" напряжения трансформаторов, выраженная в процентах, т.е.
отклонение вторичного напряжения от номинального при первичном номи-
нальном, составляет
5t/T =(U2>IOM,TUmvl/UmUHOM2) 100 % -100%, (5.8)
где £>2ном.т" номинальное вторичное напряжение трансформатора, В, кВ;
С^номн ^ном2 " номинальное напряжение сетей, к которым подключены первич-
ная и вторичная обмотки трансформатора, В, кВ; L/0T- напряжение ответвле-
ния, В, кВ.
Все понижающие трансформаторы на ГПП имеют устройства для пере-
ключения ответвлений под нагрузкой (РПН), такие трансформаторы могут соз-
давать отрицательные и положительные "добавки" напряжения в зависимости
от положения ступени переключателя в пределах ± 16 %, число ступеней ± 9 по
1,78 %. Цеховые понижающие трансформаторы не имеют устройств для пере-
ключения ответвлений под нагрузкой, они снабжены так называемым переклю-
чением ответвлений без возбуждения (ПБВ), т.е. переключение ответвлений
производится при отключенном трансформаторе. Такие трансформаторы соз-
дают следующие ’’добавки" напряжения 8£/т в зависимости от положения регу-
лировочных ответвлений первичной обмотки :
121
ДС/0Т +5 +2,5 0 -2,5 -5
8(/т О 2,5 5 7,5 10
При первоначальном расчете уравнений напряжения по выражениям
(5.6), (5.7) все отпайки трансформаторов ставят на нулевую ступень, т.е. имеют
8С/Т= 5 %. После определения U2 и U2 проводят проверку уровней напряже-
ния на шинах 0,4 кВ ТП. В соответствии с ГОСТ 13109-97 должно быть
U2 > - 5 %, a U2 < 5 %. Если на каких-то ТП уровни напряжения выходят за
границы ± 5 % от [/ном, то небольшие отклонения, в пределах 5 %, можно уст-
ранить за счет изменения положения ПБВ на этих ТП, а большие - за счет при-
менения средств регулирования напряжения.
5.3. Расчет колебаний и провалов напряжения
Колебания напряжения вызываются ЭП с резкопеременным режимом ра-
боты (ДСП, прокатные станы, сварочные установки и т.п.). Согласно
ГОСТ 13109-97 оценку допустимости колебаний следует проводить по кривым
предельно допустимых размахов измерения напряжения (см. рис. 4.1) или по
дозе фликера. Определение колебаний напряжения по дозе фликера трудоемко,
поэтому ниже дается методика расчета колебаний по кривым 1 или 2 рис. 4.1.
Данные кривые были построены для колебаний напряжения, огибающая кото-
рых имеет форму меандра. Реальные колебания напряжения имеют разнообраз-
ную форму: от периодических прямоугольных до случайных марковских. Не-
периодические колебания напряжения можно привести к эквивалентным по
энергии или средней мощности за время контроля процесса, которое принима-
ется равным 10 мин.
Эквивалентный размах колебаний напряжения
(5.9)
где 8Ц2 . размахи колебаний напряжения на интервале t = 10 мин; т - число
размахов на данном интервале.
Проверка допустимости колебаний напряжения должна производиться из
условия
5ЦЭКВ^8ЦЛДО, (5.10)
где 8Uta д 0 берется по кривым 1 или 2 рис. 4.1 при эквивалентной частоте раз-
махов, равной
Гэкв=ди/10. (5.11)
122
При проектировании эквивалентный размах колебаний напряжения опре-
деляется по графикам нагрузки.
При одном ЭП
bU(i = /ИМП/(Я,. coscp + X, sinф) 100% /1/ном , (5.12)
где /имп/ - ток импульса сварки; R, X - активное и индуктивное сопротивления
сети от ЭП до точки, в которой напряжение принимается постоянным (шины
ГПП); £/ном - номинальное напряжение сети, при эквивалентной частоте разма-
ха
= 2^/10, (5.13)
где К - число импульсов сварки за 10 мин.
Если к расчетному узлу подключаются несколько ЭП, создающих коле-
бания напряжения, то
8(//экв = 0,538/7
/max * (5.14)
Здесь 817/тах - максимальный размах напряжения, который определяется по
выражению
Stf/m» =^ma*n(^COS(p + A'sin<p)100%/f/HOM , (5.15)
где /тахя - максимальный пик тока нагрузки суммарного графика; 7?, X - актив-
ное и индуктивное сопротивления сети от центра приложения пиковой нагруз-
ки до точки, в которой напряжение принимается постоянным.
В электрических сетях выше 1000 В эквивалентные размахи напряжения
определяются по упрощенным выражениям.
Для прокатных станов
8^. = ^80,2/п7 1ОО%Д, . (5.16)
Для дуговых печей:
1) при одинаковой мощности
8Ц,кв=^пл,100%/5к.3; (5.17)
2) при разной мощности
8Ц,КО = ^„.т, /Sn.Tmax 5„.тгаач 1 00% /SK 3, (5.18)
где 5(2, - значение /-го размаха колебаний реактивной мощности (определяется
из технологических графиков); т - число размахов SQt за цикл; SILI/ - мощ-
ность z-го печного трансформатора; т тах - мощность максимального печного
трансформатора; 3 - мощность короткого замыкания в точке подключения
ЭП; ип - число печей.
3 23
На рис. 5.2 показаны области частот колебаний напряжения различных
Рис. 5.2. Предельно допустимые размахи изменений напряжения
в точках подключения: ДСП (а); прокатных станов холодного (б) и горячего (в) проката;
блюмингов и слябингов (г); точечных и рельефных сварочных установок (д); установок
стыковой контактной сварки и прессов (е); установок шовной сварки (ж)
5.4. Расчет несинусоидальности напряжения
Целью расчета несинусоидальности напряжения является определение
Км и сравнение его с нормативным согласно ГОСТ 13109-57. Для определения
А^нс следует найти Un отдельных гармоник, для чего необходимо провести рас-
чет электрической цепи с одним или несколькими источниками токов гармо-
ник. Исходные данные для расчета сети: расчетная схема; параметры всех эле-
ментов; параметры нагрузок, получающих питание от данной сети; значение
мощности короткого замыкания питающей системы.
Если источниками несинусоидальности являются ЭТУ напряжением до
1000 В и мощность их не превышает 20 % мощности питающего трансформа-
тора на ГПП, то расчетную схему можно составлять только до шин напряжени-
ем 6 - 10 кВ источника питания. Если же мощность ЭТУ до 1000 В превышает
20 % мощности питающего трансформатора или на предприятии имеются дру-
гие источники гармоник, в том числе в сети напряжением 6-10 кВ, то расчет-
ная схема должна составляться для всего предприятия.
Рассмотрим порядок расчета спектров напряжения для типовой схемы
электроснабжения цеха, когда источниками гармоник являются ЭСУ
124
(рис. 5.3, а). На основании расчетной схемы составляется схема замещения
(рис. 5.3, б), при этом источники гармоник представляются как источники тока.
Зная параметры элементов сети и нагрузок, можно определять гармонические
сопротивления и проводимости отдельных элементов:
- для трансформаторов
гтя=лт^+ят„; (5.19)
- для статических конденсаторов
XKV=-A; (5.20)
п
- для группы из п электродвигателей
+ К„п, (5.21)
«д «л
где Rn, Хп- средние пусковые сопротивления двигателей; KR~ коэффициент
включения;
- для питающей системы напряжением 6 кВ и выше
си = ^номЛ/’
- для кабельных линий напряжением 6 и 10 кВ
^в лп ~~ ^в >
- для сетей напряжением до 1000 В
7? + jXH сп.
(5.22)
(5.23)
Рис. 5.3. Схема электроснабжения (а) и схемы ее замещения (6, в)
при расчете спектров напряжения
(5.24)
<0
б)
После определения гармонических сопротивлений и проводимостей от-
дельных элементов схемы замещения проводится ее свертывание к схеме, при-
125
веденной на рис. 5.3, в. Рассчитываются результирующее сопротивление и про-
водимость для ветви с последовательными сопротивлениями:
%0п = Z».cn + л„ + ZTn + ZHCn, (5.25)
r0„ = l/Z0„. (5.26)
Суммируя комплексные проводимости всех параллельных ветвей по v-й
гармонике, получаем
= + + (5-27)
Спектральный состав напряжения на шинах напряжением 0,4 кВ под-
станции определяется по формуле
(5-28)
Коэффициент несинусоидальности напряжения, %,
К и = 1,17^3 + t/52+... + C/2l00 /t7,, (5.29)
где 1,1 - коэффициент запаса, учитывающий неучет четных гармоник и гармо-
ник (п + 1)-го порядка.
Расчет следует проводить для следующих номеров гармоник: 3, 5, 7-й для
сварочных машин и дуговых печей; 5, 7, 11, 13-й для ЭТУ с выпрямителями по
шестифазной схеме; 11, 13, 23, 25-й для ЭТУ с выпрямителями по двенадцати-
фазной схеме; 23,25,47,49-й для ЭТУ по двадцатичетырехфазной схеме.
Максимальные значения Ку в сетях выше 1000 В определяются по упро-
щенным выражениям, %:
1) для одиночного преобразователя:
при шестифазной схеме выпрямления
^=2Snp/10SK.3min; (5.30)
при двенадцатифазной схеме выпрямления
Ки = V2Snp/10SK3min; (5.31)
2) для группы из п реверсных преобразователей:
при шестифазной схеме выпрямления
^=^n2p/10^3roi„; (5.32)
при двенадцатифазной схеме выпрямления
^/=^2£sn2p/10SK3min; (5.33)
3) для группы п согласованно работающих шести- или двенадцатифазных
126
преобразователей
^=SnpI^/10S,.jmin. (5.34)
Для электродуговых печей
Ки= 0,345рдп/10SK3min. (5.35)
В последних выражениях - мощность преобразователя; Sp д„ - расчетная
мощность дуговых печей; 5к зт;п- минимальный ток короткого замыкания в
точках подключения ЭП.
5.5. Расчет несимметрии напряжения
При несимметрии напряжения в трехфазных сетях появляется ущерб от
дополнительных потерь в элементах электросетей, сокращения срока службы
электрооборудования и снижения экономических показателей его работы. Ис-
ходя из этого основной задачей расчета несимметрии напряжения в сетях с
ЭТУ является расчет несимметрии, вызываемой эффективной нагрузкой, так
как несимметрия, вызываемая пиковой нагрузкой, носит кратковременный ха-
рактер и ущерб от нее незначителен.
Поскольку ЭТУ, как правило, включаются на линейное напряжение, при
расчете несимметричных режимов следует определять только составляющие
обратной последовательности Z/2. При расчете примем следующие допущения:
напряжение на шинах источника питания постоянное; сопротивление элемен-
тов сети не зависит от нагрузки; для отдельных ЭТУ coscp неизменный; вклю-
чение ЭТУ происходит независимо друг от друга. Такие допущения дают осно-
вание считать трехфазную сеть симметричной и полагать симметричные со-
ставляющие отдельных ЭТУ независимыми.
Напряжение обратной последовательности рассчитывается по формуле
t/2=/2Z2p, (5.36)
где Z2p - результирующее сопротивление обратной последовательности.
Ток обратной последовательности /2 определяется следующим образом:
если имеем одну ЭТУ, подключенную на линейное напряжение, например (7дв,
то ток этой установки ZAB(/A = -/в = /АВ, /АС = 0).
Тогда
+ (5-37)
По модулю
127
|/2a| = 'ab/V3.
(5.38)
При нескольких ЭТУ, имеющих различный coscp, необходимо перейти к
проекциям векторов токов отдельных ЭТУ на взаимно перпендикулярные оси х
и у, что позволяет произвести алгебраическое сложение проекции токов от-
дельных ЭТУ. Исходными данными для расчета должны быть характеристики
ЭТУ. Проекции токов обратной последовательности зависят от фазы подклю-
чения ЭТУ и выбранного направления оси у. Например, если ось у совместим с
направлением вектора 1/А, то получим следующие значения проекций векторов
токов обратной последовательности для одной ЭТУ:
-при лАВ=1, ПВС “ ПСА ~ 0
12х=-^Зт(60° (539)
Л, =-^=-cos(60°-<pAB); (5.40)
-при ивс =1, ИАВ = ЛСА ~ 0
Лх=“^5ШфВС, (5.41)
hy ~ ^C0S(Pbc’» (5-42)
-при пСА =1, WAB = ЛВС ~ 0
/2x=-^sin(60°+<pCA), (5.43)
^v=-^cos(60o+<pCA). (5 44)
При большом числе ЭТУ несимметрия возникает от неравномерности
распределения ЭТУ по парам фаз (иАВ ивс * nQK), неодинаковой их мощности
и неодновременного включения
Средние значения и дисперсии импульсов совпадения проекций симмет-
ричных составляющих получаются суммированием соответствующих индиви-
дуальных характеристик всех ЭТУ:
^2срл ~ ХЛхАвП®фс + Х^2хВС^фс+ХЛхСА ПВфс , (5 45)
I I I
128
di2x = T(Лхав)2 ПВф,(1 - ПВф с)+5(/2хВС)2 пвф.с X
1 I
хПВфс(1-ПВфс) + 5(/2хСА )2 ПВфс(1-ПВфс). (5.46)
।
Аналогичные формулы будут и для /2сру, Dl2v.
Модуль среднего тока
Лср=А/(Лсрх)2+(ЛсрУ7- (5.47)
Дисперсия составляющей обратной последовательности
D/2=D72, + DZ2v. (5.48)
Эффективное значение составляющей обратной последовательности для
группы ЭТУ
Лэф=д/(ЛсР)2+^2- (5-49)
Расчет 12 по приведенным формулам при большом числе ЭТУ трудоемок,
поэтому его можно проводить по упрощенной методике, принимая cos<p всех
ЭТУ одинаковым.
Известно, что относительное значение тока обратной последовательности
(5.50)
где - эффективная однофазная нагрузка; SK 3 - мощность короткого замы-
кания.
Для определения результирующего сопротивления обратной последова-
тельности Z2 необходимо составить расчетную схему и схему замещения сети
относительно источника обратной последовательности согласно рекомендаци-
ям, данным в работах [4, 37] (расчет проводится в относительных единицах).
Тогда
^2эф* = ^2эф*^2р* ' (5.5 1)
Значение {72эф* сравнивается с допустимым по ГОСТ 13109-
97:К2и <2%, С/2эфф К2и . Если SK 3 > 505^, то К2и < 2 % и несимметрию на-
пряжений можно не рассчитывать.
129
6. ПОМЕХОЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА
6.1. Вводные замечания
При решении проблем ЭМС в электроэнергетических системах важное
значение имеют способы ослабления или подавления ЭМП. Практика эксплуа-
тации систем электроснабжения показывает, что наиболее эффективна система
подавления ЭМП в местах их возникновения. Однако, учитывая сложившуюся
структуру электрических сетей, которые строились без учета требований по
ЭМС, приходится помехозащитные устройства устанавливать не только у ис-
точников ЭМП, но и у ЭП, которые чувствительны к ЭМП.
Рассмотрим наиболее распространенные методы подавления ЭМП.
6.2. Фильтры
В электрических системах фильтры применяются прежде всего для того,
чтобы уменьшить амплитуду токов или напряжений одной или нескольких
фиксированных частот (параллельные фильтры).
Когда 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 включен-
ных конденсатора и катушки индуктивности, создающих большое сопротивле-
ние протеканию тока на выбранной частоте. Однако такое решение не может
быть применено для ограничения уровня гармоник самого источника, посколь-
ку генерация гармоник нелинейными элементами подстанции (например,
трансформаторами и статическими преобразователями) является неотъемлемой
чертой их нормальной работы.
Что касается статических преобразователей, то обычно в них приняты
меры к ограничению проникновения гармоник тока в систему с помощью соз-
дания короткозамкнутого пути с малым сопротивлением для гармонически^
частот, В принципе возможна разработка комбинированных последовательных
и параллельных фильтров для минимизации гармоник тока и напряжения, но
для этого необходимы большие затраты.
Говорят, что параллельный фильтр настроен на определенную частоту,
если на этой частоте его индуктивное и емкостное реактивные сопротивления
равны.
Добротность фильтра Q определяет точность его настройки. Фильтр с вы-
соким уровнем добротности (от 30 до 60) настраивается строго на одну из низ-
ких гармонических частот (например, пятую). Фильтр с низким уровнем доб-
ротности имеет малое сопротивление в широком диапазоне частот, особенно в
случае, если его уровень добротности не превышает 5. Если такой фильтр ис-
пользуется для подавления гармоник высоких порядков (например, свыше 17-
й), то его можно рассматривать и как фильтр верхних частот. На рис. 6.1 и 6.2
130
представлены основные схемы фильтров и соответствующие зависимости со-
противления от частоты.
Для настроенного фильтра Q определяется как отношение индуктивности
(или емкости) при резонансе к активному сопротивлению:
Q = X0/R.
Рис. 6.2. Схема параллельного фильтра вто-
рого порядка подавления частот (а) и зави-
симость его полного сопротивления
от частоты (б)
Рис. 6.1. Схема параллельного фильтра, на-
строенного на одну частоту (а),
и зависимость его полного сопротивления
от частоты (б)
Как показано на рис. 6.1, б, полоса пропускания частот фильтра Р ограни-
чена частотой, на которой реактивное сопротивление фильтра равно его актив-
ному сопротивлению (т.е. угол полного сопротивления равен 45°), и частотой,
на которой модуль полного сопротивления равен \i2R. Добротность фильтра
связана с шириной его полосы пропускания следующим соотношением:
Q=«>n/P,
где - настроенная угловая частота, рад/с.
Точность настройки фильтра подавления высоких частот обратна доброт-
ности настроенных фильтров, т. е. Q = R / X.
Степень несоответствия настройки фильтра номинальной настроенной
частоте характеризуется коэффициентом 8, учитывающим изменения основной
(питающей) частоты, изменения емкости и индуктивности фильтра, вызывае-
мые старением деталей фильтра и колебаниями температуры, а также собствен-
ную расстройку фильтра, связанную с промышленными допусками при его из-
готовлении и конечностью шагов настройки.
Общая расстройка фильтра на единицу номинальной настроенной
частоты
8 = (ю-®, ,)/©„.
Кроме того, изменение L или С, например, на 2 % вызывает такую же
расстройку фильтра, как и изменение частоты системы на 1 %. Следовательно,
131
3 можно представить и в виде
_ Д/ ifAL де")
/„ 2. L„ С„
У И \ п И /
Критерии расчета фильтров. Мощность фильтра определяется по реак-
тивной мощности, генерируемой фильтром на основной частоте. Эта мощность
почти в точности равна реактивной мощности основной частоты, генерируемой
конденсаторами. Суммарная мощность ветвей фильтра определяется требова-
ниями по реактивной мощности, предъявляемыми к источнику гармоник, и тем,
в какой степени эти требования могут быть удовлетворены за счет сети пере-
менного тока.
Идеальный критерий разработки фильтра - подавление всех искажений
формы волны, в том числе и телефонных помех, являющихся самыми сложны-
ми для подавления. Однако идеальный критерий не реален. С технической точ-
ки зрения, очень трудно предварительно оценить проникновение гармоник в
сеть переменного тока. С экономической точки зрения, уменьшение телефон-
ных помех может быть получено с меньшими затратами, если принять некото-
рые предварительные меры в телефонных системах и энергетической системе в
целом.
Более реальный критерий предполагает уменьшение искажений до допус-
тимого уровня в точке общего соединения нескольких потребителей и исполь-
зование или гармонического тока, или гармонического напряжения, или того и
другого. 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 на-
пряжений, чем значение рабочего тока.
Для того чтобы учесть требуемые гармонические ограничения, при раз-
работке фильтров необходимо следовать схеме:
1) в цепь, состоящую из фильтров, параллельно соединенных с электри-
ческой системой переменного тока (рис. 6.3), вводится спектр гармоник тока,
генерируемый нелинейной нагрузкой на соответствующих частотах, и рассчи-
тываются гармоники напряжения;
2) результаты, полученные после выполнения предыдущего пункта, ис-
пользуются для определения других характеристик, таких, как искажение на-
пряжения, коэффициенты влияния на линии связи и др.;
3) в заключение рассчитываются напряжения на элементах фильтра (кон-
денсаторах, катушках индуктивности, сопротивлениях) и их параметры и
потери.
Особое внимание при разработке фильтров следует уделить трем элемен-
там: 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
132
для каждой частоты минимальное значение общей эквивалентной проводимо-
сти, дающей максимальное искажение напряжения.
Токи гармоник от
Токи гармоник в
источника
сеть
Рис. 6.3. Схема определения коэффициента искажения напряжения
Определив схему соединения конкретного фильтра, можно построить
геометрическое место точек, соответствующее сопротивлению (проводимости)
фильтра. Гораздо труднее построить кривую, соответствующую сопротивле-
нию источника тока даже с малой точностью.
Описанный фильтр представляет собой однополюсную схему, способную
гасить весь спектр пропускаемых гармоник (например, для случая шестипульс-
ного преобразователя гармоники, начиная с пятой). Однако требуемая для осу-
ществления 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 по-
следовательную ALC-цепочку (рис. 6.1), настроенную на частоту одной гармо-
ники (обычно характеристической гармоники малого порядка). Полное сопро-
тивление такого фильтра
Zx = Я + /(ш£-1/шС) (6.1)
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 относи-
тельное отклонение частоты 8, определения которых были даны ранее.
Для того чтобы выразить полное сопротивление фильтра через Q и 8, ус-
тановим следующие соотношения:
® = <о„(1 + 5), (6.2)
й„ = 1/71с, (6.3)
где - угловая частота настройки, рад/с,
133
xQn=^~\i<bnc=jL[c9
(6.4)
где %0 - реактивное сопротивление конденсатора или катушки индуктивности
на резонансной частоте, Ом,
Q = X0/R, (6.5)
C = \lanX0 = \l^nRQ, L = X0/&n=RQ/&„. (6.6) (6-7)
Подставляя (6.2), (6.6), (6.7) в (6.1), получаем
г*’я,+ИШ'
или, учитывая, что 8 мало по сравнению с единицей,
Z4>«/?(l + j286)=Jrofe-|+j28),
|гф|«я(1+452£2)'/2-
При разработке фильтров более удобно иметь дело не с полными сопро-
тивлениями, а с полными проводимостями:
Гф * Л(1 + /280) “ + ;Вф ’
Q п 2S02
ГДе * %о(1 + 48202)’ ф %о(1 + 48202)‘
Гармоника напряжения на зажимах фильтра
£Л =--------= \
кяф+гсл П
(6.8)
следовательно, для того чтобы уменьшить искажение напряжения, нужно уве-
личить суммарную проводимость цепи ’’система переменного тока - параллель-
но присоединенный фильтр”.
Для оценки максимального значения Un следует установить предельные
значения величин, истинные значения которых точно не известны: частотного
отклонения 8 и полной проводимости сети Усм. Поскольку с ростом 8 напряже-
ние гармоники увеличивается, то для анализа работы фильтра должно исполь-
зоваться наибольшее ожидаемое значение отклонения частоты 8„,. К тому же
необходимо учесть наихудшую характеристику системы - наименьшую полную
проводимость.
На основании этих предельных значений можно определить Q и мощ-
ность фильтра, В-A, на основной частоте.
134
Используя Q и 3, уравнение (6.8) можно переписать в виде
|</„| = Ufo. + 1/л(1 + 45202)]2 +[всп-250/я(1 + 48202)]2 (Л (6.9)
Анализируя годографы полных сопротивлений, можно показать, что гар-
монические полные сопротивления в системе координат R, J X 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 на больших частотах). Наибольшее напряжение
гармоники можно получить, используя фсл со знаком, обратным знаку 8.
Уравнение (6.9) приобретает вид
|^| = 7»{fc|cos(pc„ +Сф)2+(-|Усл|81П(рсп +Вф)2Г2
для фся, взятого с положительным знаком, а 8 - с отрицательным.
Поскольку значение |КСЛ| не ограничено, то полная проводимость, даю-
щая максимальное напряжение |С7Л|,
|УСЯ| = C0S<pC(I(2e5tgq>c„ - 1)/[л(1 + 40282)],
а ей соответствует
|г, । 1 + 40282
|t/J = -----------------г.
e(sin<pcn + 20cos<pc„)
Оптимальное значение
2 = (l + cos<pc„)/(28sin<pc„)
определяет наименьшее значение напряжения гармоники
W = Л.5® Л4/(1 + cos<pc„)] = 2/„Л/sin <рс„.
Однако фильтры не всегда проектируются для обеспечения минимума
напряжения соответствующей частоты. Обычно максимальное значение Q вы-
бирается с учетом использования фильтра для снижения потерь. При расчете
фильтра необходимо учитывать и возможность выхода из строя одной или не-
скольких фильтровых ветвей. При этом оставшиеся ветви фильтра могут ока-
заться перегруженными, так как вынуждены будут пропускать все токи гармо-
ник, генерируемые преобразователем.
Фильтры двойной настройки. Эквивалентные сопротивления двух од-
ночастотных фильтров (рис. 6.4, а) в районе их резонансных частот практиче-
ски равны сопротивлениям схемы фильтров, настроенной на две частоты
(рис. 6.4, б), при условии, что
с.=с4+сб,
135
С2 = [саСв(Са +С6)(Аа + £6)2]/(£аСа - ЛбСб)2,
А = АЛб/(Д1+ ^б)«
£2 = (£аСа -£бСб)2/[(Са +Сб)2(£а +£6)],
где а — Са / С6; х — y[L6C6/ LaCt.
«) 6)
Рис. 6.4. Преобразование двух одночастотных фильтров (а)
в фильтр двойной настройки (б)
Такое равенство сопротивлений достигается с помощью добавочного со-
противления которое определяется минимальным активным сопротивлени-
ем катушки £|. Эта схема имеет преимущество по сравнению с одночастотными
фильтровыми схемами, так как позволяет существенно снизить потери энергии
на основной частоте. Главным достоинством фильтра, настроенного на две час-
тоты, является большое рабочее напряжение. Это связано с тем, что можно
уменьшить число индукторов, находящихся под полным линейным
напряжением.
Возможно создание фильтров, настроенных на три и четыре частоты, но в
этом редко бывает необходимость, так как подобные фильтры требуют слож-
ной подстройки.
Фильтры с автоматической настройкой. При разработке настроенных
фильтров желательно уменьшить максимальное отклонение частоты. Этого
136
можно добиться, применяя настройку фильтра с помощью автоматического от-
ключения емкости или изменения индуктивности. Обычно считается приемле-
мой регулировка ±5 %. В преобразователях постоянного тока используется СУ,
измеряющая реактивную мощность гармонической частоты в фильтре и изме-
няющая значение L или С в зависимости от ее знака и значения.
По сравнению с фильтрами с фиксированной настройкой автоматически
настраиваемые фильтры имеют ряд преимуществ:
1) имеют меньшую емкость конденсаторов;
2) применяемые конденсаторы могут иметь одновременно и большой
температурный коэффициент емкости, и большую реактивную мощность в рас-
чете на единицу массы и единицу стоимости;
3) из-за больших значений добротности потери мощности меньше.
Преимущества пп. 1 и 2 позволяют снизить стоимость конденсаторов -
наиболее дорогих элементов фильтра. Преимущество п. 2 снижает стоимость
сопротивлений и стоимость потерь.
Широкополосные фильтры. Они имеют следующие достоинства:
1) меньшую чувствительность к изменениям температуры, отклонениям
частоты, промышленным допускам при изготовлении элементов, потерям в
емкостных элементах и т.п.;
2) малое сопротивление широкому спектру гармоник, отсутствие необхо-
димости разбивки фильтра на параллельные ветви, вызывающей затруднения
при переключениях и обслуживании;
3) удобство применения в случае, если использование настроенных
фильтров вызывает появление резонанса токов между проводимостями фильтра
и системы на гармониках, меньших нижней частоты настроенного фильтра, или
на гармониках, лежащих между настроенными частотами.
Основные недостатки широкополосных фильтров:
1) для получения одинакового уровня фильтрации они должны быть рас-
считаны на более высокую мощность, хотя в большинстве случаев хорошая ра-
бота фильтра осуществляется в диапазоне, требующемся для регулировки ко-
эффициента мощности;
2) потери в сопротивлении и реакторе гораздо выше.
Типы широкополосных фильтров. Существуют четыре типа гасящих
фильтров: первого, второго, третьего порядков и С-типа (рис. 6.5). Фильтр пер-
вого порядка применяется редко, так как для него требуется конденсатор боль-
шой мощности, а потери на основной частоте велики. Фильтр второго порядка
удобен в эксплуатации, но потери на основной частоте по сравнению с фильт-
ром третьего порядка велики. Главным достоинством фильтра третьего порядка
являются малые потери на основной частоте (по сравнению с фильтром второго
порядка), связанные с увеличением полного сопротивления на этой частоте, вы-
званным наличием конденсатора С2. Емкость С2 много меньше емкости Сь
Фильтр С-типа занимает положение между фильтрами второго и третьего по-
рядков. Основным его преимуществом является существенно меньшие потери
на основной частоте из-за того, что на этой частоте С2 и L настроены последо-
137
вательно. Такие фильтры наиболее чувствительны к изменениям основной час-
юты и отклонениям параметров элементов.
г)
а) б) в)
Рис. 6.5 Широкополосные высокочастотные фильтры
а - первого порядка; б - второго порядка; в - третьего порядка; г - С-типа
Расчет широкополосных фильтров. При проектировании широкопо-
лосных фильтров добротность Q выбирается такой, чтобы обеспечивать наи-
лучшие характеристики в требуемом диапазоне частот; при этом не существует
оптимального значения (2, как это было в случае настроенного фильтра.
В [2] рассмотрено поведение широкополосных фильтров, использовались
следующие параметры:
/0 =1/2яСЯ, (6.10)
m = L/R2C. (6.11)
Обычно т лежит в диапазоне от 0,5 до 2. Для заданной емкости приве-
денные параметры (следовательно, L и R) выбираются такими, которые обеспе-
чивают достаточно большую проводимость в требуемом диапазоне частот.
Активная и реактивная составляющие полной проводимости гасящего
фильтра:
Оф = w2x4/[flj ((1 - тх2 У + т2х21, (6.12)
х 1-етх2 + т2х2
“Та-------Tv—ГУ’ (6,13)
*4 + етгх2
где х = ///0.
Можно показать, что минимальное значение общей проводимости (про-
водимости фильтра Уф и системы переменного тока Ycn)
У = ВфСО5<рт+G4,sin<pm, (6.14)
причем оба члена уравнения (6.14) больше нуля, а значение х меньше значения,
определяющего тождество
|с18Фф| = |<?ф/#ф| =|tg<Pm| •
138
Для больших значений х минимальная общая проводимость равна прово-
димости фильтра (т.е. Ycn = 0).
На рис. 6.6 показаны минимальные значения проводимостей широкопо-
лосного фильтра второго порядка, параллельно присоединенного к идеальной
системе без потерь (т.е.фт = ±90°). Для сравнения на рис. 6.7 показана активная
составляющая проводимости (Оф) гасящего фильтра третьего порядка для слу-
чая равенства емкостей конденсаторов С. Из рисунков видно, что пики кривой
фильтра третьего порядка гораздо острее, чем пики кривой фильтра второго
порядка.
Рис. 6.6. Полная проводимость низкочастотного фильтра второго порядка:
I- Фатах = ±90°, т = 1, Гс = 4< Ф,; 2 - Фатах =75°, т = L!R2C,f0 = 1 /2n€R
Рис. 6.7. Составляющая проводимости низкочастотного
фильтра третьего порядка: т = Ы R2C ; /0 = 1 /2nCR ; Ут = 6 + /В
Схемы фильтров. Обычно мощные статические преобразователи проек-
тируются на работу по крайней мере с 12-пульсным циклом. Однако очень час-
то по условиям эксплуатации или из-за временных сбоев в работе допускается
139
6-пульсная работа преобразователя. В этих условиях преобразователь генери-
рует дополнительно к характеристическим гармоникам 12-пульсного режима
гармоники 5-го и 7-го порядков. Эти гармоники отфильтровываются с помо-
щью специальной схемы, состоящей из настроенных фильтров для гармоник
малых порядков (5, 7, 11 и 13-го) и ВЧ гасящего фильтра для гармоник 17-го и
более высоких порядков.
Если необходимый 12-пульсный режим работы преобразователя может
быть обеспечен в любых условиях его эксплуатации, то из схемы фильтрации
можно исключить фильтры 5-й и 7-й гармоник. На рис. 6.8 показан пример схе-
мы соединений фильтров, использующейся в современных высоковольтных
преобразователях постоянного тока, и соответствующий годограф полных со-
противлений. На рисунке видны резонансные точки на 11, 13 и 27-й гармониках
и относительно малые сопротивления на 5-й и 7-й гармониках, примерно рав-
ные значениям, наблюдаемым при небольшой несимметрии.
Рис. 6 8 Схема фильтров преобразователя, работающего в 12-пульсном
режиме, и обычный годограф полного сопротивления
Полосовая фильтрация для 12-пульсных преобразователей. Установ-
ка на преобразовательной подстанции настроенных фильтров резонанса напря-
жений для 11-й и 13-й гармоник и ВЧ 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 оп-
ределяется минимальной емкостью конденсаторов, допустимой с точки зрения
140
экономики, и минимальной реактивной мощностью, генерируемой преобразо-
вателем.
Таким образом, схема фильтрации может быть упрощена либо заменой
настроенных фильтров 11-й и 13-й гармоник на один гасящий фильтр, либо за-
меной 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 го-
раздо меньше (2...4). Во втором случае гасящий фильтр также настраивается на
12-ю гармонику, но для обеспечения низкого сопротивления для больших гар-
моник добротность выбирается относительно малой (2...6). Кроме того, совме-
стная схема (рис. 6.8) обусловливает увеличение сопротивления на малых гар-
мониках.
В создаваемых в настоящее время мощных высоковольтных преобразова-
тельных схемах велика вероятность резонанса гармоник малых порядков между
полным сопротивлением системы и емкостным сопротивлением фильтра.
В зависимости от того, что является источником гармоник малых поряд-
ков - система переменного тока или преобразователь, может наблюдаться резо-
нанс напряжений и токов. Из-за несимметрии системы преобразователь генери-
рует существенную третью гармонику тока. Такие гармоники имеют прямую
последовательность чередования фаз и, следовательно, не поглощаются обмот-
кой трансформатора, соединенной в треугольник.
Для исключения появления резонанса на малых частотах следует приме-
нять схему фильтрации, состоящую из фильтра С-типа и фильтра второго по-
рядка.
При расчете фильтров не нужно рассматривать вероятность совпадения
резонансов нескольких гармоник.
6.3. Разрядники
Разрядники для защиты от перенапряжений служат для ограничения пе-
реходных перенапряжений, вызванных молнией, при отключении индуктивных
потребителей, разрядах статического электричества и т.д. Они являются нели-
нейными резисторами, которые в пределах рабочего напряжения обладают вы-
соким сопротивлением, при перенапряжениях их сопротивление снижается.
Вместе с полным сопротивлением источника помех (при длинных линиях это
волновое сопротивление Zo) они образуют делитель напряжения с нелинейным
коэффициентом деления, который снижает перенапряжения до значений,
меньших импульсной электрической прочности защищаемых элементов (коор-
динация изоляции при защите от перенапряжений) (рис. 6.9). Напряжение на
нелинейном резисторе определяется так:
cz'(г)=<Л,(/)-/п(/)ян. (6.15)
141
Различают три группы разрядников, которые отличаются напряжениями
срабатывания, устойчивостью к импульсам тока, сопротивлением при рабочем
напряжении, остаточным сопротивленем при включении, динамическими ха*
рактеристиками и др.
Рис. 6.9. Ограничение перенапряжения разрядником
Варисторы (ограничители перенапряжений). Варисторы - это нели-
нейные резисторы, изготовляемые из оксидов металлов (преимущественно
ZnO), сопротивление которых зависит от напряжения. Их вольт-амперная ха-
рактеристика в рабочем диапазоне приблизительно описывается уравнением
I = KU*. (6.16)
Коэффициент К зависит от размеров таблетки (площади и толщины), а
а > 25 - показатель, зависящий от материала. Характеристика симметрична и
подобна характеристике встречно включенных диодов Зенера (рис. 6.10, а).
Рис. 6.10. Вольт-амперные характеристики варисторов:
а - экспоненциальная симметричная зависимость I = KUa ;
б - зависимость в двойном логарифмическом масштабе (штриховая
линия - идеальная характеристика)
Из (6.16) для нелинейного статического сопротивления следует
R = U= U/(KUa )=— U .
К
(6 17)
142
В паспортах на варисторы нелинейная зависимость сопротивления чаще
всего дается в двойном логарифмическом масштабе, благодаря чему вольт-
амперные характеристики принимают форму прямых, изображенных на
рис. 6.10,6. За пределами рабочего диапазона при экстремально больших или
малых токах появляются отклонения от степенной зависимости, которые воз-
никают по причине не зависящего от напряжения остаточного сопротивления,
или от внешних токов утечки.
Схема замещения варистора изображена на рис. 6.11, а
а) 6)
Рис. 6.11. Упрощенная схема замещения варистора с учетом
ИНДУКТИВНОСТИ ПОДВОДЯЩИХ проводов /пар и емкости таблетки Спар (а);
монтаж варистора, обеспечивающий малую паразитную индуктивность (б)
В то время как изменение сопротивления на границах зерен ZnO (скачок
напряжения на границе каждого зерна равен примерно 3...5 В) происходит в
субнаносекундном диапазоне, из-за индуктивности выводов £пар и явлений по-
верхностного эффекта постоянные времени реальных изделий находятся в на-
носекундном диапазоне. Поэтому для того чтобы полностью использовать бы-
строе защитное действие активного элемента при высоких частотах или крутых
фронтах напряжения, следует подходить к монтажу варисторов так же, как к
монтажу помехоподавляющих конденсаторов (рис. 6.11,6).
Емкость Спар находится в диапазоне от 100 до нескольких десятков тысяч
пикофарад, причем большие значения имеют место при низких рабочих напря-
жениях и высокой нагрузочной способности по импульсному току. Влияние
емкости препятствует применению варисторов на высокой частоте (исключе-
ние - последовательное включение варисторов с диодами меньшей емкости).
Выбор типа варистора происходит следующим образом.
1. Выбор типа варистора по заданному номинальному рабочему напряже-
нию с учетом 10...20 % на повышение напряжения. Спектр рабочих напряже-
ний от 5 В до нескольких киловольт.
2. Определение размеров варистора в зависимости от максимального им-
пульсного тока, который вычисляется с учетом переходного напряжения и
внутреннего сопротивления источника помех (полного сопротивления ZH или
волнового сопротивления Zo при электрически длинных подводящих линиях).
Максимально допустимая нагрузка варистора импульсным током зависит от
числа срабатываний варисторов во время срока службы. При однократном сра-
батывании диапазон составляет от 100 А до 70 кА (блочные варисторы). При
143
повторяющихся срабатываниях эти значения при определенных обстоятельст-
вах должны уменьшаться на несколько порядков.
3. Определение размеров варистора по способности потреблять энергию.
Импульсный ток выделяет в варисторе тепловую энергию
W = р2 R(u)dt = '\i(t)u(t)dt, (6.18)
О о
которая в простейшем, "наихудшем" случае определяется как /тах мтах t. Если
перенапряжение создано при отключении катушки, то предельная энергия, ко-
торая может быть выделена в варисторе:
^тах^2-
Как и для максимального импульсного тока, максимальная способность
поглощения энергии зависит от числа срабатываний варистора во время всего
срока службы. При однократном срабатывании энергетический диапазон со-
ставляет от 0,14 Дж до 10 кДж. При повторяющихся срабатываниях эти значе-
ния при определенных обстоятельствах могут быть на несколько порядков
меньше.
4. Определение размеров варистора по продолжительности нагрузки. При
периодически повторяющихся перенапряжениях должна быть произведена
оценка мощности длительных потерь. Она рассчитывается как произведение
энергии одного импульса (согласно (6.18) и частоты повторения п (число им-
пульсов в секунду)):
P~Wn
или как частное от деления энергии импульса на длительность интервала между
импульсами:
P = W/T.
В зависимости от конструкции варистора длительная нагрузка лежит в
диапазоне 0,01.. .2 Вт.
5. Проверка уровня защиты. Если известен максимальный импульсный
ток, то остаточное напряжение на варисторе можно определить из вольт-
амперной характеристики; оно должно быть ниже значения электрической
прочности защищаемого устройства при импульсном воздействии. Если мак-
симальный ток заранее не известен, исходят из остаточного напряжения и рас-
считывают при помощи (6.15) приближенное значение тока, а также уточняют
остаточное напряжение. Многократное повторение этих вычислений дает ис-
комое остаточное напряжение.
Подробные указания по применению варисторов следует брать из катало-
гов различных изготовителей. Варисторы бывают дисковой или блочной конст-
рукции для больших токов и энергий в виде компонентов модульных устройств
либо имеют трубчатую конструкцию для штепсельных разъемов. Кроме того.
144
имеются заполненные ZnO термопласты и реактопласты, а также лаки для раз-
нообразного применения. Наконец, имеются варисторы из других зависящих от
напряжения материалов, например карбида кремния (большая мощность), ко-
торые по сравнению с ограничителями из ZnO находят меньшее применение.
Карбид кремния используется при высоких требованиях к стабильности в тече-
ние длительного времени, его недостатком является низкий показатель нели-
нейности (а = 2...7).
Кремниевые лавинные диоды. У таких диодов по сравнению с обыч-
ными полупроводниковыми при превышении напряжения пробоя р-и-переход
не разрушается, а пропускает большой ток в обратном направлении. До тех пор,
пока допустимая термическая мощность потерь в закрытом состоянии или при
импульсной нагрузке и допустимый интеграл квадрата тока ji2dt не превыша-
ются, не наступает разрушения запорного слоя (контролируемый пробой). Дио-
ды Зенера находят применение для защиты от перенапряжений в электронных
схемах. Для обеспечения ЭМС были разработаны специальные кремниевые ла-
винные диоды с большим по площади р-л-переходом для высокого допустимо-
го тока в обратном направлении (ограничительные диоды, стабилитроны, дио-
ды-поглотители и т.д.). Кремниевые лавинные диоды имеют, как и варисторы,
время срабатывания в субнаносекундном диапазоне, которое на практике из-за
индуктивности токопроводов перемещается в наносекундный диапазон. Анало-
гично варисторам они имеют сравнительно большие емкости (до 15000 пФ),
что препятствует их применению в ВЧ системах (исключение - последователь-
ное включение с малоемкостными диодами).
Кремниевые лавинные диоды - это, как правило, однополярные конструк-
тивные элементы. Путем встречного последовательного включения двух дио-
дов получают симметричную характеристику. Выбор кремниевых лавинных
диодов происходит аналогично выбору варисторов на основании характеристик
или предельных данных, даваемых изготовителем.
Искровые разрядники. Искровые разрядники перекрывают наибольший
диапазон напряжений срабатывания. Они защищают и электроэнергетические
системы при прямых ударах молнии (напряжение срабатывания вплоть до ме-
гавольтового диапазона), и телекоммуникационные сети (напряжение срабаты-
вания более 80 В). По сравнению с варисторами и лавинными диодами искро-
вые разрядники отличаются ярко выраженными коммутационными свойствами
(рис. 6.12). При динамической нагрузке напряжение на искровом промежутке
сначала становится значительно выше статического напряжения пробоя (изме-
ряемого при скорости увеличения напряжения 100 В/с). Спустя определенное
статистическое время разрядник пробивается, в результате чего его сопротив-
ление уменьшается в десятки раз, а напряжение падает сначала до напряжения
тлеющего разряда (70... 130 В), а затем при достаточно малом внутреннем со-
противлении источника тока до напряжения дуги U < 20.. .25 В (в основном это
падение напряжения в прианодной и прикатодной областях).
145
Рис. 6.12. Схематичное сравнение характеристик искровых
разрядников (а) и варисторов (6)
Искровые разрядники по сравнению с ограничителями перенапряжений
имеют два недостатка. С одной стороны, при большой крутизне напряжение
перед срабатыванием может на короткое время принимать очень большие зна-
чения, которые в некоторых случаях недопустимы для защищаемого объекта.
С другой стороны, напряжение горения разрядника мало, так что в цепях
постоянного тока разрядник после прохождения переходного перенапряжения
при определенных обстоятельствах не гасится. В низкоомных сетях рабочее
напряжение при этом вызывает через разрядник сопровождающий ток, который
его термически разрушает. Первая проблема разрешается путем выбора разряд-
ника с нужной вольт-секундной характеристикой (насколько это возможно) ли-
бо ступенчатой грубой или тонкой защитой. Вторая проблема решается путем
последовательного включения к разряднику варистора.
Вольт-секундная характеристика искрового разрядника описывает дина-
мический режим срабатывания при воздействии импульсными напряжениями
возрастающей крутизны. Она определяется производителем для каждого типа
искрового разрядника (рис. 6.13). Указанным выше недостаткам противостоят
заметные преимущества, заключающиеся в высокой допустимой токовой на-
грузке и малом активном сопротивлении после срабатывания, незначительной
емкости электродной системы. Сопротивление изоляции искровых разрядников
выше 1О10 Ом, а их емкость менее 10 пФ. Заполненные инертным газом разряд-
ники образуют основу защиты от перенапряжений в сетях связи, высокое внут-
реннее сопротивление и низкое рабочее напряжение которых не допускают
возникновения сопровождающего тока, поскольку напряжение горения дуги
более 60 В. В низкоомных сетях и при повышенных рабочих напряжениях за-
полненные инертным газом разрядники находят широкое применение в гиб-
ридных схемах.
146
Рис. 6.13. Характеристики искровых разрядников:
а - экспериментальное определение характеристики;
б - типичная характеристика из каталога изготовителя
Гибридные разрядные цепи. Высокая работоспособность искровых раз-
рядников, а также большое быстродействие и отсутствие сопровождающего то-
ка у варисторов и диодов делают целесообразным создание гибридных схем.
Возможной комбинацией является последовательное включение обоих видов
защитных устройств (рис. 6.14).
Рис. 6.14. Последовательное включение защитных элементов:
а - разрядника и варистора (грозозащита);
б - помехоподавляющего и малоемкостного диодов;
в - помехоподавляющего и малоемкостного диодов в мостовой схеме
На рис. 6.14, а показана схема вентильного разрядника, в которой после-
довательное включение нелинейного элемента способствует гашению дуги со-
провождающего тока. В грозозащитных вентильных разрядниках в качестве
материала варистора находит применение карбид кремния вследствие его дол-
госрочной стабильности. Присущий ему большой ток утечки здесь не играет
роли, так как варистор при работе в нормальном режиме отделен от сети искро-
вым рязрядником.
Для устранения влияния емкости диодов Зенера и ограничивающих ста-
билитронов в ВЧ цепях последовательно с ними включают малоемкостные
147
диоды (рис. 6.14, б, в). Допустимый прямой ток малоемкостного диода должен
быть равен максимальному импульсному току, а напряжение запирания должно
быть больше ир. Наряду с последовательным применяется также параллельное
включение искровых разрядников и варисторов (рис. 6.15).
а) б)
Рис. 6.15. Параллельное включение защитных элементов:
а - прямое; б - косвенное
В цепи на рис. 6.15, а перенапряжение ограничено напряжением излома
характеристики варистора, которое должно быть выбрано исходя из напряже-
ния срабатывания искрового разрядника. По истечении статистического време-
ни запаздывания искровой разрядник срабатывает и напряжение падает до зна-
чения, меньшего 20 В. Ток через варистор уменьшается таким образом до
обычных малых значений /у, а искровой разрядник весь импульсный ток при-
нимает на себя. Если требуется более низкий уровень защиты, меньший 100 В
(например, при измерениях, управлении и регулировании технологических
процессов), то оба элемента развязывают при помощи резистора или катушки
индуктивности (рис. 6.15, б). Этот принцип подразделения на грубую и тонкую
защиту можно при высоких требованиях распространить на трехступенчатую и
многоступенчатую защиту (рис. 6.16). И наконец, в зависимости от окружаю-
щих помех и механизма связи для подавления синфазных помех можно допол-
нительно использовать £С-фильтр или оптрон (рис. 6.17).
Рис. 6.16. Трехступенчатая защита
от перенапряжений (защитный каскад)
Рис 6.17. Совершенная ступенчатая защита
148
6.4. Оптроны и световодные линии
Оптроны дают возможность сильно подавлять синфазные помехи и часто
используются для развязки заземленных контуров, например, во вводах и вы-
ходах регуляторов с программируемой памятью или в системах передачи дан-
ных (рис. 6.18).
Рис. 6.18. Включение оптрона для подавления
синфазных сигналов (разрыв контура заземления):
П - передатчик; Пр - приемник
При заданных внешних условиях оптроны находят применение для пере-
дачи аналоговых импульсов напряжения или тока при высоких требованиях и
ширине полосы пропускания и умеренных требованиях к коэффициенту пере-
дачи. В зависимости от оптоэлектрического преобразователя оптроны обладают
различным усилением по току и разной полосой пропускания В:
Преобразователь КыЛх В
Диод 0,01 10 МГц
Транзистор 0,3 300 кГц
Транзистор Дарлингтона 3 30 кГц
Широкую полосу пропускания (10 МГц) в сочетании с большим усилени-
ем имеют оптроны, в которых применяется комбинация фотодиода и ВЧ тран-
зистора. Напряжения пробоя оптронов часто устанавливаются оптимистически.
Для ВЧ синфазных сигналов способность оптрона подавлять синфазную
помеху сильно падает вследствие паразитной емкости между входом и выходом
(от 1 до 10 пФ). Емкостная связь может быть уменьшена заземленным провод-
ником, расположенным между входом и выходом, если это допустимо по на-
пряжению.
Сколь угодно высокого подавления синфазной помехи, в том числе и при
высоких частотах, можно достигнуть при помощи световодных линий
(рис. 6.19). В то время как монолитные оптроны работают при напряжениях до
10 кВ, световодные линии выдерживают разность потенциалов вплоть до мега-
149
вольтового диапазона, например, в электроэнергетических системах или элек-
трофизических установках.
Рис. 6.19. Световодная линия передачи:
ВС - возбудитель светодиода; ТШ - триггер Шмитта
6.5. Разделительные трансформаторы
Разделительные трансформаторы позволяют гальванически развязывать
цепи переменного тока, поэтому они часто используются для разрыва контуров
заземления, подавления синфазных помех и т.д. (рис. 6.20). При постоянном
напряжении и переменном напряжении с частотой 50 Гц синфазные помехи по-
давляются полностью. При более высоких частотах подавление синфазных по-
мех снижается вследствие паразитной емкости между первичной и вторичной
обмотками. В этом случае помогает заземленный экран, который позволяет
синфазным токам течь непосредственно к источнику синфазного напряжения
(рис. 6.21). Эффективность экрана существенно зависит от полного сопротив-
ления Z обратной линии источнику синфазного напряжения. Где лучше зазем-
лить экран - у передатчика или приемника, зависит от места нахождения источ-
ника синфазного напряжения, размещения трансформатора и т. п.
Рис. 6.20. Принцип гальванической развязки цепей переменного тока
разделительными трансформаторами:
П - передатчик; Пр - приемник
Для оценки степени подавления синфазной помехи необходимо знать
значения емкостей между экранами и обмотками (100 пФ...1 нФ). При несим-
метричном расположении экрана относительно обмоток и несимметричном
размещении изоляции, что является, как правило, результатом грамотно выпол-
ненной изоляции, рассчитанной на воздействие определенного перенапряже-
ния, необходимо обращать внимание на установку экрана.
Правильно построенные разделительные трансформаторы для мостовых и
других измерительных цепей имеют до трех экранов (рис. 6.22). Оптимальное
150
подсоединение экрана зависит от вида и имеющихся условий присоединения к
массе и земле.
Рис. 6.21. Уменьшение связей через межвитковую
паразитную емкость при помощи заземленного экрана:
П - передатчик; Пр - приемник
Рис. 6.22. Разделительный трансформатор с тремя
раздельными экранами и различными способами заземления
Рис. 6.23. Примеры включения разделительных трансформаторов:
а - гальванически разделенное управление тиристорами;
б - питание осциллографа в испытательной лаборатории
высокого напряжения
151
Рассмотрим две схемы включения разделительных трансформаторов. На
рис. 6.23, а показана гальванически развязанная передача управляющих им-
пульсов на электроды управления мощных полупроводниковых приборов, ко-
торые находятся под разными потенциалами трехфазной системы. На рис.
6.23, б приведена схема подключения к сети питания измерительного прибора в
лаборатории высокого напряжения. Возникающие в оболочке измерительного
кабеля переходные токи из-за гальванической развязки не могут проходить на
землю прямо через корпус прибора, а могут только через паразитную емкость
Спарь Из-за большого сопротивления пути прохождения тока по оболочке кабе-
ля эти токи очень малы и, следовательно, создают малое напряжение помех.
При высоких частотах и соответственно быстрых повышениях потенциа-
лов возникает опасность появления заметных напряжений помех в измеритель-
ном кабеле, так как емкость Cnapi имеет малое сопротивление. Разделительный
трансформатор не только снижает напряжения помех, но и предотвращает об-
ратные перекрытия. Экран трансформатора благодаря емкости СпаР2 приводит
потенциал сетевого трансформатора осциллографа к потенциалу его корпуса и,
таким образом, исключает опасность пробоя изоляции.
6.6. Электромагнитные экраны
6.6. L Природа экранирующего действия
Природа действия электромагнитного экрана заключается в следующем.
Электромагнитное поле проникает в стенку экрана и возбуждает в ней заряды
или индуктирует токи, собственные поля которых накладываются на первичное
поле, частично или полностью компенсируя его. При этом несущественно, на-
ходится первичное поле внутри или снаружи экрана (рис. 6 24).
Рис 6 24 Обратимость экранирующего действия
а - ослабление излучения источника помех,
б - защита поглотителя помех от излучения,
ИП - источник помех, ПП - поглотитель помех
Мерой экранирующего действия является коэффициент экранирования,
152
который определяется отношением напряженности поля внутри экрана к на-
пряженности внешнего поля, которое имеет место при отсутствии экрана. На-
пример, для магнитного поля
Q = H„lHua. (6.19)
Коэффициент экранирования, как правило, является комплексным чис-
лом.
На практике часто используют термин "коэффициент затухания", кото-
рый определяется как логарифм отношения напряженностей внешнего и внут-
реннего полей:
= ln(l/|g|), Нп, или ажв = 201g(l/|g|), дБ. (6.20)
Различают постоянные и переменные поля, при этом последние подраз-
деляются на квазистатические (медленно меняющиеся) и электромагнитные
(быстро меняющиеся) (рис. 6.25).
Рис. 6.25. Классификация электрических и магнитных полей
Любое изменение квазистатического поля одновременно обнаруживается
повсеместно, и поэтому мгновенно воспринимаемая картина поля, соответст-
вующая определенному мгновенному значению напряжения или тока, всегда
совпадает с картиной статического поля, создаваемого таким же по значению
постоянным напряжением или током. Квазистатическое поле можно предста-
вить как временную суперпозицию статических полей одинакового простран-
ственного распределения Ev(x, у, z) или Ну{х, у9 z)9 которые для каждого случая
отличаются по напряженности только определенным постоянным множителем.
Если приемник находится в непосредственной близости от источника излуче-
ния (антенны), в так называемой ближней зоне, то он воспринимает стационар-
ное (пространственно фиксированное) квазистатическое поле. В частности,
штыревая антенна создает квазистатическое электрическое поле, а рамочная -
153
квазистатическое магнитное поле. В ближней зоне поле изменяется: увеличива-
ется или уменьшается во времени одновременно во всех точках.
На большом расстоянии от антенны приемник находится в так называе-
мой дальней зоне. Независимо от конструкции антенны в дальней зоне господ-
ствует нестационарное электромагнитное волновое поле.
Ближняя зона определяется не только расстоянием между источником и
приемником, но и скоростью изменения поля. Во временной области ближней
или квазистатической зоной считается пространство, протяженность которого
такова, что время нарастания поля Тн больше по сравнению с временем прохо-
ждения электромагнитной волной расстояния L. В частотной области ближней
зоной считается пространство, протяженность которого меньше длины волны
(£<Z).
6.6.2. Экранирование статических полей
Электростатические поля. Если в электростатическое поле внести пус-
тотелый проводящий шар, то на подвижные заряды в материале шара будут
воздействовать силы F = QE, которые влияют на пространственное распреде-
ление зарядов. Перераспределение зарядов будет закончено, когда тангенци-
альная составляющая напряженности электрического поля на поверхности эк-
рана станет равна нулю. Силовые линии электрического поля искривляются и
выходят перпендикулярно поверхности экрана. Поле смещенных зарядов и
внешнее поле в любой точке внутри экрана полностью компенсируют друг дру-
га. Можно показать, что этот эффект имеет место не только в пустотелом шаре,
но и при любой форме проводящего пустотелого экрана.
Экранирование электрического поля замкнутым (без щелей) проводящим
экраном бесконечно велико. Такой экран называют клеткой Фарадея.
Далее будет показано, что при изменяющихся во времени с большой ско-
ростью электрических полях коэффициент затухания имеет конечное значение.
Для нормальных составляющих поля при помощи закона Гаусса можно полу-
чить следующие выражения:
^н.вн ~ ® » ^н.вш ~ Ps /*0 ’
где ps - поверхностная плотность смещенных зарядов.
Для касательных составляющих из приведенных выше рассуждений сле-
дует Ен вн—Ец вш — 0.
Диэлектрические оболочки также оказывают определенное экранирую-
щее влияние на электростатические поля. Аналогично тому, как магнитный по-
ток проходит в основном через контур с высокой магнитной проводимостью
(относительная магнитная проницаемость цД поток электрического поля у
проходит через диэлектрик с высокой диэлектрической проводимостью (ди-
электрическая проницаемость еД
154
При большом отношении толщины стенки d к диаметру оболочки D
вследствие преломления линий электрического поля на границе электрический
поток, как правило, протекает в стенке экрана (рис. 6.26). Коэффициент затуха-
ния рассчитывается по формуле Кадена
аЕ = 1п(Евш/Евн)=In (1 +1,33 er d/D). (6.21)
Заметное экранирование наступает, очевидно, при zrd>> Dy т.е. только
при толстостенных экранах с высокой диэлектрической проницаемостью.
На основе закона Гаусса и законов индукции можно получить для диэлек-
трических экранов следующие соотношения тангенциальных Ек и нормальных
Ен составляющих напряженности электрического поля:
= ^к2’ ^н/ = ^н2 ~ erl/er2 ‘ (6.22)
Рис. 6.26. Экранирующее влияние толстостенной диэлектрической
пустотелой оболочки, например, кирпичной кладки,
экрана из титаната бария
Магнитостатические поля. Их можно экранировать при помощи ферро-
магнитных оболочек с большой магнитной проницаемостью аналогично тому,
как электростатические поля при помощи диэлектрических экранов с высокой
диэлектрической проницаемостью. Вследствие преломления линий магнитного
поля на границе поверхности в толстостенных экранах из материала с высокой
магнитной проницаемостью магнитный поток в основном проходит в стенке
экрана.
Коэффициент затухания рассчитывается так:
ан =1п(Явш/Явн)=1п(1 + 1,ЗЗегсЮ).
При отсутствии токов в экране можно на основе закона Гаусса и закона
непрерывности потока получить следующие соотношения нормальных и тан-
генциальных составляющих напряженности магнитного поля на поверхности
155
экрана:
Як. Нк2* #hI Мт|/Рг2 ’
6.6.3. Экранирование квазистатических полей
Переменные электрические поля. Экранирование квазистатических
электрических переменных полей происходит, как и электростатических полей,
за счет перераспределения зарядов. Однако если в электростатическом поле ко-
эффициент затухания бесконечно велик, то в переменном поле с ростом часто-
ты появляется фазовый сдвиг, который обусловливает конечное значение ко-
эффициента затухания. Этот эффект становится заметным при высоких часто-
тах. При квазистатических электрических полях коэффициент затухания, как
правило, предполагается также бесконечно большим. При этом используются
те же граничные условия, что и для электростатического поля. Реальные экра-
ны, например корпусы приборов, имеют зазоры, щели. Если отдельные стенки
экрана электрически между собой не связаны, то между ними возникает раз-
ность потенциалов и экран практически не действует (рис. 6.27, а). При экрани-
ровании от электростатических полей необходимо соединить экранирующие
элементы между собой в одной точке (рис. 6.27, б).
Рис. 6.27. Влияние эквипотенциальных соединений при
экранировании от электрических полей:
а - почти бездействующий экран с различными плавающими потенциалами;
б - существенное улучшение экранирования от
электрических полей за счет эквипотенциальных соединений
При наличии щелей между элементами экрана возможно электромагнит-
ное влияние через емкость щели. Это влияние можно ослабить при помощи ла-
биринтных уплотнителей. При высоких частотах элементы экрана должны
иметь многочисленные гальванические контакты для того, чтобы токи, влияю-
щие на выравнивание потенциалов, могли протекать по кратчайшему пути. В то
время как всесторонне замкнутый металлический экран обеспечивает отсутст-
вие поля внутри него и без заземления экрана, использование теневого эффекта
отдельных экранирующих листов требует их заземления. Однако отдельно за-
156
земленные экранирующие листы являются не столько экранами, сколько галь-
ваническими шунтами.
Переменные магнитные поля. Если в изменяющееся во времени маг-
нитное поле внести проводящую оболочку, то в ее стенках индуктируются на-
пряжения и вследствие электропроводности возникают токи. Магнитное поле
этих токов направлено навстречу возбуждающему полю. Взаимодействие пер-
воначального внешнего поля с противодействующим полем токов в стенках эк-
рана обусловливает внутри экрана результирующее поле меньшей напряженно-
сти. Так как экранирующее воздействие при переменных магнитных полях
осуществляется токами в стенках экрана, необходимо избегать зазоров в экра-
нах (рис. 6.28). При экранировании переменных магнитных полей недостаточно
осуществлять выравнивание потенциалов отдельных стенок при помощи не-
скольких уравнивающих потенциалы соединений. Зазоры по всей их длине
должны быть заполнены хорошо проводящими ток материалами или закороче-
ны. Вредное влияние зазоров в замкнутых экранах может свести роль экрана к
экранирующему действию одиночных пластин элементов экрана. Чем выше
электропроводность материала экрана, тем больше при одинаковой индуктиро-
ванной напряженности электрического поля токи в экране и тем выше коэффи-
циент затухания. Поскольку статические магнитные поля не могут индуктиро-
вать токи, то неферромагнитные оболочки для постоянных магнитных полей
(/*= 0) не оказывают никакого экранирующего влияния. С другой стороны, с
увеличением частоты тока коэффициент затухания квазистатических магнит-
ных полей стремится к бесконечности. Эта тенденция имеет предел на часто-
тах, для которых наряду с квазистатическим магнитным полем необходимо
также принимать во внимание магнитное поле токов смещения (электромаг-
нитные волны). При отсутствии поверхностных токов при помощи закона Гаус-
са и закона электромагнитной индукции получаются следующие соотношения
тангенциальных и нормальных составляющих напряженности поля на границах
экрана:
Як1 = ^к2» *н1 = #н2 = Нн/Нг2 • (6.23)
Рис. 6.28. Экранирование переменных магнитных полей:
а - почти бездействующий экран;
б - минимальные требрвания для экранов от переменных магнитных полей;
в - оптимальный экран
157
Поверхностные токи особенно сильно проявляются при полном вытесне-
нии тока (очень хороший проводник, бесконечно большая частота). В этом слу-
чае в материале экрана Нк[ = 0, в окружающем диэлектрике Нк2 = Л, где Js - по-
верхностная плотность тока на единицу длины. В последнем случае коэффици-
ент затухания для тангенциальных полей бесконечно велик. В то время как эк-
ранирование квазистатических электрических полей считается практически
идеальным, при квазистатических магнитных полях, как правило, стоит задача
определения коэффициента затухания. Он должен для каждого конкретного
случая определяться при заданных параметрах: частоте, толщине стенки, элек-
тропроводности, относительной магнитной проницаемости, конфигурации и
размерах экрана.
6.6.4. Экранирование электромагнитных волн
С ростом частоты описанный подход становится непригодным, так как
нельзя больше пренебрегать влиянием токов смещения. Это, как правило, имеет
место в случае, когда экран находится в дальней зоне передатчика, в которой
электрическое и магнитное поля связаны между собой не волновым сопротив-
лением антенны, а волновым сопротивлением вакуума (Zo= 377 Ом). В то время
как в квазистатическом магнитном поле возникает только магнитное противо-
действующее поле, в электромагнитном поле появляется заметное электриче-
ское противодействующее поле. Экран сам становится передатчиком и излуча-
ет электромагнитную волну, возникновение которой объясняется ниже.
Электрическое вихревое поле Еп падающей электромагнитной волны в
соответствии с уравнением J-qE^ возбуждает в электропроводящей стенке
экрана токи, которые обусловливают противодействующее магнитное поле Япр.
Магнитное противодействующее поле со своей стороны в соответствии с зако-
ном электромагнитной индукции связано с вихревым электрическим полем Епр,
которое совместно с Япр образует отраженную электромагнитную волну.
При детальном рассмотрении те же физические поля имеют место и в
случае квазистатического поля. Однако электрические вихревые поля при этом
настолько малы, что в непроводящей среде они в состоянии создавать только
небольшие токи смещения, которые не могут заметно изменить магнитные поля
Нп и Япр, обусловленные токами проводимости. В установившемся состоянии
поле во внешнем пространстве существует в виде суперпозиции падающей и
отраженной волн Е = Еп + ЕПР- В стенке экрана электрические напряженности
падающего и отраженного полей полностью уравновешиваются, т.е. Еп + Епр = О
илиЕпр=-Еп.
Для расчета коэффициента затухания необходимо составить волновые
уравнения для волн внутри и снаружи экрана. Граничные условия для компо-
нентов напряженностей электрического и магнитного полей такие же, как для
составляющих напряженностей квазистатического магнитного поля.
Оказывается, что оболочка экрана при высоких частотах ведет себя как
158
пустотелый резонатор. В области собственных резонансных частот наступают
резонансные разрывы функции коэффициента затухания, которые не делают
экран полностью прозрачным, но нарушают его работу.
6.6.5. Материалы для изготовления экранов
Для изготовления экранов применяются материалы, которые имеют вы-
сокую проводимость для потоков действующих полей и которые за счет индук-
ции способны создавать противодействующее магнитное поле. Наиболее часто
используются экраны из хорошо проводящих металлов и ферромагнитных ма-
териалов. Сравнение характеристик двух экранов одинаковой толщины из же-
леза и меди объясняет особенности их экранирующего действия (рис. 6.29).
Рис. 6.29. Зависимость коэффициента затухания as магнитного поля
цилиндрического экрана от частоты fi
1 - для железного экрана (го = 5 м, do = 0,1 мм, о = 7-106 См/м, = 200);
2 - для медного экрана (г^- 5 м, t/o= 0,1 мм, а = 58-106 См/м, = 1)
В области частот до 100 кГц глубина проникновения электромагнитного
поля больше, чем толщина стенки экрана, и материал с большой электропро-
водностью имеет более высокий коэффициент затухания. Экранирование здесь
основано только на затухании в экране, который действует как короткозамкну-
тый виток. При частотах выше 200 кГц глубина проникновения
5 = д/1/(яаца)
становится меньше толщины стенки экрана, начинает влиять магнитная прони-
цаемость и коэффициент затухания железного экрана выше, чем медного. При
очень низких частотах имеет место пересечение кривых, когда железный экран
при частоте/= 0 еще оказывает слабое экранирующее воздействие, а влияние
159
медного экрана на магнитостатическое поле уже отсутствует. Экраны из не-
ржавеющей стали из-за высокого удельного сопротивления и парамагнитных
свойств (цг ~ 1) имеют очень малый коэффициент затухания по сравнению с
медными или железными экранами. Когда влияют диэлектрическая и маг-
нитная проницаемости экрана, следует учитывать их зависимость от частоты,
а также нелинейные эффекты насыщения. Для того чтобы избежать явления на-
сыщения, в некоторых случаях применяются многослойные экраны, при этом
наружный экран, находящийся ближе к месту расположения источника помехи,
изготовляется из материала с низкой проницаемостью, но высокой индукцией
насыщения и внутренний ферромагнитный экран с большим экранирующим
влиянием испытывает воздействие уже ослабленного магнитного поля. Факти-
ческая проницаемость магнитного материала, подвергшегося механической об-
работке, часто оказывается значительно ниже справочных данных.
При очень низких требованиях к качеству экранирования можно интер-
претировать как электромагнитные экраны проволочную оплетку, стальную
сетку и др. Их экранирующее действие относительно невелико, и только в ред-
ких случаях они представляют собой удовлетворительное техническое
решение.
Замена металлических корпусов приборов на корпусы из пластмасс или
изоляционных материалов способствует большому распространению электро-
проводящих пластмасс или пластмасс с электропроводящим покрытием. Пла-
стмассы с высокой естественной электропроводностью находятся сейчас еще в
стадии разработки. Применяемые в настоящее время электропроводящие пла-
стмассы содержат большой процент добавок из металлических порошков и во-
локон. Многие пластмассовые корпусы покрываются внутри электропроводя-
щим слоем, образуемым путем пламенного или плазменного напыления, по-
крытия проводящими лаками и др. Стекла окон обычно покрываются прозрач-
ным электропроводящим слоем (вакуумное напыление, ионная имплантация и
т.д.). Экранирующее действие прозрачных электропроводных слоев ограничено
и обеспечивает заметный коэффициент затухания только при квазистатических
электрических полях. Защита от квазистатических магнитных полей оказывает-
ся слабой. Лучшее экранирующее влияние, прежде всего при высоких частотах,
оказывают прозрачные металлические сетки.
Высокое поверхностное сопротивление нанесенного тонкого слоя сказы-
вается отрицательно на экранировании, но в отношении отвода зарядов стати-
ческого электричества это дает определенные преимущества, так как возни-
кающие токи имеют малые значения.
При высоких частотах и больших толщинах стенок экранирующее дейст-
вие корпуса часто слабо зависит от его материала. Оно, как правило, определя-
ется чувствительными элементами, выбираемыми с учетом функциональных,
монтажных и производственных требований. При решении вопроса о выборе
материала экрана часто исходят не только из необходимого экранирующего
действия, но и из других соображений: служит ли материал для декоративного
покрытия готового изделия или сооружения либо образует несущую конструк-
160
цию, обладает ли он коррозионной стойкостью и т.д.
6.7. Грозозащита
Естественные ЭМП. Грозовые разряды - наиболее распространенные ис-
точники ЭМП естественного происхождения. На окружающие предметы, элек-
тротехнические сооружения, средства связи, радиоэлектронные устройства,
живую природу молнии оказывают неблагоприятные электростатическое, элек-
тромагнитное, динамическое, термическое, биологическое воздействия. Мол-
ния - разновидность электроразряда в газе газового разряда при очень большой
длине искры. В природе различают три основных типа грозовых разрядов: ли-
нейная и шаровая молнии, тихие разряды (корона). Линейная молния встреча-
ется в природе наиболее часто и является, по сравнению с другими видами гро-
зовых разрядов, самым распространенным источником ЭМП. Механизм обра-
зования линейной молнии связан с постепенным накоплением разнополярных
электрических зарядов на верхней и нижней частях облака и появлением вокруг
него электрического поля возрастающей напряженности. Когда градиент по-
тенциала в какой-то точке облака достигает критического для воздуха значения
(при нормальном атмосферном давлении около 3 • 106В/м), в этом месте возни-
кает молния, которая начинается лидерной стадией и завершается обратным
(главным) разрядом. Главная стадия грозового разряда и является источником
ЭМП. Поскольку в облаке образуется несколько изолированных друг от друга
скоплений зарядов, молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из не-
скольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути.
Средняя продолжительность главного разряда 20...50 мкс, число повторных
разрядов может колебаться в пределах 2... 10, интервал времени между повтор-
ными разрядами 0,001...0,5 с. Разрядный ток молнии представляет собой им-
пульс с быстрым нарастанием тока от нуля до максимума (фронт волны) и
сравнительно медленным спадом (хвост волны). Импульс тока молнии характе-
ризуется отношением /ф/ги (гф, ги - длительности импульса и его фронта). Ам-
плитудно-временные характеристики импульса тока молнии изменяются в ши-
роких пределах и носят вероятностный характер. Например, ток молнии изме-
няется от единиц до сотен килоампер, причем ток 180 кА возникает в 0,1 % об-
щего числа наблюдавшихся молниевых разрядов, а 80 кА - в 4 %. При ударах
молнии в землю длительность фронтов волн колеблется в пределах 1 ...15 мкс, а
длительность импульса достигает 10... 100 мкс. Важным фактором грозовой
деятельности является ее интенсивность, которая для различных районов СНГ
не одинакова и, как правило, минимальна на севере страны и увеличивается по
мере приближения к южным районам. В отдельных областях европейской час-
ти бывшего СССР число грозовых дней в году достигает 30 . .50, а на Кавказе -
40...50. При осуществлении мер защиты и определении электромагнитной об-
становки в той или иной области в качестве расчетных величин можно принять
следующие:
161
Амплитуда тока молнии, А 30000
Высота облака над землей, м 2000
Длина канала молнии, м 4500
Число повторных разрядов в течение одного
видимого удара молнии 3
Длительность фронта импульса, мкс 2
Длительность разряда молнии, мкс 50
Общая продолжительность молнии, с 0,5
Число разрядов на 1 км2 в год 0,1
Наибольшие значения амплитуд в спектре излучения молнии соответст-
вуют частотам 300...20 000 Гц.
Аналитически формула тока молнии имеет вид
'(')=/м Л[ехр(- а,/) - ехр(- а2/)],
где /м - амплитудное значение тока молнии; к - нормирующий множитель, оп-
ределяемый условием равенства единице амплитуды тока:
Л = l/[(a, /аг )а'1(аг-а' ’ - (а, 1аг У2^1 * ].
Для импульсной волны с Гф/Ги = 2/50 имеем к = 1,037, а\ = 0,0138-10"6 с’1,
а2 = 1,6248-10 с’1. Приближенные соотношения а\ и а2 по длительностям и
для случая а2»Я|: Q\ ; а2 = 32^^ [2].
Для грозовых разрядов существуют две наиболее неблагоприятные, с
точки зрения создания ЭМП, области. Первая - область близких грозовых раз-
рядов, для которой характерно либо прямое воздействие токов молнии на ЭП,
либо электромагнитное влияние излучения грозового разряда в ближней, соиз-
меримой с длиной его канала зоне. Как правило, граница этой области опреде-
ляется расстоянием 3...5 км от канала молнии. Вторая - область воздействия
ЭМП грозовых разрядов на ЭП, поскольку молния является источником элек-
тромагнитных полей, распространяющихся на большое расстояние от места
разряда, которые также оказывают неблагоприятное влияние на ЭП в своей
дальней (волновой) зоне излучения.
Напряженность электрических полей в области близких грозовых разря-
дов определяется выражением Е = Еэл + Ем, где Еэл - собственная электриче-
ская составляющая поля; £м - напряженность электрического поля, созданного
изменением во времени магнитного поля канала молнии. Для точек, лежащих
на расстоянии L>t^V от канала молнии, параметры Еэл и Ем принимают вид
,60ZM , _ 1
№ [ /(ш)2+1-₽2
,£ -60/мР , 1
L L 7(W+i:₽2
(6.24)
где р - коэффициент, связывающий амплитуду тока молнии и скорость обрат-
162
ного разряда К; L - расстояние от канала молнии до точки наблюдения, м; h -
длина канала молнии, м.
Для расстояний L/h<\, где формируется электромагнитная обстановка,
соответствующая первой области ЭМП, электрическая составляющая напря-
женности поля значительно превышает его магнитную составляющую. Тогда из
(6.24) после замены г' = L/h для р = 0,1 ...0,3, которые охватывают практически
весь диапазон изменения скоростей обратного разряда, встречающийся на
практике, получаем следующее выражение:
£,бо/мГ 1_____t)
рл I/ 7P7TJ'
Аналогично можно определить напряженность магнитного поля в окру-
жающем канал молнии пространстве:
/ \
я=_к_ 1 /
7F+Z2’(7l + Z2 +1)/
Воздействию грозовых разрядов или созданных ими ЭМП подвержены не
только объекты, находящиеся над землей или на ее поверхности, но и располо-
женные непосредственно в грунте. При этом земля, обладающая полупроводя-
щими свойствами, оказывает существенное влияние на формирование характе-
ристик электромагнитных полей в ее толще. При ударе молнии в землю ее ток
растекается от места удара во все стороны. При наличии участков с повышен-
ной по отношению к земле проводимостью (например, кабелей в металличе-
ской оболочке) поблизости от места удара молнии большая часть или весь ток
молнии может попасть в эту область, стремясь распространиться далее по пути
с наименьшим электрическим сопротивлением. Если расстояние от места удара
молнии в землю до объекта с повышенной электрической проводимостью тако-
во, что не возникает дуга и не происходит непосредственное стекание тока
молнии, то эта область находится в зоне действия повышенного потенциала,
который приближенно определяется по формуле U = 7м/(2лгр3), где г - рас-
стояние от места удара молнии до рассматриваемой точки, м; р3- удельное со-
противление грунта, Омм.
По мере удаления от места грозового разряда электромагнитные поля его
излучения затухают по амплитуде со скоростью, обратно пропорциональной
расстоянию, изменяясь по своей качественной структуре, и для L/h »1 суще-
ственно отличаются от ранее описанных. В дальнем поле излучения грозового
разряда его электрическая и магнитная составляющие начинают взаимодейст-
вовать, образуя плоскую электромагнитную волну с таким отношением элек-
трической и магнитной компонент поля:
Е/Н = 120 л = ^0,
163
где - волновое сопротивление свободного пространства.
При грозовых разрядах между облаками и землей возникающие поля из-
лучения молний могут охватывать значительные районы. Разряды в облаке и
воздухе порождают довольно сложные излучения, отличающиеся по своей
структуре от излучений при грозовых разрядах на землю. Они не дают типич-
ных импульсов, так как не имеют обратного разряда и в основном проявляются
на частотах 100. ..103 кГц.
Существует различие между внешней и внутренней грозозащитой. Пер-
вая служит для защиты людей и зданий и представляет собой при прямых уда-
рах молнии в здание один или несколько низкоомных и малоиндуктивных пу-
тей тока молнии на землю (молниеотвод, состоящий из токоприемника, спуска
и системы заземления). Наличие системы заземления является основным усло-
вием для внутренней грозозащиты. Последняя защищает электрические уста-
новки и электронные приборы внутри зданий от частичных токов молнии и по-
вышений потенциала в системе заземления, а также от связанных с ударами
молний электромагнитных полей. Внешняя грозозащита является классической
и производится в соответствии с ГОСТ Р 50571.19-2000. Внутренняя грозоза-
щита приобрела значение лишь в последние годы в связи с широким распро-
странением микроэлектроники.
Под внутренней грозозащитой понимают ряд мероприятий, которые спо-
собствуют защите от перенапряжений в силовой сети (коммутационные, грозо-
вые перенапряжения). Важнейшим мероприятием является выравнивание по-
тенциалов всех проводящих частей (трубы отопления, системы газоснабжения,
водопроводные) с потенциалом молниеотвода, заземлителя и заземленным ней-
тральным проводом сети. Между фазами А, В, С и уравнительной шиной вклю-
чаются вентильные разрядники. Вентильные разрядники срабатывают как при
перенапряжениях, поступающих из сети, так и при повышениях потенциала во
время прямого удара молнии.
В предположении отношения сопротивлений заземления и проводов
электроснабжения 1:10 приблизительно 10 % всего тока молнии проходит через
провода энергоснабжения, причем эти 10 % распределяются по отдельным про-
водам. Тем самым перенапряжения, обусловленные молнией у потребителя, ос-
таются наверняка меньшими 6 кВ. Наряду с классическими вентильными раз-
рядниками во внутренней грозозащите применяются специальные вентили с
параллельным соединением искрового разрядника и варистора. Варистор огра-
ничивает перенапряжения, возникающие относительно часто вследствие даль-
них ударов молний, искровой разрядник срабатывает при прямом ударе мол-
нии, если из-за больших токов на варисторе имеется достаточно высокое оста-
точное напряжение. При необходимости остающиеся перенапряжения, мень-
шие 6 кВ, могут быть еще уменьшены дополнительно включенными развязан-
ными последовательными индуктивностями и варисторами. Благодаря рацио-
нально эшелонированной защите можно, как и в сетях высокого напряжения,
достигнуть требуемой координации изоляции. По ГОСТ Р 50571.19-2000 в се-
164
тях напряжением 230/400 В в зависимости от удаления от ответвления к
потребителю и категории потребителя установлены перенапряжения 4; 2,5 и
1,5 кВ. Эта защита охватывает индуктированные грозовые перенапряжения, а
также все внутренние, т.е. созданные самими потребителями (например,
переходные процессы в низковольтной сети).
Таким образом, сложные установки и здания с многочисленными инфор-
мационно-техническими устройствами можно формально разделить по призна-
ку грозозащитных зон, что является дальнейшим развитием понятий внешней и
внутренней грозозащиты. При этом защищаемая установка подразделяется на
несколько обособленных защитных зон. Отдельные защитные зоны образуются
устройством внешней грозозащиты, экранами зданий (металлическими фасада-
ми, армировкой, помещениями для высоковольтных испытаний и пр.), внут-
ренними экранированными помещениями, измерительными камерами, корпу-
сами приборов и т.д. На границах защитных зон имеются отчетливые соедине-
ния, на которых могут располагаться одинаковые элементы защиты от токов,
обусловленных молнией, и от перенапряжений.
165
7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ И ПИТАЮЩИХ СЕТЕЙ
7.1. Классы электромагнитной среды
Электромагнитная совместимость достигается, когда уровень помехо-
устойчивости ЭП выше уровня ЭМП, воздействующих на ЭП в пределах элек-
тромагнитной среды, в которой он находится.
Зная назначение ЭП, его режимы работы и характер ЭМП, которые он ге-
нерирует в сеть, выбирают класс электромагнитной среды. Для каждого класса
должны быть известны допустимые уровни ЭМС (стандарт). Класс электромаг-
нитной среды зависит от величины ЭМП, генерируемых ЭП, и от помехоустой-
чивости ЭП. По аналогии со стандартом МЭК IEC 61000-2-4 предлагается ус-
тановить три класса электромагнитной среды.
Первый класс. В этот класс следует относить ЭП, чувствительные к
ЭМП. Это прежде всего ЭВМ, АСУ технологических процессов, СУ ответст-
венных ЭП, некоторая аппаратура технологических лабораторий и т.д.
Второй класс. К данному классу принадлежат ЭП, которые не создают
высоких уровней ЭМП и сами мало чувствительны к ЭМП. Это большинство
ЭП с электродвигателями переменного тока (насосы, вентиляторы, компрессо-
ры, дымососы, передвижные механизмы, станки, прессы и т.д.), электрические
печи сопротивления и индукционные печи промышленной частоты, электриче-
ское освещение и т.п.
Третий класс. К этому классу относятся ЭП, создающие высокие уровни
ЭМП. Это ЭП с преобразователями тока и частоты, электросварочные машины
и установки, ЭП с частозапускаемыми электродвигателями, ЭП с резкопере-
менным режимом работы.
Имеется ряд ЭП, которые создают ЭМП выше, чем ЭП третьего класса:
дуговые печи, прокатные станы, крупные электролизные установки. Эти ЭП
надо запитывать от отдельных трансформаторов от сетей 6, 10, 35, ПО кВ и
выше, и их уровни совместимости должны согласовываться с питающей энер-
госистемой.
В табл. 7.1 приведены рекомендуемые уровни ЭМС для всех трех классов
электромагнитных сред, которые соответствуют стандарту IEC 61000-2-4.
Таблица 7.1. Уровни ЭМС для различных классов электроприемников
Вид помехи, порядок гармоник (п) Класс 1 Класс 2 Класс 3
1 2 3 4
Отклонение напряжения ±8% ±10% + 10...-15 %
Провал напряжения 10... 100 % 10... 100 % 10...100 %
Длительность провала напряжения, полупе- риод 1 1...300 1...300
Длительность перерыва питания Нет - Не более 60 с
Несимметрия напряжения 2% 2% 3%
166
Окончание табл. 7.1
1 2 3 4
Отклонение частоты ±1 % ±1 % ±2%
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения 5% 8% 10%
Коэффициент л-й гармонической составляющей напряжения для гармоник, не кратных 3, %
5 3 6 8
7 3 5 7
11 3 3,5 5
13 3 3 4,5
17 2 2 4
19 1,5 1,5 4
23 1,5 1,5 3,5
25 1,5 1,5 3,5
Более 25 0,2 + 12,5/h 0,2 + 12,5/Л 5V11/A
Коэффициент и-й rapMOHHnecKoi гармоник, к fl составляющей напряжения для ратных 3, %
3 3 5 6
9 1,5 1,5 2,5
15 0,3 0,3 2
21 0,2 0,2 1,75
Более 21 о,2 0,2 1
Коэффициент и-й гармонической составляющей напряжения для гармоник четного порядка, %
2 2 2 3
4 1 1 1,5
6 0,5 0,5 1
8 0,5 0,5 1
10 0,5 0,5 1
Более 10 0,2 0,2 1
Примечание. Значения ЭМП, указанные в таблице, допускаются в течение 95 % вре-
мени недели. Отклонения напряжения для третьего класса в пределах +10...-15 % допуска-
ются при их длительности не более 60 с. При большей длительности возможны ОН в преде-
лах ±10 % от Uном.
7.2. Рекомендации по снижению уровней ЭМП, генерируемых
электроприемниками
При построении систем электроснабжения промышленных предприятий
не всегда удается подключать к питающим сетям ЭП одного класса электро-
магнитной среды. Особенно это относится к сетям до 1000 В, от которых
питаются большинство ЭП. От этих сетей питаются как сами ЭП, так и их СУ.
При совместном питании ЭП различных классов необходимо снижать уровни
ЭМП, генерируемых, например, ЭП третьего класса. Уменьшение ЭМП, созда-
ваемых ЭП, может производиться как на стадии его изготовления, так и в
167
процессе эксплуатации для конкретной сети с помощью групповых устройств.
Выбор метода снижения ЭМП должен проводиться на основании технико-
экономического обоснования вариантов уменьшения. Наибольший уровень
ЭМП на промышленных предприятиях создают: машины контактной сварки,
дуговые и индукционные электрические печи, прокатные станы, крупные элек-
тролизные установки. Рассмотрим возможные методы снижения ЭМП этих ЭП.
7.2.7. Машины контактной электросварки
Машины контактной сварки создают следующие виды ЭМП: отклонения,
колебания, провалы, несимметрию и несинусоидальность напряжения. Снизить
эти виды ЭМП можно путем уменьшения мощности (тока), потребляемой ЭСУ
из сети. Этого можно достигнуть следующим образом:
1) выпуском ЭСУ с установками продольной компенсации (УПК);
2) выпуском ЭСУ мощностью более 200 кВ -А с двумя трансформатора-
ми, включенными по схеме открытого треугольника;
3) оптимальным построением главных схем включения трансформаторов
многоточечных сварочных машин и автоматических сварочных линий.
Применение УПК. Выбор УПК для сварочной машины осуществляется
исходя из следующих условий:
1) необходимого coscp
*упк=ад.. (7-1)
где Кк - степень компенсации индуктивного сопротивления;
2) перегрузочной способности конденсаторов УПК
/упк^ЗЛ,. (7.2)
На рис. 7.1 показаны схема и векторная диаграмма ЭСУ с УПК.
В табл. 7.2 приведены характеристики наиболее распространенных сва-
рочных машин с УПК. Для УПК использованы конденсаторы типа КМ-0,22-16
(220 В; 16 квар; 72,7 А; 3,025 Ом). Поскольку сопротивление конденсаторов
всегда больше сопротивления сварочной машины, то конденсаторы включают-
ся параллельно.
Число батарей, включаемых параллельно, определяется из соотношения
п = ^КБ/^УПК > О-3)
где %КБ - сопротивление одной банки конденсаторной батареи, и округляется
до ближайшего целого.
Общая мощность батареи у каждой сварочной машины
£?упк лС?кб • (7.4)
Как видно из табл. 7.2, применение сварочных машин с УПК позволяет:
1) повысить до единицы coscp этих установок;
168
2) уменьшить в 1,5 - 2 раза токи, потребляемые сварочными машинами из
сети, и, следовательно, снизить примерно в 3 раза потери мощности в элемен-
тах системы электроснабжения и уменьшить сечение проводников;
3) увеличить загрузку цеховых трансформаторов в 1,5-2 раза и сократить
их количество в 1,5 - 2 раза;
4) снизить в 1,5-2 раза колебания напряжения в сети;
5) уменьшить в 1,5 - 2 раза несимметрию напряжения в сети.
Рис. 7.1. Схемы замещения (а) и векторная диаграмма (5) сварочной
машины с УПК
Таблица 7.2, Данные сварочных машин без УПК и с УПК
Тип машин МТПП- 75 МТ- 1206 МТ- 1607 МТПУ- 300 МПТ- 200/ 1200 мш- 2001
1 2 3 4 5 6 7
Потребляемая мощность без УПК, кВ А 75 55 85 300 200 120
Потребляемая мощность с УПК, кВА 46,8 35.2 52.3 122 183 73.5
costp без УПК 0,6 0.54 0,26 0,41 0.26 0,32
coscp с УПК 1,0 0,98 1,0 1,0 _ 1.0 1.0
ZM без УПК, Ом 1,59 1,82 0,52 0Л9_ 0.52 0.95
ZM с УПК, Ом 1,685 2,06 1,35 0,553 Т42~4 1.027
RM без УПК, Ом 0,958 0,99 0,14 0,16 0.14 0.3
169
Окончание табл. 7.2
1 2 3 4 5 6 7
RM с УПК, Ом 1,017 М7 0,67 0,185 0,18 0,32
Ум без УПК, Ом 1,27 1,62 0,5 0,36 0,5 0,95
Ум с УПК, Ом 1,34 1,77 1,12 0,523 0.38 0,97
0УПК, квар 32 32 32 96 128 48
«УПК. ШТ. 2 2 2 6 8 3
А^упк, В 170 127 212 150 149 168
А о
1 СТ <
- 380 В В о... (
2СТ <
С о--------------Г
Рис. 7.2. Схема сварочной машины с
двумя трансформаторами:
СТ - сварочный трансформатор
Кроме того, конденсаторы не перегружаются по напряжению, что значи-
тельно повышает срок их службы.
С точки зрения стоимости УПК, наиболее экономичным является вариант
полной компенсации ХМ9 т.е. работы
ЭСУ с coscp = 1.
Выпуск ЭСУ с двумя трансфор-
маторами, включенными по схеме от-
крытого треугольника. Мощность
рельефных и стыковых сварочных ма-
шин достигает 1000 кВ-А в единице. Эти
машины создают особенно большие
уровни ЭМП, так как напряжение их пи-
тания 380 В. Для снижения уровня ЭМП
крупные машины следует включать по
схеме открытого треугольника (рис. 7.2). Данная схема позволяет снизить
потребляемый ток в фазе В на 27 %, а в фазах А и С на 50 %. Соответственно
примерно на столько же процентов уменьшаются все ЭМП, создаваемые этими
машинами.
Оптимальное построение главных схем включения трансформаторов
многоточечных сварочных машин. Электрическая схема многоточечной сва-
рочной машины должна обеспечить не только коммутацию сварочного тока во
всех сварочных контурах, но и управлять работой всех исполнительных меха-
низмов в соответствии с программой заданного автоматического цикла. Совре-
менная многоэлектродная сварочная машина представляет собой сложный
электрический комплекс, состоящий из силового электрооборудования, испол-
нительных устройств, обеспечивающих перемещение и фиксацию свариваемо-
го изделия, и электронной аппаратуры управления. При известном перечне
операций, выполняемых сварочной машиной, решается вопрос о совмещении
их во времени и пространстве.
Схемы электроснабжения многоточечных сварочных машин имеют ие-
рархическую структуру с двумя уровнями. Первый уровень - это группировка
сварочных трансформаторов по контакторам (рис. 7.3). Второй уровень - груп-
пировка контакторов по трем парам фаз (рис. 7.4) [5].
Показатели, по которым необходимо группировать сварочные трансфор-
маторы:
170
1) номер технологической (сварочной) операции или момент начала опе-
рации;
2) угол управления тиристорного контактора, который определяется ре-
жимом сварки одного сварочного контура;
3) время протекания сварочного тока.
Рис. 7.3. Схема силовых цепей многоточечной сварочной
машины (первый уровень):
п - номер сварочного трансформатора;
Sn - мощность сварочного трансформатора
Пары фаз подключения
Сварочные трансформаторы
Рис. 7.4. Схема главных цепей многоточечной сварочной машины
Трансформаторы, имеющие одинаковые показатели, могут быть сформи-
рованы в группы и коммутироваться одним контактором.
171
Проектирование схемы силовых цепей на втором уровне заключается в
группировке контакторов по трем парам фаз. Существуют три способа включе-
ния групп сварочных трансформаторов:
1) одновременное включение групп сварочных трансформаторов во всех
трех фазах;
2) поочередное включение групп сварочных трансформаторов в разных
фазах;
3) включение по схеме ограничения числа одновременно работающих
групп сварочных трансформаторов.
Группировка первым способом осуществляется по номеру технологиче-
ской операции. Все контакторы, имеющие одинаковый номер операции, рас-
пределяются равномерно (по току сварки группы сварочных трансформаторов)
по трем парам фаз.
Группировка вторым способом выполняется также по номеру технологи-
ческой операции. Контакторы с номером операции п подключаются на фазу
АВ, с номером п + 1 - на фазу ВС, с номером п + 2 - на фазу СА и т.д.
Первый способ группировки применим для многоточечных сварочных
машин средней мощности с большим количеством сварочных трансформаторов
и контакторов, а второй способ - для машин малой мощности, выполняющих
сварку небольшого количества точек.
Включение по схеме ограничения числа одновременно работающих
групп сварочных трансформаторов (третий способ) чаще всего используется в
мощных многоточечных машинах. Группировка контакторов по схеме ограни-
чения числа одновременно работающих групп сварочных трансформаторов
производится следующим образом. Все контакторы с одинаковым номером
операции записываются по убыванию тока группы сварочных трансформаторов
(рабочему току контакторов). Затем суммируются рабочие токи контакторов и
на каждом шаге суммирования осуществляется сравнение с максимально до-
пустимым пиком. Если произошло превышение суммарного тока контакторов
над максимально допустимым пиком, то производится вычитание тока послед-
него контактора и подбор контактора с меньшим током до выполнения условия
ограничения. Полученная группа контакторов подключается на фазу АВ, а рас-
чет продолжается для следующей операции, контакторы которой подключены к
фазе ВС, и т.д. Неподключенные контакторы с тем же номером операции груп-
пируются в совокупность, которая также проверяется по условию ограничения
пикового тока. Полученная совокупность подключается к другой паре фаз и
функционирует после окончания работы предыдущей группы контакторов.
Длительность цикла при этом увеличивается на время работы указанной груп-
пы. Общее увеличение длительности цикла работы многоточечной сварочной
машины складывается из суммы времен работы ограниченных групп контакто-
ров по каждой операции.
Для машин с большим количеством групп сварочных трансформаторов
применяется схема с одновременным включением групп во всех трех фазах.
172
7.2,2. Дуговые сталеплавильные печи
Наибольший уровень всех ЭМП ДСП переменного тока генерируют в пе-
риод расплавления металла. Поэтому снизить уровень ЭМП, создаваемых эти-
ми печами, можно путем уменьшения времени расплавления.
Рис. 7.5. Графики электрической нагрузки печей ДСП-100 с трансформатором
мощностью 25 MB A (а) и ДСП-100 НЗ с трансформатором
мощностью 60 MB A (б)
Сокращение длительности расплавления достигается за счет увеличения
мощности печного трансформатора (форсировка расплавления). На рис. 7.5
приведены усредненные графики потребления активной и реактивной мощно-
сти дуговой печью емкостью 100 т с трансформаторами мощностью 25 и
173
60 MB-А. Как видно из рисунка, при мощности трансформатора 60 МВ -А вре-
мя расплавления сократилось со 175 до 70 мин, т.е. в 2,5 раза. Однако при дан-
ном способе сокращения времени расплавления несколько увеличивается по-
требляемая печью активная и реактивная мощность. Так, для печи с мощностью
трансформатора 60 MB-А это увеличение достигло двухкратного. Поэтому ука-
занный способ снижения ЭМП перспективен при наличии на предприятии не-
скольких печей. В этом случае сдвигается время расплавления различных пе-
чей, что позволяет в 2 - 3 раза снизить уровни ЭМП на шинах источника пита-
ния, к которому подключаются эти печи.
Рис. 7.6. График нагрузки ДСП-100 с трансформатором
мощностью 80 MBA
Рис. 7.7. График нагрузки ДСП-150 с трансформатором
мощностью 90 MB A
Эффективность применения номинальной мощности трансформаторов
существенно повышается при внепечной обработке жидкой стали (рис. 7.6). В
этом случае ДСП используется только для расплавления шихтовых материалов,
174
а жидкий полупродукт обрабатывается в специальных ковшах или вакуумных
установках.
Новая технология выплавки стали с использованием в шихте металлизи-
рованных окатышей позволяет снизить не только время расплавления, но и по-
требляемую мощность (рис. 7.7). Из сравнения рис. 7.6 и 7.7 видно, что произ-
водительность ДСП-150 на 50 % выше, чем ДСП-100, ее потребляемая мощ-
ность меньше мощности ДСП-100 на 10 %.
Дополнительного снижения времени расплавления в мощных ДСП на
15-20 мин можно добиться применением газокислородных горелок и еще на
5-10 мин путем подогрева загружаемой в печь шихты отходящими газами из
ДСП [32].
Рис. 7.8. Принципиальная схема соединения обмоток
печного трансформатора для ДСП емкостью 150 т:
ОВН - обмотка высокого напряжения; ОНИ - обмотка низкого напряжения;
РО - регулировочная обмотка; ОВ - обмотка возбуждения;
КЗО - короткозамкнутая обмотка
Практика эксплуатации ДСП как в РФ, так и за рубежом [6, 7, 21] показы-
вает, что, с точки зрения уменьшения ЭМП, наиболее дорогим является сниже-
ние колебаний напряжения. Для снижения колебаний напряжения, создаваемых
ДСП, обычно применяют быстродействующие статические компенсаторы
(БСК), стоимость которых соизмерима со стоимостью ДСП. Поэтому следую-
175
щим направлением по снижению ЭМП, создаваемых ДСП, является перевод
печей на питание постоянным током. Применение печей постоянного тока по-
зволяет в 2 раза снизить колебания напряжения, генерируемые этими печами.
На рис. 7.8 приведена схема соединения обмоток печного трансформа-
тора мощностью 90 МВ -А для питания ДСП емкостью 150 т. Наличие коротко-
замкнутой обмотки позволяет снижать несимметрию и колебания напряжения,
создаваемые этой печью.
7.2,3. Индукционные печи
Наибольший уровень ЭМП создают ИТП повышенной частоты из-за на-
личия преобразователей частоты. Индукционные печи работают, как правило, в
трех режимах: расплавление, перегрев и выдержка. При выдержке печь работа-
ет практически на холостом ходу, время выдержки иногда превышает время
расплавления. Поэтому для ИТП перспективно применение схем двойного пи-
тания (рис. 7.9), когда от одного преобразователя питаются две печи. При такой
схеме ЭМП, генерируемые печами, снижаются в 2 раза.
регулируемым
разделением
мощности
Конденсаторные
батареи
Печи 1 и 2
/, мин
Рис. 7.9. Схема двойного питания индукционных печей (а) и графики
потребляемой ими мощности (0:
1 - расплавление; 2 - перегрев: 3 - выдержка
(коэффициент использования 100 %)
176
7.2.4. Прокатные станы
При пуске прокатные станы создают колебания и провалы напряжения.
Особенно большие колебания и провалы напряжения генерируют прокатные
станы с приводом от синхронных и асинхронных электродвигателей. Для сни-
жения этих колебаний напряжения следует применять тиристорные ограничи-
тели пусковых токов.
Устройство плавного пуска электродвигателя содержит три основных
блока (рис. 7.10): 1 - блок преобразования синусоидальной формы напряжения
сети в линейно меняющуюся (пилообразную) для реализации процесса плавно-
го пуска; 2 - блок, реализующий закон изменения уровня напряжения во време-
ни и обеспечивающий плавный пуск двигателя; 3 - блок силовых тиристоров,
включенных непосредственно в цепь питания электродвигателя. Преобразова-
ние синусоидальной формы питающего напряжения в пилообразную блоком /
позволяет уменьшить влияние искажений сетевого напряжения на погрешность
угла управления тиристорами. Питание блоков 1 и 2 осуществляется от источ-
ника с ключевым режимом работы.
Рис. 7.10. Упрощенная блок-схема устройства
плавного пуска электродвигателя
Основным видом ЭМП, создаваемых прокатными станами с электродви-
гателями постоянного тока, являются высшие гармоники. Для их снижения не-
обходимо применять двенадцатифазные схемы выпрямления и запитывать их
от отдельных трансформаторов на напряжении 10 кВ. Для уменьшения четных
гармоник системы импульсно-фазового управления тиристорных выпрямите-
лей следует запитывать от источников с хорошим качеством электроэнергии.
7.2.5. Крупные электролизные установки
Эти установки генерируют высокие уровни гармоник тока. Основные ме-
роприятия по снижению ЭМП, создаваемых данными установками: применение
двенадцати- и двадцатичетырехфазных схем выпрямления с питанием их от се-
177
тей 10, 35 кВ и питание систем импульсно-фазового управления выпрямителей
от источников с хорошим качеством электроэнергии.
73. Рекомендации по повышению помехоустойчивости
электроприемников
Наряду со снижением уровней ЭМП, генерируемых ЭП в сеть, важной
задачей является повышение помехоустойчивости ЭП. Эту проблему необхо-
димо решать фирмам - изготовителям ЭП. При разработке требований к ЭП
фирмы-изготовители обычно ориентируются на существующие в стране стан-
дарты по ЭМС. В странах СНГ это ГОСТ 13109-97 [И], который устанавливает
уровни ЭМС для кондуктивных ЭМП в системах электроснабжения общего на-
значения. Эти уровни должны учитываться при определении уровней помехо-
устойчивости. Уровни помехоустойчивости должны быть выше уровня ЭМС, с
тем чтобы иметь запас ЭМС.
Поскольку в п. 7.1 предлагается для промышленных ЭП установить три
класса электромагнитной среды и новые нормы ЭМС, отвечающие стандартам
МЭК, то следует рассмотреть и нормы на помехоустойчивость ЭП каждого
класса.
Рис. 7.11. Схема источника питания с ключевым режимом работы:
ВН - выходное напряжение
Первый класс. К данному классу относят ЭП, чувствительные к ЭМП.
Это в основном ЭП в СУ (ЭВМ, микропроцессоры, программируемые контрол-
леры и другая электронная аппаратура). Повысить помехоустойчивость ЭП это-
го класса можно путем применения новых источников питания. В старых ис-
точниках питания управление напряжением на стороне постоянного тока осу-
ществлялось входным трансформатором. Индуктивность трансформатора обес-
печивает сглаживание формы входного тока. В новых источниках питания с
ключевым режимом работы (рис. 7.11) используют преобразование переменно-
го тока высокой частоты в постоянный для получения сглаженного постоянно-
го тока с небольшими пульсациями. Вход диодного моста ДМ 1 непосредствен-
178
но связан с сетью переменного тока без трансформатора. В результате постоян-
ное напряжение на конденсаторе С1 не регулируется. Постоянный ток преобра-
зуется в переменный ток высокой частоты силовыми транзисторами Т1, Т2, ра-
ботающими в ключевом режиме, а затем снова выпрямляется диодным мостом
ДМ2. Данные источники питания имеют помехоустойчивость в 2 раза выше,
чем старые.
Второй класс. В этот класс входят ЭП с электродвигателями, некоторые
виды электротермических установок и установки освещения. При уровнях
ЭМП, приведенных в табл. 7.1 для ЭП второго класса, сбоев в работе и брака
продукции не наступает, наблюдается только некоторое изменение экономиче-
ских характеристик этих ЭП [6, 7, 16, 21, 24, 27]. Повысить помехоустойчи-
вость ЭП данного класса можно путем оснащения их СУ устройствами стаби-
лизации напряжения и ЯС-фил ьтрами.
Особое место занимает повышение помехоустойчивости осветительных
установок. Наибольшее влияние на осветительные установки оказывают коле-
бания напряжения. Жесткие требования к колебаниям напряжения вынуждают
применять для их уменьшения дорогие установки. Так, стоимость статического
компенсирующего устройства для снижения колебаний напряжения, создавае-
мых ДСП, на Оскольском электрометаллургическом комбинате составила 23
млн. долл. Причем исследование этого компенсатора [27] показало, что он ра-
ботает неэффективно, так как его параметры выбраны неверно. Повышение по-
мехоустойчивости осветительных установок позволит во многих случаях отка-
заться от дорогих устройств по снижению колебаний напряжения.
Основными источниками света на промышленных предприятиях являют-
ся люминесцентные и дуговые лампы. Повысить их помехоустойчивость мож-
но путем перевода на питание повышенной частотой. Колебания напряжения
приводят к пульсациям светового потока и в результате к дополнительной
утомляемости зрения работающих. Для уменьшения пульсаций необходимо пе-
реходить на повышенную частоту питающего напряжения [3, 20]. Исследова-
ниями, проведенными в Институте высшей нервной деятельности и нейрофи-
зиологии [20], доказано, что при частоте питающего напряжения более 150 Гц
пульсации не воспринимаются человеком. Выбор частоты питающего напряже-
ния должен определяться исходя из технико-экономичеких расчетов, стоимости
и габаритов источников питания. Эти источники питания целесообразно раз-
мещать в пускорегулирующей аппаратуре источников света. В Нижегородском
региональном центре энергосбережения (НИЦЭ) разработан и внедрен элек-
тронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) для питания ЛЛ частотой
35 кГц. Применение данной частоты позволило габариты ЭПРА довести до
размеров существующих электромагнитных пусковых аппаратов и производить
их замену без изменения конструкции светильника. Наряду с повышением по-
мехоустойчивости использование высокой частоты позволяет увеличить срок
службы осветительных установок на 25 % и повысить их светоотдачу на 15 %.
Питание схемы ВЧ ЭПРА (рис. 7.12) осуществляется выпрямленным с
помощью мостового диодного выпрямителя (VD1 - VD4) напряжением сети
179
1
2
3
4
1
2
3
4
Рис. 7.12. Принципиальная схема высокочастотного ЭПРА-2х40
220 В. На входе выпрямителя стоит фильтр радиочастот (LI, Cl - СЗ), сглажи-
вающий помехи от работы всей цепи в целом. На выходе выпрямителя установ-
лен фильтр, состоящий из конденсаторов С5, С6 и предназначенный для сгла-
живания пульсаций питающего напряжения. Основная схема балласта состоит
из управляющей и силовой частей. Силовая часть представляет собой полумос-
товую схему, в активных плечах которой находятся два силовых МОП-
транзистора VT1 и VT2, работающих в ключевом режиме. В пассивных плечах
располагаются два высоковольтных конденсатора (С12, С13), выбираемых так,
чтобы ВЧ колебания при работе схемы оказывали минимальное влияние на пи-
тающую сеть.
Нагрузкой данной полумостовой схемы служит последовательная резо-
нансная Я£С-цепь, а активным сопротивлением являются: 1) активное сопро-
тивление катушки индуктивности; 2) переменное активное сопротивление газо-
вой среды лампы; 3) активное сопротивление нитей накаливания лампы.
7.4. Распространение ЭМП в электрических сетях
Уровень ЭМП в различных точках систем электроснабжения определяет-
ся мощностью источников ЭМП и их удаленностью от рассматриваемых точек.
Проанализируем схему электроснабжения (рис. 7.13), в которой происходит
коммутация ЭП. При коммутации ЭП в точке / создается ПН, глубину которого
можно определить по выражению
8С/П| “^ип^Эп/^экв
(7.5)
где 7эп - полное сопротивление ЭП; Z3KB - суммарное эквивалентное сопротив-
ление сети и ЭП.
Рис. 7.13 Схема, поясняющая распространение ЭМП
По мере удаления от ЭП коэффициент передачи ZJZ^ уменьшается, со-
ответственно уменьшается и глубина ПН. Так, для точки 4 она составляет
8t/nl=t/„nZT/ZWB
(7.6)
Изложенное выше справедливо и для других видов ЭМП, если они возни-
кают как следствие протекания тока к источнику помех. Наличие в электриче-
ских сетях КБ, а также средств воздействия на ЭМП нарушает это правило.
Большинство импульсных (коммутационных) помех распространяются
181
по сети с не очень большим затуханием. Чем выше частотный спектр помехи,
тем сложнее ее распределение, поскольку существенное влияние начинают ока-
зывать распределенные емкостные проводимости элементов, их частей, а также
волновые процессы. Возможно даже их усиление. Поэтому при проектировании
и расчете средств уменьшения таких ЭМП следует принимать уровень помех,
равный уровню помех их источника (это дает запас по помехоустойчивости).
В сетях постоянного тока коммутационные помехи распространяются почти без
затухания.
Наличие других ЭП может изменить как уровень помех, так и их распро-
странение по сети. За счет демпфирования двигательной нагрузкой кратковре-
менных изменений напряжения общий характер изменения напряжения в сети
сглаживается. С другой стороны, некоторые ЭМП (например, высшие гармони-
ки) индукционным путем могут проникать из одной фазы в другую.
Включение КБ помимо увеличения среднего уровня напряжения повыша-
ет дисперсию изменения напряжения.
Появление ЭМП в сетях, питающих СУ ЭП, может привести к их усиле-
нию (положительная обратная связь) за счет ухудшения работы ЭП.
В распределительных сетях даже при отсутствии ’’явных” источников по-
мех присутствует ’’естественный” фон. Уровень фона определяется соседними
работающими ЭП или ЭМП, проникающими из энергосистемы. Так, специаль-
но проведенный эксперимент показал наличие модуляции питающего напряже-
ния (фликера) в ночное время при практически полностью отключенной на-
грузке.
Наибольшее влияние на ЭМС в энергосистемах оказывают крупные ис-
точники ЭМП. Поэтому для уменьшения их влияния большое значение имеет
правильный выбор точек подключения в системах электроснабжения. Эта про-
блема актуальна для ДСП и прокатных станов, создающих наибольший уровень
ЭМП, особенно колебаний напряжения.
Поскольку постоянные времени основных силовых элементов системы
электроснабжения достаточно велики и их можно рассматривать как широко-
полосные элементы, пропускающие низкочастотные изменения огибающей на-
пряжения почти без искажений, параметры силовых элементов в частотном
спектре огибающей напряжения (О...12Гц) можно считать постоянными, а са-
ми элементы рассматривать как линейные.
В соответствии с [32] модуль коэффициента передачи практически любо-
го силового элемента системы электроснабжения может быть описан выраже-
нием
К = Хс!(Хс + Х,кы), (7.7)
где Хс - индуктивное сопротивление системы до элемента.
На рис. 7.14-7.16 приведены наиболее распространенные схемы питания
ДСП. Для схемы на рис. 7.14, а, 6 задача определения значений колебаний на-
пряжения на шинах высокого напряжения (ВН) сводится к расчету коэффици-
ента передачи Я^п-вн по схеме замещения, показанной на рис. 7.14, в:
182
кхпш1 = хс/(хс + хт).
(7.8)
110-220 кВ 220 кВ
ДСП ДСП ДСП
а) б) в)
Рис. 7.14. Схемы питания ДСП малой емкости
Для применяемых в настоящее время трансформаторов с высшим напря-
жением 110, 220 кВ и автотрансформаторов с напряжением 220 кВ в табл. 7.3,
7.4 определены коэффициенты передачи для ряда мощностей короткого замы-
кания энергосистем.
Колебания напряжения на шинах питания ДСП можно определить по
следующему выражению, %:
8U,=lWSaJSKJ,
(7.9)
где Sn г- мощность понизительного трансформатора.
Таблица 73. Значения коэффициента передачи для ряда мощностей короткого
замыкания энергосистем
*$ном т» MB A С4,% Ат, о.е. Кдсп-вн
Мощность короткого замыкания системы на шинах 110 кВ
2000 MBA 3000 MB A 4000 MB A
25 10,5 0,42 0,106 0.074 0,056
32 10,5 0,328 0,132 0.092 0.071
40, 10,5 0,260 0,16 0.113 0,087
63 10,5 0,167 0,231 0.167 0,13
80 10,5 0,131 0,276 0.203 0.16
125 10,5 0,084 | 0,373 0.284 0.229
183
Таблица 7.4. Значения коэффициента передачи для ряда мощностей короткого
замыкания энергосистем
5ном т, MBA Ат, о.е. КйСП-ВН
Мощность короткого замыкания системы на шинах 110 кВ
4000 МВ-А 5000 MBA 6000 МВ-А
Трансформаторы 220 кВ
32 12 0,375 0,063 0,051 0,043
63 12 0,19 0,116 0,095 0,081
100 12 0,12 0,172 0,143 0,122
160 12 0,075 0,25 0,211 0,182
Автотрансформаторы 220 кВ
32 34 1,06 0,023 0,019 0,015
63 35 0,555 0,043 0,035 0,029
100 31 0,31 0,075 0,061 0,051
160 32 0,2 0,111 0,091 0,079
Колебания напряжения на стороне ВН (шины 110 - 220 кВ на
рис. 7.14, а, б) определяются по известным значениям колебаний напряжения
на шинах питания ДСП с учетом коэффициента передачи (7.4):
5^в„=8^дсЛдс„-вн- (7.Ю)
При питании ДСП через трансформатор с расщепленными обмотками
(ТРО) по схеме рис. 7.15, а или через сдвоенный реактор (СР) по схеме
рис. 7.16 чувствительная к колебаниям напряжения нагрузка, в первую очередь
осветительная, может быть подключена как к параллельным ветвям ТРО и СР,
так и на стороне (ВН) через соответствующие понизительные трансформаторы.
Связь между колебаниями напряжения в средней точке (СТ) и на шинах
питания ДСП определяется выражением
(7.11)
где = ^СЛПЛ/{ХСЛ + Хп в); Хсь = Хс + Хтв - сопротивление системы до
средней точки при использовании ТРО; Ххй =(l/K/100) (1 —ЛГр/4) (S6/SH0MT) -
сопротивление обмотки ТРО ВН; X^S^/S^ - сопротивление системы
(5б = 100 MB-A); SK.3.C - мощность короткого замыкания системы (на шинах пи-
тания силового трансформатора ВН); Х.в - сопротивление параллельной ветви,
определяемое общепромышленной нагрузкой; А\н1 =Хлц2 = t/KA’pS'6/200S’HOM>r -
сопротивление расщепленных обмоток низкого напряжения (НН) ТРО; - 3,5
- коэффициент расщепления.
Для практических расчетов можно пользоваться упрощенной формулой
^дсп-ст =^св/(Л.в + Ан|)- (7.12)
Коэффициент передачи между СТ трансформатора и шинами системы ВН
184
определяется так:
K„.m = xj(x^xla).
(7.13)
110-220 кВ
Рис. 7.15. Схема питания ДСП от трансформатора с расщепленными обмотками
Рис. 7.16. Схема питания ДСП от сдвоенного реактора
185
В итоге коэффициент передачи между шинами системы и шинами пита-
ния ДСП равен
^ДСП-ВН ~~ ^ДСП-СТ ^СТ-ВН • (7.14)
Колебания напряжения на шинах ВН
6Цвн=8ЦдсЛдспвн- Р.15)
Общепромышленная нагрузка может быть подключена как непосредст-
венно к сборным шинам НН ТРО (%„), так и на стороне 0,4 кВ (А^ ол) парал-
лельно с осветительной нагрузкой.
Для практических расчетов ослабление колебаний напряжения между
шинами питания общепромышленной нагрузки НН и СТ ТРО определяется ко-
эффициентом передачи
^ст-нн = ^экв н/С^экв н + ^тн2 )’ (716)
где 1Ш(Н = Агн*(Хн0Л + Хт2)/(ХН +^нол + ^2) “ эквивалентное сопротивление
общепромышленной нагрузки, о.е.; Х^~ XHS^/u} - сопротивление техноло-
гической нагрузки, о.е.; Хн =C/2/SH0Msin(p - сопротивление понижающего
трансформатора, о.е.
Если в составе общепромышленной нагрузки имеются двигатели, то они
в схему замещения входят своими сопротивлениями:
Хд=Хд\ДН0М.д. (7.17)
Колебания напряжения на сборных шинах общепромышленной нагрузки
НН, вызванные колебаниями напряжения на шинах питания ДСП, рассчитыва-
ются по выражению
5Цнн=5Цдсп/Сдсп.нн, (7.18)
где А*дсп.нн= ^дсп-ст ^ст-нн • коэффициент передачи между точками ДСП и НН.
Колебания напряжения на шинах 0,4 кВ (ОН), вызванные колебаниями
напряжения на шинах питания ДСП, также определяются коэффициентом пе-
редачи элементов сети, входящих в рассматриваемую цепь:
8Цон=5С/,ясп^и, (7.19)
где #дсп.он — Ядсп-ег -^ст-ни ^*нн-ои’ ^нн-он 0,4/(^н0,4 коэффициент пе-
редачи между шинами (ОН) 0,4 кВ и сборными шинами питания общепромыш-
ленной нагрузки; Агн04 = S6/(SH0M sincp) - сопротивление технологической на-
грузки и освещения на стороне 0,4 кВ.
Коэффициенты передачи на шинах энергосистемы для схемы на рис. 7.16
определяются:
^дсп-вн ~~ ^дсп-ст^ст-вр^вр-нн ~ ^дсп-ст^ст-вн ’ (7.20)
186
Аспчгг = (А + Al + Ар)/(А + Al + Ар + Ар)' (7.21)
Атвр = (А + Ai)/(A + Ai + АР)> (7.22)
Ар-нн = А/(А + А|)- (723)
В табл. 7.5 приведены значения Ядсп<г и АЛ, для ТРО с С/Ж1 = 110 кВ, а в
табл. 7.6 - значения /СДСп-ст> ^ст-вн и при использовании СР с Uw = 110 кВ.
Таблица 7,5. Значения коэффициентов передачи для типовых трансформаторов
с расщепленными обмотками с UM = ПО кВ
•^НОМ 14 MBA 6"кзс» MBA Коэффициент передачи
Адсп-СТ AjjciHMI
25 2000 0,122 0,488
3000 0,104 0,386
4000 0,095 0,323
40 2000 0,153 0,604
3000 0,125 0,502
4000 0,112 0,433
63 2000 0,195 0,706
3000 0,156 0,613
4000 0,136 0.546
80 2000 0,224 0,753
3000 0,177 0,668
4000 0,153 0,604
125 2000 0,292 0,826
3000 0,228 0,759
4000 0,195 0.704
Таблица 7.6. Значения коэффициентов передачи при использовании сдвоенных
реакторов с £7ВН = 110 кВ
*$ном т, MBA *5р лрох» MBA Ар, % 5КЗС. МВ*А Коэффициент передачи
Адсп-ст ^Сст-вр ^ст-вн
25 20,78 4 2000 0,372 1,546 0.164
3000 0,359 1.578 0.115
4000 0,352 1,595 0,090
6 2000 0,207 2,293 0,244
3000 0,193 2,410 0.176
4000 0.186 2,472 0,139
40 51.96 6 2000 0,349 1,713 0.276
3000 0,327 1,787 0.201
4000 0,316 1,827 0.160
8 2000 0.23 2.296 _ 0>370
3000 0.207 _ 2.483 _ 0,280
4000 0.196 2,591 _ Л??7
10 2000 0,256 _ 1,845 0,298
3000 0.236 1.940 0.219
4000 0,227 1,993 _ Л71 _
187
Окончание табл, 7.6
63 69,3 8 2000 0,242 2,107 0,485
3000 0,211 2,326 0,384
4000 0,195 2,462 0,321
10 2000 0,138 3,288 0,758
3000 0,107 4,082 0,673
4000 0,091 4,683 0,610
12 2000 0,074 5,564 1,282
3000 0,043 9,091 1,500
4000 0,028 13,714 1,786
80 86,5 10 2000 0,183 2,549 0,704
3000 0,145 3,037 0,611
4000 0,126 3,391 0,543
12 2000 0,107 3,935 1,087
3000 0,070 5,655 1,138
4000 0,052 7,429 1,190
7.5. Схемные пути обеспечения ЭМС
Наиболее простыми и экономичными являются схемные пути обеспече-
ния ЭМС ЭП [4, 6, 16, 24, 27]. Для промышленных предприятий можно реко-
мендовать следующие схемные решения:
1) разделение питания ЭП различных классов;
2) параллельная работа питающих трансформаторов;
3) применение блокировок для ограничения одновременного включения
крупных ЭП;
4) равномерное распределение однофазных ЭП по парам фаз.
Разделение питания ЭП различных классов. Системы электроснабже-
ния промышленных предприятий состоят из трех уровней: первый - сети до
1000 В (в РФ это сети напряжением 380/220 В); второй - сети 6, 10 и 35 кВ; тре-
тий - сети ПО кВ и выше. При построении систем электроснабжения наиболь-
шее внимание следует обращать на ЭМС ЭП на первом уровне. Это объясняет-
ся тем, что от сетей до 1000 В питаются не только разнообразные по генериро-
ванию ЭМП ЭП, но и СУ ЭП, ЭВМ, АСУ ТП, сбои которых могут привести к
останову всего предприятия или к большому ущербу.
Разделение питания необходимо в первую очередь для сетей, где имеются
ЭП с резкопеременным или импульсным режимом работы (электросварка,
ДСП, прокатные станы). Определение возможности совместного питания по-
добных ЭП и ЭП, чувствительных к колебаниям напряжения, производится по
кривым допустимых колебаний напряжения. Для пользования этими кривыми
необходимо определить эквивалентный размах изменения напряжения 8С/ГЭКВ и
эквивалентную частоту изменений напряжения.
Эквивалентный размах изменения напряжения определяется по следую-
щим выражениям [4, 5]:
- при наличии записи размахов напряжения
188
(7-24)
где SUti - величины размахов напряжения на интервале времени t > 10 мин; т -
количество размахов изменения напряжения за интервал времени /;
- при наличии графиков тока
(7-25)
V I /
где 5Utpi - расчетный размах изменения напряжения:
8^р, .(«coS<p + XSm(p).100%/C/HOM (7.26)
(Лмш - импульс тока по графику);
- при большом числе ЭП с импульсным режимом работы
0,53 8Ulam, (7.27)
где 8Utmax - максимальный размах изменения напряжения:
5Ulaax = /швЯ)(Лсо8ф +A'sin9).100%/C/HOM. (7.28)
Вызывает затруднение определение ГЭ1£В. Ее рекомендуют брать в области
максимума частотных характеристик.
На рис. 7.17 приведены схемы раздельного питания ЭП различных клас-
сов по электромагнитной среде на напряжении 380 В. Поскольку мощность ЭП
первого класса в цехах обычно небольшая, то наиболее предпочтительной яв-
ляется схема, представленная на рис. 7.18. Но при данной схеме ЭП первого
класса необходимо запитывать через системы бесперебойного питания. Систе-
мы бесперебойного питания (СБП) выпускаются со статическими и вращаю-
щимися преобразователями. Наибольшее применение имеют СБП со статиче-
скими преобразователями. Они могут иметь две схемы питания. При схеме,
приведенной на рис. 7.19, а, шины бесперебойного питания (ШБП) всегда пи-
таются через СБП. Такая схема позволяет защитить ШБП от всех ЭМП в пи-
тающей сети. При схеме, показанной на рис. 7.19, б, ШБП в нормальном режи-
ме питаются от сети переменного тока через тиристорный переключающий
контактор ТКЕП. При исчезновении напряжения на шинах питания ТКЕП под-
ключает к ШБП инвертор (И), который использует аккумуляторную батарею
(АБ). Данная схема может применяться, если ЭМП на шинах питания соответ-
ствуют первому классу электромагнитной обстановки. В табл. 7.7 - 7.10 приве-
дены технические характеристики некоторых СПБ различной мощности.
189
6,10 кВ
6,10 кВ
Рис. 7.17. Схемы раздельного питания ЭП различных классов
6,10 кВ
тпз
ЭП 3-го класса
0,4 кВ
ЭП 2-го класса
ЭП 1-го класса
Рис. 7Л 8. Схемы совмещенного питания ЭП первого и второго классов
Таблица 7.7. Технические характеристики систем бесперебойного питания малой
мощности с однофазным выходом
Фирма Powerware Liebert Riello MGE
Модель PW9120 UPStation DLP, PWD Pulsar Extreme
Мощность Р, кВ-А 0,7...6 0,7...10 0,7...5 6...10 1,5...3
Входное напряжение, В: 100 % нагрузки 50 % нагрузки 160...276 140...276 160...276 140...276 170...276 140...276 160...265 120...265
Коэффициент входной МОЩНОСТИ Pf Более 0,97 Более 0,95 (0,98) Более 0,98 (0,99) 0,99
кпд Более 0,88 0,9 0,9 0,9
Стабильность (7ВЫХ, % ±3 ±3 ±1,5 ±3
Коэффициент искажения синусоидальности напря- жения по выходу, % 3 3 2 3
Габариты, вес, мм, кг, для 6 кВА 260x555x710 91 260x555x710 91 260x555x710 91 -
Перегрузка 130%- Юс 130%- Юс 180 %-60 с 130 %-60 с
190
б)
Рис. 7.19. Схемы систем бесперебойного питания
a)
Таблица 7,8. Технические характеристики систем бесперебойного питания средней
мощности с однофазным выходом
Фирма Powerware Liebert Riello MGE
Модель PW9150 Hinet MDM Comet S31
Мощность Р, кВ А 8,10, 12,15 10,15,20,30 10,15,20 7,5,10,15,20
Вход 3 фазы /1 фаза 3 фазы 3 фазы /1 фаза 3 фазы /1 фаза
Входное напряжение, В 100 % нагрузки 220/230/240 ±25% 220/230/240 -25...+20 % 220/230/240 ±20% 220/230/240 ±17%
Частота, Гц 50/60 50/60 50/60 50/60
Коэффициент входной МОЩНОСТИ Р/ 0,95...0,99 0,95 0,95...0,99 0,95
Топология Двойное п] реобразование
КПД, % 99 91,4 97 97
Выходное напряжение £/вых> В 220/230/240 220/230/240 180...252 208/220/230/240
Стабильность, % ±2 ±1 ±1 ±2
Коэффициент искажения синусоидальности напря- жения по выходу, %: линейная нагрузка нелинейная нагрузка 2 5 3 5 2 5 3 5
Площадь установки, м2 0,28 0,65 0,34 0,38
Перегрузка: 110% 125% 150% 1 мин Юс 10 мин Юс 5 ч 10 мин 60 с 1 мин Юс
Удельная мощность, В'А/л (Вт/л) 71,5 (50) 24(19,5) 40 (32) 36 (29)
Вес с батареями, кг Вес без батарей, кг 175...215 80...90 275...455 185 90...110 390
Увеличение мощности Есть Есть Her Hei
Параллельная работа Нет Нет Ес I ь Есть
191
Таблица 7.9. Технические характеристики систем бесперебойного питания средней
мощности с трехфазным выходом
Фирма Powerware Liebert Liebert Riello
Модель PW9305 Hinet AL7200 MDT
Мощность Л кВ А 30/21 30/24 30/24 20/16
Входное напряжение, В 100% нагрузки 380/400/415 -28...+25 % 400 -25...+20 % 380/400/415 -15...+10% 380/400/415 ±20 %
Частота, Гц 50/60 50/60 50 50/60
Коэффициент входной МОЩНОСТИ Pf 0,96 0,95 0,8 0,9...0,97 с фильтром 0,95...0.99
Топология Двойное преоб- разование IGBT Двойное преоб- разование IGBT Традиционное двойное преоб- разование SCR Двойное преоб- разование 1GBT
КПД, % 94 91 91,4 92
£Дых, В Стабильность, % 380/400/415 ±1 380/400/415 ±1 380/400/415 ±1 310...432 ±2
Коэффициент искажения синусоидальности на- пряжения по выходу, %: линейная нагрузка нелинейная нагрузка 2 5 2 5 5 2 5
Перегрузка: 110% 125 % 150% 10 мин 1 мин Юс 10 мин Юс 60 мин 10 мин 60 с 5 ч 10 мин 60 с
Площадь установки, м2 0,41 0,64 0,57 0,34
Удельная мощность, В-А/л (Вт/л) 48 (33,5) 48 (39) 38 (30) 53 (42,5)
Параллельная работа До 4 Нет До 2 Без ограничения
Таблица 7.10. Технические характеристики систем бесперебойного питания большой
мощности с трехфазным выходом
Фирма Powerware Newave MGE
Модель PW 9340 Conceptpower maxi Galaxy 3000
Мощность?, кВА (кВт) 130(104) 120 (96) 120 (96)
Входное напряжение, В 380/400 -22...+25 % 380/400 -25...+15 % 380/400 -10...+10 %
Коэффициент входной мощ- ности Pf 0,96 0.98 0.96
КПД, % 94 96,5 94 i
Удельная мощность, В-А/л (Вт/л) 92 (73) 127(102) 75(60) i
Напряжение питания ДСП необходимо выбирать в зависимости от их
мощности. При мощности до 10 MBA может применяться напряжение 6,
10 кВ, при мощности от 15 до 45 МВ-А - 35 кВ и при мощности более 45 МВ-А
192
- 110 кВ [32]. Из всех видов ЭМП, создаваемых ДСП, доминирующими являют-
ся колебания напряжения. Поэтому точки подключения ДСП должны выби-
раться с учетом вносимых ими колебаний напряжения. В зависимости от коли-
чества ДСП определяются размахи колебаний напряжения, %:
- для одной печи
8Ц=5„.т.Ном-Ю0/5кз;
- для группы печей одинаковой мощности
5Ц=^5П.Т.НОМ,-100/\.3;
- для группы печей разной мощности
81/,=
(7.29)
(7.30)
(731)
100,
где 5к.з - мощность короткого замыкания в точке подключения печей; т - число
одновременно работающих печей; кт - коэффициент, учитывающий, сколько
печей из п установленных работают одновременно в режиме расплавления, оп-
ределяется по табл. 7.11 [19].
Таблица 7.11. Значения коэффициента кт при различном числе одновременно
работающих ДСП
п 2 3 4 5 6 7 8
1,19 1,31 1,417 1,5 1.57 1,62 1.68
Если в точке подключения bUt > bU( доп, то выбирается одна из схем,
представленных на рис. 7.20 - 7.23, и определяются на шинах ВН с учетом
коэффициентов передачи колебаний по выражениям (7.29) - (7.31).
Напряжение питания прокатных станов 6 или 10 кВ. Наибольшие колеба-
ния создают прокатные станы с приводами от асинхронных и синхронных элек-
тродвигателей. Допустимые размахи напряжения на шинах, где подключаются
прокатные станы, следующие:
- станы холодного проката - 5 %;
- станы горячего проката - 2,0 %;
- блюминги, слябинги - 1,2 %.
Размах изменения напряжения в точках подключения прокатных станов
определяется по следующему выражению, % [20]:
51/, =
100,
(7.32)
где Qpt - размахи реактивной нагрузки, создаваемые прокатными станами в точ-
193
ке подключения; п - число размахов за цикл работы прокатных станов.
На рис. 7.24 приведены схемы питания прокатного цеха.
Крупные преобразователи тока или частоты могут подключаться на на-
пряжение 6, 10 или 35 кВ. При этом определяющей помехой при выборе точек
подключения является несинусоидальность напряжения.
ЭП l-го, ЭП 3-го
2-го класса
классов
Рис. 7.20. Схемы питания ДСП средней мощности
ЭП l-ю. ЭП 3-го
2-го класса
классов
Рис. 7.21 Схемы питания ДСП большой мощности
194
110 кВ
110 кВ
классов
классов
Рис. 7.22. Схемы питания со сдвоенным реактором
Рис. 7.23. Схема питания от трансформатора с расщепленными обмотками
Общий коэффициент неси ну со и дальности питающей сети при работе
вентильных преобразователей может быть определен по формуле
^.=%(
3 sin у
^к(Хс+Х„р)
1 --X. sin Y + ~,-Хс2
Л Л‘
(7.33)
или после некоторых упрощений с достаточной для инженерных расчетов точ-
ностью
195
Рис 7.24. Схемы питания прокатного цеха
3 sin у 9
.. = ^р_ k955 sinr ,
__ycSinY+9^ 5КЗ| -"Р+Х„р
I I
(7.34)
где Хс = Snp/SK 3 - эквивалентное сопротивление системы, приведенное к мощ-
ности преобразователя Snp, т.е. сопротивление от условной точки сети беско-
нечной мощности до точки сети, в которой определяется Ку, о.е.; SK3 - мощ-
ность короткого замыкания в точке, в которой определяется Ку, X - индук-
тивное сопротивление цепи преобразователя, приведенное к 5пр, т.е. от точки
возникновения коммутационных коротких замыканий до точки, в которой оп-
ределяется Ку, о.е.
Формулы (7.33) и (7.34) справедливы для преобразователей с любой по-
следовательностью чередования фаз.
При определении Ку особое внимание следует обратить на % . Чаще
всего требуется определить Ку на шинах питания мощных тиристорных преоб-
разователей. Под преобразователем подразумевается выпрямительный мост
(или их группа) и питающий понижающий трансформатор (табл. 7.12).
В этом случае Хпр равно сопротивлению преобразовательного трансфор-
матора и определяется по формуле
(7 35)
где SlI0M г - номинальная мощность преобразовательного трансформатора, Агр -
196
(трехфазных мостовых) схемах выпрямления, = 0, Хпр = -
коэффициент расщепления обмоток этого трансформатора; ик% - сквозное на-
пряжение короткого замыкания трансформатора, приведенное к полной номи-
нальной мощности трансформатора.
Для двухобмоточных трансформаторов, используемых в шестифазных
—Для
1ЮМ.Т
трехобмоточных трансформаторов, применяемых в преобразователях, выпол-
ненных по двенадцатифазной схеме:
К = «к(в,н1-нн2) , (7.36)
“к
где wK(hhi-hh2) - напряжение короткого замыкания между расщепленными вто-
ричными обмотками трансформатора.
Таблица 7.12. Определение Хт преобразовательного трансформатора
с расщепленной вторичной обмоткой
197
В общем случае для ТРО К? = 0...4; если ветви НН трансформатора име-
ют хорошую электромагнитную связь друг с другом, /Ср = 0; если обмотки НН
не имеют магнитной связи друг с другом или преобразователь выполнен по
схеме с двумя трансформаторами, имеющими разные схемы соединения, Л*р = 4.
Для ориентировочной оценки возможности подключения вентильных
преобразователей в определенной точке питающей сети исходя из допустимой
несинусоидальности напряжения по ГОСТ 13109-97 построены номограммы
5пр/5к.3 (рис. 7.25). Здесь - отношение мощности преобразователя к
мощности короткого замыкания в точке подключения преобразователя.
Рис. 7.25. Номограммы для определения допустимости подключения
управляемых вентильных преобразователей по ГОСТ 13109-97
к сети 6 - 20 кВ при Кц<5 % (а), к сети 35 кВ при Кц<4 % (б):
] - кривая построена при Я*Р= 0; 2 - кривая построена при К?-4
Параллельная работа питающих трансформаторов. Уровни основных
ЭМП, генерируемых ЭП, зависят от их мощности и мощности короткого замы-
кания в точке подключения ЭП, %:
^,=(5ЭпЛк.з)Ю0, (7.37)
^2и =(^эпо/^кз)^0’ (7.38)
5Ц=(Д£)эпЛк.з)100. (7.39)
Поэтому при параллельном включении питающих ЭП трансформаторов,
как видно из выражений (7.37) - (7.39), уменьшаются все основные помехи.
Особенно перспективна параллельная работа трансформаторов цеховых ТП. В
работах [5, 32] показано, что существующие автоматические выключатели и
шинопроводы типа ШМА4 допускают параллельное включение пяти транс-
198
форматоров по 1000 кВ -А, трех по 1600 кВ-А и двух по 2500 кВ -А. Схемы их
включения приведены на рис. 7.26, 7.27.
Применение блокировок для ограничения одновременного включе-
ния крупных ЭП. Снизить уровни основных видов ЭМП - колебаний и неси-
нусоидальности напряжения - позволяет применение блокировок. Оно особен-
но перспективно для крупных ЭП: машин контактной сварки, ДСП, индуктив-
ных и руднотермических печей, прокатных станов. Для ДСП схема ограниче-
ния выбирается таким образом, чтобы исключить одновременную работу печей
в период расплавления.
Рис. 7.26. Схема параллельной работы трансформаторов
мощностью по 1000 кВ-А
а)
ЭП 2-го и 3-го классов
б)
Рис. 7.27. Схемы параллельного включения трансформаторов
мощностью 1600 кВ-А (а) и 2500 кВ-А (6)
Равномерное распределение однофазных электроприемников по па-
рам фаз. Оно весьма эффективно при питании машин контактной сварки и ин-
дукционных печей промышленной частоты. При этом снижается несимметрия
199
токов и напряжений и колебания напряжения.
7.6. Применение специальных устройств для обеспечения ЭМС
Если не удается схемными путями обеспечить ЭМС всех ЭП промыш-
ленного предприятия, то необходимо применение специальных устройств сни-
жения ЭМП в системах электроснабжения.
Обеспечение уровней напряжения. Поддержание уровней напряжения в
пределах ±5 % от (/ном на зажимах всех ЭП, как это записано в ГОСТ 13109-97,
практически невозможно. Как показано в работах [5, 24], большинство ЭП до-
пускают ОН в пределах ±10 % от С/ном. Поэтому в п. 7.1 предложено расширить
диапазон ОН до ±8 % от (/ном для ЭМС первого класса, до ±10 % от t/M0M - вто-
рого класса и до +10...-15 % от [/ном - третьего класса.
Если напряжение в точках подключения ЭП выходит за нормированные
уровни, то необходимо применять средства регулирования напряжения. Для
промышленных предприятий это трансформаторы с регулированием напряже-
ния под нагрузкой, различные вольтодобавочные установки, тиристорные регу-
ляторы и т.д. [16, 24, 33].
Снижение колебаний и провалов напряжения. Для снижения колеба-
ний и провалов напряжения следует применять УПК и БСК.
Установки продольной компенсации особенно эффективны в сетях с
ЭСУ, которые имеют низкий coscp. На рис. 7.28 приведена схема включения
УПК сварочных машин, а на рис. 7.29 - схема УПК для групповой стабилиза-
ции напряжения. Установка по схеме рис. 7.28 работала 25 лет на заводе ’’Крас-
ный якорь”. При известной расчетной потере напряжения в сети от источника
до потребителя А/7р % сопротивление батареи УПК на одну фазу можно найти
по следующей формуле [5]:
= (С7ф.ном ДС7р )/(1007пикр sin <р), (7.40)
где Ц).Ном - номинальное напряжение фазы; /пик. р - расчетный пиковый ток.
0,4 кВ
6,10кВ ।
—(3S)—Ml—
1 УПК
Рис. 7.28. Схема включения УПК
сварочной машины
По выражению (7.40) определены
параметры типовых УПК для различных
мощностей цеховых трансформаторов
(табл. 7.13) [5].
Для снижения колебаний напряжения
от ДСП и прокатных станов эффективны
БСК. Они бывают двух видов: прямой и
косвенной компенсации (рис. 7.30, 7.31).
Выбор мощности БСК подробно описан в работах [22, 32]. При выборе типа
БСК необходимо учитывать их быстродействие. На рис. 7.32 приведена зави-
симость коэффициента снижения колебаний K^Ut от степени компенсации реак-
тивной мощности Kq и времени Т запаздывания БСК. Быстродействующий ста-
тический компенсатор Прямой компенсации имеет время запаздывания порядка
200
10 мс, а косвенной компенсации порядка 5 мс. В БСК косвенной компенсации
установленная мощность конденсаторов в 2 раза больше, чем в БСК прямой
компенсации, и этот компенсатор вносит в сеть дополнительно гармоники, в
связи с чем приходится устанавливать фильтры высших гармоник.
Таблица 7.13. Данные типовых установок УПК
Мощность транс- форматора, кВА Напряжение сети, кВ Число конденса- торов в фазе, шт. Емкостное сопро- тивление одной фазы, Ом Допустимый ток в фазе, А
1000 6 4 2,72 388
1000 10 2 .5,42 194
1600 6 7 1,56 679
1600 10 3 3,63 291
2500 6 10 1,09 970
2500 10 5 2,2 485
Рис. 7.29. Однолинейная схема подстанции с УПК:
РП - распределительный пункт; МВ - масляный выключатель;
ТТ - трансформатор тока; Pl - Р4 - разъединители; УПК - установка
продольной компенсации; ИР - разрядник; TH - трансформатор напряжения;
ТП - трансформаторная подстанция; Т - силовой трансформатор
Снижение несинусоидальности токов и напряжений. Оно производит-
ся с помощью фильтров высших гармоник. Методы их расчета подробно опи-
саны в работах [5, 16, 19].
Снижение несимметрии напряжения. Оно осуществляется при помощи
симметрирующих устройств. Методы их расчета подробно описаны в рабо-
тах [4, 32, 39].
201
202
Рис. 7.30. Однолинейная схема питания электросталеплавильного цеха с БСК прямой компенсации
ВЛ-330 кВ
3 X 200 МВ-А
Рис. 7.31. Однолинейная схема питания электросталеплавильного цеха с БСК косвенной компенсации
Рис. 7.32. Зависимость коэффициента снижения колебаний Къы
от степени компенсации реактивной мощности Kq при различном
времене запаздывания
204
8. ВЛИЯНИЕ ПОЛЕЙ, СОЗДАВАЕМЫХ ЭМП,
НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
8.1. Воздействие электромагнитных полей на биоорганизмы
Электромагнитный спектр простирается от электро- и магнитостатиче-
ского полей, электрических и магнитных полей частоты 50 Гц до радиоволн и
видимого света, ионизирующего у-излучения (рис. 8.1). В зависимости от ин-
тенсивности и частоты электромагнитные поля и волны оказываются для био-
организмов полезными или вредными.
-Ч-------1------1-------1------1-----1------1------1-------
I Гц | 1 кГц 1 МГц 1 ГГц 1 ТГц 10|5Гц 10,8Гц 102,Гц— f
• Радио + ИК-свет-УФ Г-лучи
I телевидение ।
Электроснабжение Микроволны |
I
Неионизирующее ! by Ионизирующее
излучение излучение
Рис. 8.1. Электромагнитный спектр
В диапазоне ультрафиолетового (УФ) света и выше энергия электромаг-
нитных волн
(8-1)
где h - постоянная Планка; f - частота, достаточно велика, чтобы освобождать
электроны из электронной оболочки атомов, т.е. ионизировать атомы и тем са-
мым производить химические и другие изменения. У человека эти изменения
происходят с растущей частотой от желаемого эффекта загара до рака кожи и
расположенных глубже тканей. Для различных форм проявления электромаг-
нитных волн в этом энергетическом диапазоне существует обобщающее поня-
тие ионизирующего излучения.
Действие микроволн на биоорганизмы основано на их силовом воздейст-
вии на заряженные частицы:
Fe = 0(E+KxB). (8.2)
Вследствие этого воздействия электроны и ионы (ионизированные атомы
или молекулы) колеблются в микроволновом переменном поле, диполи вибри-
руют относительно состояния равновесия. Сообщенную им кинетическую ко-
лебательную энергию частицы за счет столкновений отдают другим частицам и
повышают их среднюю кинетическую энергию. Этот подвод энергии макро-
скопически проявляется в разогреве или повышении температуры облученного
материала и нашел широкое применение в микроволновых печах.
205
Наряду с силовым воздействием электромагнитных полей и волн на эле-
трические заряды и диполи существует аналогичное силовое воздействие на
магнитные диполи и подразумеваемые на их концах магнитные заряды или вы-
зывающие контурные токи (это явление используется в томографии). Однако
при этом из-за недостатка магнитных диполей с большим дипольным моментом
не возникают макроскопические тепловые эффекты.
Развиваемая в переменном электрическом поле удельная тепловая мощ-
ность на единицу объема пропорциональна частоте, следовательно, быстро
убывает при переходе к меньшим частотам. На основе этой частотной зависи-
мости и отсутствия заметных корреляций ранее пришли к заключению, что на-
пряженности поля, обычно встречающиеся в технике связи и энергоснабжения,
для населения в целом безопасны. При кратковременных опытах в лаборатории
также не были установлены непосредственные влияния. Лишь при значительно
более высоких напряженностях поля обнаруживались определенные эффекты,
такие, как ВЧ ожоги, магнитофосфены (мерцание в глазах).
Долговременная экспозиция при малых напряженностях поля может вы-
звать пока не объяснимые эффекты. Поскольку тепловые эффекты при малых
напряженностях поля и особенно при низких частотах исключаются, в данном
случае предполагают влияние не тепловых, так называемых биологических эф-
фектов. Так, были опубликованы работы, в которых сообщается о нарушениях
поведения, иммунной системы, головных болях, усталости, вплоть до повы-
шенной частоты случаев рака и т.д. Подобные зависимости, если они действи-
тельно существуют, могут быть выявлены только при безупречно проведенных
долговременных эпидемиологических исследованиях. Имеющийся в настоящее
время материал о якобы вредных воздействиях магнитного поля в контрольных
опытах пока не подтверждается, поэтому эта тематика еще обсуждается. Как
показывает опыт над лицами, по профессии длительное время подверженными
воздействию полей повышенных напряженностей, отчетливого негативного
влияния пока не установлено.
Наряду с исследованием вредных воздействий уделяется внимание и изу-
чению полезных последствий. Признаны положительные, с медицинской точки
зрения, воздействия электромагнитных полей, например, при лечении перело-
мов костей, в электродиатермии.
8.2. Нормы допустимых напряженностей электрических
и магнитных полей для персонала и населения
В опытах, проведенных многими исследователями, обнаружено четкое
пороговое значение напряженности поля, при котором наступает сильное изме-
нение реакции подопытного животного. Оно определено равным 100 кВ/м. Ис-
следования влияния электрических полей на эксплуатационный персонал ЛЭП
и подстанций напряжением 220 кВ и выше выявили неблагоприятное воздейст-
вие электрического поля напряжением 500 кВ и выше; при напряжении 220 кВ
и ниже это воздействие выражено слабо [28]. Причем при всех напряжениях
206
действие поля зависит от продолжительности нахождения в нем. Это позволило
рекомендовать следующие нормативы для электрических полей промышленной
частоты:
Напряженность поля, кВ/м 5 10 15 20 25
Допустимое время пребывания людей в
электрическом поле на протяжении вось-
мичасового рабочего дня 8 ч 3 ч 1,5 ч 10 мин 5 мин
Однако в различных странах существует разный подход к нормированию
допустимых значений напряженностей электрических и магнитных полей. В
основе этих различий в меньшей степени лежат достижения в познании опасно-
сти электромагнитных полей, чем различные определения того, что следует по-
нимать под предельным допустимым значением. Так, предельные значения в
СНГ и некоторых восточноевропейских странах основываются на уровнях на-
пряженности поля, которые не могут вызвать особых биологических эффектов,
в то время как в других странах чаще всего исходят из значений напряженно-
сти, при превышении которых возникают опасные воздействия. Уменьшенные
на коэффициент надежности, определяются максимально допустимые предель-
ные значения.
Рис. 8.2. Предельные эффективные значения допустимой
напряженности высокочастотных электрических полей
Дискуссия об установлении соразмерных действительной угрозе пре-
дельных значений для различных видов полей и частот еще идет. Предельные
эффективные значения допустимой напряженности высокочастотных
электрических полей можно определить по действующим в Германии нормам
VDE 0848 (рис. 8.2). Например, на рис. 8.3 и 8.4 приведены предельные
значения напряженностей электрического и магнитного полей для
207
низкочастотного диапазона от 0 до 30 кГц. Предельные значения этих полей не
учитывают существование сердечных стимуляторов, имплантированных орга-
нов, которые обусловливают повышенную чувствительность соответствующих
лиц и для которых должны устанавливаться в данном случае более низкие пре-
дельные значения (нормативные документы по этим вопросам находятся в про-
цессе подготовки).
Рис. 8.3. Эффективные и пиковые значения допустимой
напряженности низкочастотных электрических полей при
непосредственном воздействии
Рис. 8.4. Эффективные и пиковые значения допустимой
напряженности низкочастотных магнитных полей
208
8.3. Защита персонала от воздействия электрических
и электромагнитных полей
Конструктивные меры. Снижения напряженности поля в рабочих зонах
можно добиться целенаправленным конструированием открытых распредели-
тельных устройств (ОРУ), а в некоторых случаях и опор ЛЭП. При проектиро-
вании высоковольтных ЛЭП и ОРУ параметры выбираются главным образом из
расчета допустимых потерь мощности в линии и значения радиопомех, возни-
кающих в результате появления короны. Получающиеся в рабочих зонах значе-
ния потенциалов и напряженности электрического поля, как правило, не учи-
тываются. Обычно не измеряются они и во время приемки линий и подстанций
в эксплуатацию. Соответствующим выбором параметров (высота подвески про-
вода над землей, сечение провода, шаг расщепления и т.д.) уже на стадии
проектирования можно уменьшить потенциалы и напряженность электрическо-
го поля [28]. Исходной величиной в этом случае является максимальная напря-
женность поля у поверхности провода, ограничиваемой короной.
С учетом допустимой величины радиопомех наибольшее значение на-
пряженности поля оказывается в пределах, не превышающих 26...28 кВ/см, в
зависимости от конкретных условий при относительной плотности воздуха,
равной единице.
Одним из практических способов уменьшения действия поля на персонал,
обслуживающий ОРУ, является снижение напряженности поля с помощью за-
земленных тросов, которые подвешиваются в рабочей зоне под токоведущими
проводами. При проектировании ОРУ необходимо аналитически оценить сте-
пень уменьшения потенциала защищаемой рабочей зоны в зависимости от гео-
метрических параметров заземленных тросов, сечения, высоты подвески, числа
тросов и т.д. Наиболее существенное влияние на уменьшение потенциала в ра-
бочей зоне оказывают высота подвески заземленных тросов и расстояние меж-
ду ними. Сечение их можно выбрать из расчета механической прочности.
Применением заземленных тросов, подвешенных на высоте 2,5 м над
землей под фазами соединительных шин ОРУ 750 кВ, удается уменьшить по-
тенциал в рабочей зоне на высоте 1,8 м с 30 до 13 кВ. При такой напряженности
поля опасное воздействие его минимально.
Устройство временных экранирующих приспособлений. Эти приспо-
собления можно разделить на две группы. К первой следует отнести защитные
приспособления, предназначенные для работ, проводимых непосредственно на
территории подстанции. К таким работам относятся: ревизия масляных выклю-
чателей, проверка и настройка релейной защиты, проверка изоляции цепей
коммутации, измерение сопротивления заземляющей проводки. Приспособле-
ния и средства защиты данной группы представляют собой защитные сет чат ые
козырьки, закрепленные на конструкциях непосредственно над рабочим ме-
стом. С помощью таких козырьков можно снизить напряженность поля до не-
скольких киловольт на метр. Расчет значений напряженности поля на рабочих
местах при использовании экранирующих козырьков сходен с расчетом на-
209
пряженности поля при применении экранирующих заземляющих тросов.
Ко второй группе экранирующих приспособлений следует отнести те из
них, которые предназначены для линейных работ - по ревизии креплений гир-
лянд, по замене изоляторов и т.д. Это экранирующие люльки и изолирующие
лестницы. Метод работы непосредственно под напряжением на ЛЭП и в рас-
пределительных устройствах с помощью изолирующей лестницы и площадки
был предложен более сорока лет назад. В качестве материала для лестниц и
площадок использовалась дельта-древесина. Лестница выдвигалась подобно
пожарной и заканчивалась площадкой, покрытой металлическим листом. Пери-
ла площадки и металлический лист с помощью гибкого троса соединялись вме-
сте, и работающий под напряжением оказывался в общей потенциальной зоне,
обусловленной напряжением линии и расстоянием до земли. Расширение работ
под напряжением и, главное, увеличение напряжения ЛЭП привели к замене
площадки люлькой с экранирующими стенками. Работающий в ней находится
как бы в своеобразной клетке Фарадея. При помощи люльки напряженность
поля удается снизить до значений, при которых вредных влияний на организм
человека не обнаруживается.
Экранирующая одежда. Это не что иное, как металлизированный про-
водящий костюм. Такие костюмы широко применялись в военное время для
преодоления электризованных препятствий. Представляя собой электрически
замкнутую систему, металлизированный костюм обладает экранирующими
свойствами. Костюм создает на поверхности тела эквипотенциалы равного зна-
чения. Это исключает какое-либо влияние поля на человека, одетого в такой
костюм.
Экранирующая одежда состоит из куртки и брюк (или комбинезона) и
шьется из обычного тканевого волокна с металлизированной гибкой сеткой, все
части которой надежно соединены друг с другом (рис. 8.5). Обычно сетку де-
лают из тонкой и гибкой медной проволоки. Защитную одежду выполняют
также из ткани, покрытой слоем проводящей краски. Последний вид одежды
считается более перспективным, хотя нестойкость и дороговизна подобной ок-
раски еще не позволяют полностью отказаться от одежды с сеткой. Проводятся
эксперименты по получению нити из проводящего полимера. Создание, допус-
тим, проводящего капрона теоретически возможно. В основу технологии изго-
товления подобной нити должны лечь материалы с несимметричными связями,
т.е. имеющие близко расположенные друг от друга атомы, вследствие чего у
электронов внешних орбит энергии связи с атомами или молекулами составля-
ют лишь доли электроновольта. Под воздействием поля эти слабые связи нару-
шаются, возникает электронная проводимость и ткань приобретает свойства
экрана. В принципе можно создать ткань, электропроводимость которой увели-
чивается с возрастанием напряженности поля.
Однако и существующая металлизированная ткань позволяет создать
достаточно эффективную защиту. Электропроводимость такой металлизиро-
ванной одежды зависит от ряда трудноучитываемых параметров, в числе кото-
рых не только напряженность поля, но и индивидуальные свойства человека,
210
носящего эту одежду, состояние его кожи, возраст, особенности рецепторов и
центральной нервной системы. Поэтому целесообразно добиваться максималь-
ной электропроводимости костюма, приближающейся к электропроводимости
меди.
Рис. 8.5. Экранирующая одежда:
I - сетка; 2 - шлем; 3 - ботинки с проводящей подошвой;
4 - перемычка, связывающая части одежды
Контроль электрических и электромагнитных полей. Расчетам элек-
трических полей уделяется в литературе достаточное внимание. Однако, как бы
тщательно ни были проведены такие расчеты, экспериментальная проверка и
контроль их необходимы. До 1970 г. для этой цели и у нас, и за рубежом при-
менялись косвенные методы. Для текущей эксплуатации они сложны ввиду
трудоемкости измерений и недостаточной их точности. Вот почему интересен
прибор, разработанный Ю.А. Морозовым. Это низкочастотный приемник, ха-
рактерной особенностью которого является изоляция от земли, достигаемая
применением длинной изолирующей опорной штанги. Прибор отличается так-
же своими небольшими размерами и симметричной системой диполя.
Огромное значение для защиты от воздействия полей имеют организаци-
онные мероприятия, предусмотренные правилами эксплуатации и местными
инструкциями.
Перечисленный комплекс основных защитных мероприятий дает основа-
ние считать, что работы вблизи установок и ЛЭП ВН могут быть безопасными с
точки зрения влияния ЭМП на организм обслуживающего персонала.
211
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Аишин В.Ш., Крайз А.Г., Мейксон В.Г. Трансформаторы для промыш-
ленных электропечей.- М.: Энергоиздат, 1982. - 296 с.
2. Аррилла Дж., Брэдли Д., Боджер П. Гармоники в электрических систе-
мах. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 380 с.
3. Арутюнян А.Г. Электромагнитная совместимость электрических сетей
освещения по дозе пульсации освещенности: Дис. ... канд. техн. наук. - Донецк,
1988. *214 с.
4. Борисов В.П., Вагин Г.Я. Электроснабжение электротехнологических
установок. - Киев: Наук, думка, 1985. - 248 с.
5. Вагин Г.Я. Режимы электросварочных машин. - М.: Энергоатомиздат,
1985. - 193 с.
6. Вагин Г.Я. Электромагнитные помехи и электромагнитная совмести-
мость электроприемников промышленных предприятий // Промышленная энер-
гетика. 1994. №7. С. 37 - 40.
7. Вагин Г.Я. О необходимости приведения нормативных документов по
электромагнитной совместимости электроприемников промышленных пред-
приятий к требованиям международных стандартов // Промышленная энергети-
ка и электротехника. 2003. №3. С. 19 - 23 (Киев).
8. Вагин Г.Я., Борисов Б.П. Электромагнитная совместимость электротех-
нологических установок и питающих сетей // Техническая электродинамика.
1986. № 2. С. 35 - 39.
9. Влияние дуговых электропечей на системы электроснабжения / Под ред.
М.Я. Смелянского и Р.В. Минеева. - М.: Энергия, 1975. - 184 с.
10. Влияние качества электрической энергии на электротехнологические ус-
тановки / Н.Ф. Андрюшкин, Г.Я. Вагин, И.Г. Крахмалин, О.В. Федоров.- М.:
Изд-во МЭИ, 1998. - 56 с.
И. ГОСТ 13109-97. Качество электрической энергии. Совместимость тех-
нических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в
системах электроснабжения общего назначения. - М.: Изд-во стандартов, 2001.
- 44 с.
12. ГОСТ 30372-95. Совместимость технических средств электромагнитная.
Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1995. - 35 с.
13. Гуляев А.И. Технология и оборудование контактной сварки. - М.: Ма-
шиностроение, 1985. - 256 с.
14. Ермуратский В.В., Ермуратский Н.В. Конденсаторы переменного тока
в тиристорных преобразователях. - М.: Энергия, 1979. - 222 с.
15. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения
промпредприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 160 с.
16. Жежеленко И.В., Рабинович М.Л., Божко В.М. Качество электроэнер-
гии на промышленнохм предприятии. - Киев: Техшка, 1981. - 160 с.
17. Железко Ю.С. Стандартизация параметров электромагнитной
212
совместимости в международной и отечественной практике // Электричество.
1996. № 1.С.2-7.
18. Зельцбург Л.М. Экономика электроснабжения промышленных пред-
приятий. - М.: Высш, шк., 1973. - 272 с.
19. Иванов В.С., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электро-
энергии систем электроснабжения промышленных предприятий. - М.: Энерго-
атомиздат, 1967. - 336 с.
20. Ильянов В.А. Частотные спектры электроэнцефалограммы человека и
их изменение под влиянием световой стимуляции: Автореф. дис. ... канд. биол.
наук.- М., 1962. - 230 с.
21. Кальдон Р., Фаури М., Феллин Л. Анализ влияния сетевых возмуще-
ний на установки промышленных потребителей // Промышленная энергетика.
1994. №2. С. 47-53.
22. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения.
Способы его контроля и обеспечения. - М.: Изд-во МЭИ, 2000. - 120 с.
23. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнит-
ной совместимости радиоэлектронных средств. - М.: Радио и связь, 1964. -
334 с.
24. Котельников О.И. Оптимизация регулирования напряжения в системах
электроснабжения машиностроительных предприятий: Автореф. дис. ... канд.
техн. наук. - Горький, 1975. - 20 с.
25. Кравченко В.И., Болотов Е.Д., Логунова Н.И. Радиоэлектронные
средства и мощные электромагнитные помехи. - М.: Радио и связь, 1987. -
256 с.
26. Кунге Я.Д., Твардовский П.М. Автоматизация управления и регулиро-
вание напряжения в осветительных установках. - М.: Энергия, 1979. - 128 с.
27. Лоскутов А.Б. Повышение эффективности использования электриче-
ской энергии в системах электроснабжения металлургических предприятий:
Автореф. дис. ... д-р техн. наук. - М.: Изд-во МЭИ, 1994. - 40 с.
28. Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. - Л.: Энергоатомиздат,
1988. - 384 с.
29. Методики проведения инструментальных обследований при энергоауди-
те / НГТУ, НИЦЭ. - Н.Новгород, 1998. - 80 с.
30. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для контактной сварки.
- М.: Машиностроение, 1969. - 440 с.
31. Певницкий В.Г., Полозок Ю.В. Статистические характеристики инду-
стриальных радиопомех. - М.: Радио и связь, 1988. - 248 с.
32. Повышение эффективности использования электроэнергии в системах
электротехнологии / Б.П. Борисов, Г.Я. Вагин, А.Б. Лоскутов, А.К. Шидлов-
ский. - Киев: Наук, думка, 1990. - 240 с.
33. Солнцев Е.Б. Разработка технико-экономических характеристик элек-
троприемников и узлов нагрузки машиностроительных предприятий при от-
клонениях напряжения и частоты: Дис. ... канд. техн. наук. - Горький, 1986. -
213
258 с.
34. Солодовников В.В. Статистическая динамика линейных систем
автоматического регулирования. - М.: Физматгиз, 1960. - 655 с.
35. Шваб А.И. Электромагнитная совместимость: Пер. с нем. - М.: Энерго-
атомиздат, 1995. - 480 с.
36. Шидловский А.К., Куренный Э.Г. Введение в статистическую дина-
мику систем электроснабжения. - Киев: Наук, думка, 1984. - 273 с.
37. Экономика в электроэнергетике и энергосбережение посредством ра-
ционального использования электротехнологии: Учеб, пособие. - СПб.: Энерго-
атомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 1998. - 368 с.
38. Экономические модели электроприемников и узлов нагрузки: Препринт
№ 629 / Б.П. Борисов, Г.Я. Вагин, И.Г. Крахмалин и др. / АН УССР. Ин-т элек-
тродинамики. - Киев, 1989. - 37 с.
39. Электромагнитная совместимость электроприемников промышленных
предприятий / А.К. Шидловский, Б.П. Борисов, Г.Я. Вагин и др. - Киев: Наук,
думка, 1992. - 236 с.
40. Электротермическое оборудование: Справочник / Под ред.
А.П. Альтгаузена. - М.: Энергия, 1980. - 416 с.
Вагин Геннадий Яковлевич
Лоскутов Алексей Борисович
Севостьянов Александр Александрович
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
Редактор И.В. Шептякова
Технический редактор Т.П. Новикова
Компьютерная верстка В.М. Мамонов
Подписано в печать 28.12.2004 г. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 13,5. Уч.-изд. л. 13,3. Тираж 400 экз. Заказ 862.
Нижегородский государственный технический университет.
Типография НГТУ.
Адрес университета и полиграфического предприятия:
603600, ГСП - 41, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.