Электромагнитные помехи Лекция 2 по курсу Электромагнитная

Скачать презентацию Электромагнитные помехи Лекция 2 по курсу Электромагнитная

Лекция 2 Помехи.ppt

Количество слайдов: 93

Электромагнитные помехи Лекция № 2 по курсу Электромагнитная совместимость 1

ГОСТ 30372 -95 (ГОСТ Р 50397 -92) Межгосударственный стандарт СОВМЕСТИМОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ электромагнитная помеха: электромагнитное явление, процесс, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства. 2

• допустимая помеха: электромагнитная помеха, при которой качество функционирования технического средства, подверженного ее воздействию, сохраняется на заданном уровне • недопустимая помеха: электромагнитная помеха, воздействие которой снижает качество функционирования технического средства до недопустимого уровня 3

Источники электромагнитных помех на электрических станциях и подстанциях 1 – короткие замыкания (КЗ) , 2 – грозовые разряды 3 – переходные режимы работы высоковольтного оборудования (в том числе, вызванные коммутациями) 6 - радиосредства 4

Источники электромагнитных помех на электрических станциях и подстанциях 4 – коммутации электромеханических устройств различного назначения 5 – штатная работа силового электрооборудования (до и выше 1 к. В) 6 – работа портативных раций, используемых персоналом 7 – электростатический разряд 5

Источники электромагнитных помех на электрических станциях и подстанциях • Переходные процессы в цепях высокого напряжения при коммутациях силовыми выключателями и разъединителями; • Переходные процессы в цепях высокого напряжения при коротких замыканиях, срабатывании разрядников или ограничителей перенапряжений; • Электрические и магнитные поля промышленной частоты, создаваемые силовым оборудованием станций и подстанций; • Электромагнитные поля высокой частоты, создаваемые ударами молнии, радиопередающими устройствами, преобразовательными установками; • Переходные процессы в заземляющих устройствах подстанций, обусловленные токами КЗ промышленной частоты и токами молний; • Быстрые переходные процессы при коммутациях в индуктивных цепях низкого напряжения; • Переходные процессы в цепях различных классов напряжения при ударах молнии непосредственно в объект или вблизи него; • Разряды статического электричества; • Электромагнитные возмущения в цепях оперативного тока; 6

Источники электромагнитных помех: 7

Характерными источниками электромагнитных воздействий в нормальных и аварийных режимах, которые могут оказывать влияние на АСТУ, являются: напряжения и токи промышленной частоты при КЗ на землю в распределительных устройствах напряжением выше 1 к. В; импульсные помехи при коммутациях и КЗ в распределительных устройствах; импульсные помехи при ударах молнии; электромагнитные поля радиочастотного диапазона; разряды статического электричества; магнитные поля промышленной частоты; импульсные магнитные поля; помехи, связанные с возмущениями в цепях питания АСТУ постоянного и переменного тока. Дополнительными источниками электромагнитных воздействий на электрических станциях и подстанциях, которые могут вызвать сбои в работе АСТУ, являются такие виды вспомогательного электрооборудования как мощные преобразователи, сварочные аппараты, осветительные приборы, мощные тяговые механизмы, бытовые электроприборы, электроинструмент и др. 8

Классификация электромагнитных помех Электромагнитные помехи по совокупности признаков могут быть разделены на следующие классы: • Естественные и искусственные • Функциональные и нефункциональные • Широкополосные и узкополосные • Синфазные и противофазные 9

Естественные помехи: - Удар молнии - Разряды статического электричества Искусственные помехи: – Коммутация оборудования - Работа электродвигателя - Работа радиопередатчика - и т. п. Источник искусственных помех – работа технических средств. 10

Функциональные помехи: Источник помехи является функциональным, если для него эта помеха является полезным сигналом. Интенсивность помех определена. • • Работа радиопередающих устройств (радио- и телепередатчики) Микроволновые печи Работа испытательных генераторов и т. п. Нефункциональные помехи: Нефункциональными являются источники, которые создают ЭМП в качестве побочного эффекта в процессе работы. Интенсивность помех не определена. • • • Автомобильная система зажигания Работа коллекторного двигателя Сварочный аппарат Тиристорные преобразователи, регуляторы, выпрямители Коммутации электрического тока и т. п. 11

Узкополосные помехи Спектр близок к линейчатому – максимальный уровень приходится на одну частоту, возможно наличие гармоник малых порядков. При этом энергия спектра сосредоточена в основном в относительно узкой полосе частот около некоторой фиксированной частоты ω0 Пример: гармонический сигнал Источники узкополосных помех – системы связи, системы питания на переменном токе Широкополосные помехи Условия, описанные для узкополосных помех, не выполняются. Пример: последовательность прямоугольных импульсов, одиночные апериодические импульсы, одиночные колебательные затухающие импульсы и т. п. Источники широкополосных помех: удары молнии, разряды статического электричества, коммутация индуктивной нагрузки, газоразрядные лампы и т. п. 12

узкополосные и широкополосные источники. • Как уже отмечалось процесс называется узкополосным, когда энергия спектра сосредоточена в основном в относительно узкой полосе частот около некоторой фиксированной частоты. • широкополосным, если указанное условие не выполняется 13

Осциллограмма Спектр сигнала Узкополосный сигнал Широкополосные сигналы 14

Систематизация разновидностей электромагнитных помех 15

Спектры помех, генерируемых различными приборами и оборудованием 16

Виды помех во вторичных цепях U U а) б) Кондуктивные помехи в цепях, имеющих более одного проводника, принято делить на помехи «провод -земля» (синонимы − несимметричные, общего вида, Common Mode, синфазные) (а) и «провод-провод» (симметричные, дифференциального вида, Differential Mode, противофазные) (б). В первом случае ( «провод-земля» ) напряжение помехи приложено, как следует из названия, между всеми проводниками цепи и землей. Во втором - между различными проводниками одной цепи. 17

Противофазные (дифференциальные) помехи и синфазные помехи (общего типа) Ud – противофазное напряжение электромагнитных помех Uc 1, Uc 2 – синфазные напряжения электромагнитных помех 18

• Противофазные напряжения помех (симметричные, поперечные) возникают между проводами двухпроводной линии • Синфазные напряжения помех (несимметричные, продольные) возникают между каждым проводом и землёй 19

• Противофазные напряжения помех непосредственно накладываются на полезные сигналы в сигнальных цепях или на напряжение питания в цепях электроснабжения, воздействуют на линейную изоляцию между проводами и могут быть восприняты как полезные сигналы в устройствах автоматизации и тем самым вызывать ошибочное функционирование. • Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства и воздействуют на изоляцию между проводом и землей. 20

Пример образования противофазной помехи источник сигнала приемник сигнала 21

Пример образования синфазной помехи источник сигнала приемник сигнала 22

В целях решения общих задач помехоустойчивости технических средств стандартами в области ЭМС регламентированы следующие основные виды помех: 1) Микросекундные импульсные помехи большой энергии (по ГОСТ Р 51317. 4. 5. ), вызываемые перенапряжениями, возникающими в результате коммутационных переходных процессов и молниевых разрядов. 2) Наносекундные импульсные помехи (по ГОСТ Р 51317. 4. 4. ), возникающие в результате коммутационных процессов (прерывания индуктивных нагрузок, размыкания контактов реле и т. п. ) и воздействующие на порты электропитания и сигналов ввода/вывода. 3) Электростатические разряды (по ГОСТ Р 51317. 4. 2. ), возникающие как при прямом воздействии от оператора, так и непрямом воздействии от оператора на расположенные вблизи технические средства, предметы и оборудование. 4) Радиочастотное электромагнитное поле в полосе частот от 80 до 1000 МГц (по ГОСТ Р 51317. 4. 3. ), источниками которого являются портативные приемопередатчики, применяемые эксплуатационным персоналом и службами безопасности; стационарные радио- и телевизионные передатчики; радиопередатчики подвижных объектов; различные промышленные источники излучений. К числу источников радиочастотного электромагнитного поля также относят радиотелефоны и другие радиопередатчики, действующие на частотах от 0, 8 до 3 ГГц и использующие методы модуляции с непостоянной огибающей. 5) Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями (по ГОСТ Р 51317. 4. 6. ), вызываемые излучениями преимущественно радиопередающих устройств в полосе частот от 50 к. Гц до 80 МГц. 23

6) Кондуктивные помехи в полосе частот от 0 до 150 к. Гц (по ГОСТ Р 51317. 4. 16. ), представляющие собой общие несимметричные напряжения на входные порты электропитания переменного и постоянного токов, сигнальные порты, порты управления и ввода-вывода. 7) Колебательные затухающие помехи (по ГОСТ Р 51317. 4. 12. ) следующих видов: а) одиночные колебательные затухающие помехи, возникающие в низковольтных силовых линиях и в линиях управления и сигнализации технических средств, получающих электропитание от низковольтных распределительных электрических сетей и систем электроснабжения промышленных предприятий; б) повторяющиеся колебательные затухающие помехи, возникающие в основном в силовых линиях и линиях управления и сигнализации на электрических подстанциях высокого (выше 35 к. В) и среднего (6 -35 к. В) напряжений. Повторяющиеся колебательные затухающие помехи относят к срабатыванию одного отдельного выключателя. 8) Динамические изменения напряжения электропитания (по ГОСТ Р 51317. 4. 11. ) следующего вида: - провалы, - прерывания, - выбросы, а также постепенные изменения напряжения электропитания. 9) Колебания напряжения электропитания (по ГОСТ Р 51317. 4. 14. ), воздействующие на входные порты электропитания переменного тока. 10) Изменения частоты питающего напряжения (по ГОСТ Р 51317. 4. 28. ) на входных портах электропитания переменного тока. 11) Искажения синусоидальности напряжения электропитания (по ГОСТ Р 50746. ) при воздействии гармоник и интергармоник питающего напряжения. 12) Магнитное поле промышленной частоты (по ГОСТ Р 50648). 13) Импульсное магнитное поле (по ГОСТ 30336 / ГОСТ Р 50649). 14) Затухающее колебательное магнитное поле ( по ГОСТ Р 50652. ). 24

15) Токи кратковременных синусоидальных помех частотой 50 ГЦ в цепях защитного и сигнального заземления (по ГОСТ Р 50746. ). 16) Токи микросекундных импульсных помех в цепях защитного и сигнального заземления (по ГОСТ Р 50746. ). В зависимости от условий эксплуатации технических средств могут рассматриваться и другие виды помех, отражающие специфику электромагнитной обстановки. 25

Способы описания и основные параметры помех • Помехи можно представить и описать как во временной, так и в частотной области. Однако, обычно не так важно точное описание формы помехи, как ее точные параметры, от которых зависит ее мешающее воздействие. • Для периодических помех такими являются: частота f и амплитуда Xmax. Эти параметры определяют амплитуду напряжения помехи во вторичных контурах Umax. • Для непериодических помех важнейшими параметрами являются следующие: - скорость изменения Δx / Δt (скорость нарастания или спада). Данная величина определяет максимальное напряжение помехи Usmax, вызванной во вторичной цепи; - интервал времени Δt , в течение которого помеха х имеет максимальную скорость изменения амплитуды; этот интервал идентичен длительности действия напряжения помехи us во вторичной цепи; - максимальное значение изменения амплитуды Δx , пропорциональное интегралу напряжения помехи вторичной цепи по времени (площади импульса помехи). 26

Пояснение параметров периодических (а) и непериодических (б) переходных помех Г – источник сигнала, П – приемник сигнала Х – помеха (напряжение или ток) Us – напряжение помехи, обусловленное связью: 1 – влияющий контур, 2 – контур подверженный влиянию 3 – канал передачи помехи 27

Пример 28

Виды связи между источником и приемником помехи В зависимости от механизма распространения между источником и приемником (подверженными влиянию цепями и аппаратурой) ЭМП могут разделяться на емкостные, индуктивные и кондуктивные. При воздействии высокочастотного электромагнитного поля в данной зоне говорят еще о наведенных электромагнитных помехах. Емкостными и индуктивными называют ЭМП, распространяющиеся в виде соответственно электрического и магнитного полей в непроводящих средах. Кондуктивные ЭМП - это помехи, возникающие в общих цепях, например в заземлении или любых металлических конструкциях. 29

Практическое занятие 2 • Расчет гальванической, емкостной и индуктивной связей и методы их нейтрализации. 30

Каналы передачи помех • • Гальваническая связь Емкостная связь Индуктивная связь Электромагнитная связь 31

Механизмы электромагнитного влияния (каналы передачи помех) 32

Гальваническое влияние осуществляется через общие полные сопротивления. Как правило, это сопротивления общих «обратных» проводов, систем опорных потенциалов или через систему защитных и заземляющих проводов. 33

Механизм связи через общее полное сопротивление Zc Ток помехи Источник сигнала Приемник сигнала 34

ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ ЧЕРЕЗ ЦЕПИ ПИТАНИЯ И СИГНАЛЬНЫЕ КОНТУРЫ Упрощенно в обоих случаях напряжение помехи Реальные значения ust составляют милливольты или вольты. Например, 36

Примеры гальванических связей в цепях электропитания (а) и в сигнальных контурах (б) 37

Гальваническое влияние по контурам заземления 38

На рисунке показаны два прибора и , пространственно разделенные друг от друга. Они могут находиться в одном или разных зданиях. По условиям техники безопасности корпусы приборов должны быть заземлены. Имеющийся контур полезного сигнала также заземляется в двух местах, у приборов. Между точками 1 и 2 может возникнуть разность потенциалов, обусловленная током в контуре заземления, например током замыкания на землю или током молнии (на рис. не показано). Эта разность потенциалов вызывает ток помехи Ist. На внутреннем сопротивлении входной цепи прибора ZS возникает напряжение помехи , наложенное на входной сигнал. При синусоидальной форме напряжения напряжение помехи рассчитывается по формуле (рис. ): 39

Гальваническое влияние через разомкнутую петлю заземлений 40

Устранение общего сопротивления – гальваническое разъединение контуров 41

Для нейтрализации гальванической связи (осуществление гальванической развязки цепей) • а) уменьшить общее полное сопротивление соединительных проводов электропитания, посредством уменьшения их длины, увеличения диаметра, применения материала с более высокой удельной проводимостью), • б) использовать функциональные узлы с более высоким питающим напряжением для снижения тока и уменьшения тем самым падения напряжения на общем сопротивлении, применять стабилизаторы для каждого устройства отдельно, • в) использовать отдельные соединительные провода для каждого устройства, уменьшая тем самым величину общего полного сопротивления. • г) Для их устранения на практике используют разделительные и нейтрализующие трансформаторы. 42

• д) для разрыва гальванической связи получили оптроны и световодные длинные линии в цепях управления и передачи информации. • е) Фильтры ослабляют распространение помех вдоль проводящих линий. • ж) Разрядники для защиты от перенапряжений служат для ограничения переходных напряжений, вызванных молнией, переходными процессами, разрядами от статического электричества 43

Эффект близости 45

Гальваническое влияние по контурам заземления Снижение гальванического влияния при помощи заземленной плоскости (а) или массивного проводника РА , соединяющего точки заземлений приборов G 1 и G 2 (б) 49

Емкостное влияние осуществляется через паразитные емкости между проводами или проводящими элементами, принадлежащими разным контурам и находящимися под разным потенциалом. 50

Емкостное влияние проводника с потенциалом помехи 1 на проводник 2 0 Для снижения наведенного напряжения С 20 должно быть больше С 12 51

Если система 2 низкоомная, то есть R 2<<1/w. C, то получаем 52

Отсюда непосредственно вытекают меры по снижению емкостного влияния: 1. Уменьшением емкостной связи С 12, например, сокращением длины участков параллельных проводов, увеличением расстояния между проводами, экранированием проводов и самой системы. 2. Уменьшением R 2. 53

Снижение наводимой помехи путем экранирования 54

Емкостное влияние между гальванически разделенными контурами: 56

Однако снижение помех, обусловленных электрическим полем при помощи экрана, эффективно только при низких частотах, когда продольными сопротивлениями можно пренебречь по сравнению с поперечными емкостными. При высоких частотах возникает необходимость заземления экрана более чем в одной точке, в частности, на обоих концах кабеля. 57

Примеры помех, передаваемых емкостной связью: • помехи, создаваемые низкочастотным электрическим полем, создаваемым силовыми установками высокого напряжения; • помехи, обусловленные быстрыми переходными процессами, вызваннымит коммутациями в сети низкого напряжения; • перекрестные помехи в сигнальных кабелях; • синфазные помехи за счет связи между первичной и вторичной обмотками разделительного трансформатора, оптронов, трансформаторов тока или напряжения на ПС. 58

Индуктивное влияние обусловлено паразитным потокосцеплением между контурами. 59

Индуктивное влияние между токовыми контурами 60

Пример образования противофазной помехи источник сигнала приемник сигнала 61

Пример образования синфазной помехи источник сигнала приемник сигнала 62

Механизмы электромагнитного влияния (каналы передачи помех) 63

способы снижения индуктивного влияния • - уменьшение взаимной индукции за счет сокращения длины участков параллельной прокладки; • - увеличение расстояния между контурами; • - ортогональное расположение контуров; • - скручивание проводов; • - экранирование системы; • - прокладка компенсирующих проводов. 65

Мероприятия по снижению индуктивного влияния а) б) Изменение взаимного расположения контуров (компенсация магнитного потока) Компенсация наведенного напряжения путем скрутки проводов (провод витая пара) 66

Другим способом ослабления индуктивной связи между контурами 1 и 2 является прокладка рядом спроводниками короткозамкнутого контура 3, сцепленного с магнитным потоком контура 1 (или 2) (рис. 2. 9). 68

Контур 3 взаимодействует с магнитным потоком подобно короткозамкнутой вторичной обмотке трансформатора. В соответствии с законом Ленца ток I 3 в контуре 3 вызывает появление магнитного потока, равного вызвавшему его потоку, но противоположного знака, и, таким образом, компенсирует это поток. 69

Экранирование цепи приемника помехи. Рассмотрим более детально эффективность такого экранирования для схемы рис. 2. 10, для чего получим решение уравнении цепи, изображенной на рис. 2. 9. Для простоты предположим, что E 1 = 0 и ZL 1 == ×, т. е. током I 1 по сравнению с I 2 и I 3 можно пренебречь: 70

Если проводник 3 расположен очень близко к проводнику 1, то магнитные потоки, сцепленные с обеими цепями, почти одинаковы. Отсюда следует, что M 12 = M 32 и Z 12 = Z 32. Из (2. 2) следует U 1 = Z 12 I 2(Z 33 – Z 13)/Z 33, (2. 3) или U 1 = Z 12 I 2[R 3 + jω(L 3 – M 13)]/Z 33. Пусть Φ 3 и Φ 13 — магнитные потоки, сцепленные с контуром экрана и проводника 1 соответственно, созданные током в экране I 3. Тогда Φ 3 = L 3 I 3; Φ 13 = M 13 I 3. 71

Если экран представляет собой совершенный цилиндр, то внутри него магнитный поток отсутствует, и тогда Φ 3 = Φ 13, L 3 = M 13. В реальных условиях, когда экран выполнен из фольги или сплетен из проволоки, ток в экране создает некоторую продольную или радиальную составляющую магнитного потока, не сцепленную с контуром 1. Тогда разность Lt = L 3 – M 13 не равна нулю и называется передаточной индуктивностью (обычно передаточная индуктивность дается на единицу длины и, таким образом, должна быть умножена на длину цепи l, которая должна быть много меньше длины волны). 72

• Подобно удельному сопротивлению (на единицу длины) величина Zt = (R 3 + jωLt)/I называется передаточным сопротивлением экрана, или сопротивлением связи, через общий проводник (т. е. экран) и является характерным свойством кабеля 73

• поэтому выражение для расчета наведенного в контуре 1 напряжения принимает вид: • U 1 = (Rз + jωM 12)I 2 k = U 1′k, (2. 5) коэффициент ослабления; • U 1′ =Z 12 I 2= — напряжение помехи (продольная наведенная ЭДС), появляющееся на нагрузке цепи 1, если экран отсутствует; Rз — активное сопротивление пути возврата тока экрана через землю, т. е. удвоенное сопротивление заземления одного из концов (при допущении о том, что Rз поровну разделено на обе стороны экрана). 74

Коэффициент ослабления представляет собой отношение напряжения помехи, измеренного при наличии заземленного экрана, к этому же напряжению при отсутствии экрана. Выраженный в децибелах он носит название коэффициента эффективности экранирования или коэффициента экранирования: S = – 20 lg k. Таким образом, для получения возможно большего эффекта снижения помехи необходимо, чтобы передаточное сопротивление было много меньше полного сопротивления экранирующей цепи (включая путь возврата через землю). 75

Совместное действие симметрирования и экранирования. Основной эффект от экранирования достигается, в основном, на высоких частотах (более 10 к. Гц) и его действие направлено на напряжения, возникающие между проводниками и землей (синфазные напряжения), тогда как применение симметрирования более эффективно на низких частотах (менее 100 к. Гц) и воздействует на напряжения между проводниками (противофазные напряжения). Применение обоих методов дает наилучшие результаты. Напряжения общего вида частично преобразуются в противофазные напряжения из-за некоторой несимметрии кабелей и различий в сопротивлениях нагрузки, что делает весьма сложной задачу их предсказания. В частности, проведенные исследования показали, что передаточное сопротивление для противофазной помехи не всегда соответствует передаточному сопротивлению для синфазной помехи. 77

Индуктивное влияние разряда статического электричества ESD на петлю l внутри прибора G Влияющие контура могут быть образованы, например, путями протекания тока при ударах молнии или разрядах статического электричества. 78

Зависимости погонных индуктивностей (в, г) от соотношений размеров линий с проводами круглого (а) и прямоугольного (6) сечений 79

Электромагнитное влияние Причиной воздействия излучения являются электромагнитные волны, излучаемые токовым контуром и распространяющиеся в окружающем пространстве со скоростью света. При воздействии электромагнитной волны на электропроводные объекты вследствие антенного эффекта возникают высокочастотные напряжения, непосредственно или косвенно являющиеся помехами в сигнальных контурах. 84

Электромагнитное влияние на контур без экрана (а) и с экраном (б) а) б) За счет поглощения энергии поля и отражения падающей волны напряженность поля Е 1 за экраном меньше напряженности поля Е 0. Экран должен быть выполнен из материала с высокой электропроводностью и высокой магнитной проницаемостью. 85

Механизмы электромагнитного влияния (каналы передачи помех) 87

• На эффективность экранирования оказывают существенное влияние частота поля, электропроводность и магнитная проницаемость материала экрана, конфигурация и размеры экрана. Результирующий коэффициент затухания, д. Б, можно определить как Или же Т. е. состоит из двух компонентов: 88

• Для установления существенных взаимосвязей между этими коэффициентами затухания и характеристиками магнитного поля, а также размерами экрана и свойствами его материала удобно воспользоваться понятием полных сопротивлений по аналогии с распространением волн в электрически длинной двухпроводной линии. 90

Примеры помех, передаваемых связью излучением: • помехи, вызванные электрическими переходными процессами при коммутациях на элегазовых подстанциях; • помехи при удаленных ударах молнии (несколько сотен метров от приемника); • полевые помехи высокой частоты, создаваемые радиопередатчиками. 91

Вопросы к зачету • Электромагнитные помехи. Источники электромагнитных помех на электрических станциях и подстанциях. • Классификация электромагнитных помех. Способы описания и основные параметры помех. • Механизмы генерации и каналы передачи помех. 92

Спасибо за внимание ! 93