Электроприборы и оборудование предназначены для работы в определённой электромагнитной среде. Электромагнитной средой принято считать систему электроснабжения и присоединенные к ней электрические аппараты и оборудование, связанные конструктивно и создающие в той или иной мере помехи, отрицательно влияющие на работу друг друга. При возможности нормальной работы оборудования в существующей электромагнитной среде, говорят об электромагнитной совместимости технических средств.  Единые требования к электромагнитной среде закрепляют стандартами, что позволяет создавать оборудование и гарантировать его работоспособность в условиях соответствующих этим требованиям. Стандарты устанавливают допустимые уровни помех в электрической сети, которые характеризуют качество электроэнергии (КЭ) и называются показателями качества электроэнергии (ПКЭ). Качество электроэнергии решающим образом влияет на эксплуатационные расходы современного оборудования, критичного к параметрам электропитания. Показатели качества электрической энергии, методы их оценки и нормы определяет Межгосударственный стандарт: «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» ГОСТ  13109-97.

Основные показатели качества электроэнергии

Большинство явлений, происходящих в электрических сетях и ухуд;, происходят в связи с особенностями совместной работы электроприёмников и электрической сети. Семь ПКЭ в основном обусловлены потерями (падением) напряжения на участке электрической сети, от которой питаются потребители.

Потери напряжения на участке электрической сети (k) определяются выражением:

ΔU_k = (P_kR_k + Q_kX_k) / U_ном , В                                                                                     

Здесь активное (R) и реактивное (X) сопротивление k-го участка сети, практически постоянны, а активная (P) и реактивная (Q) мощность, протекающая по k-му участку сети, переменны и характер этих изменений может быть различным:

- При медленном изменении нагрузки в соответствии с её графиком - отклонение напряжения;

- При резкопеременном характере нагрузки - колебания напряжения;

- При несимметричном распределении нагрузки по фазам электрической сети - несимметрия напряжений в трёхфазной системе;

- При нелинейной нагрузке - несинусоидальность формы кривой напряжения.

В отношении этих явлений потребители электрической энергии имеют возможность тем или иным образом влиять на её качество. Всё прочее, ухудшающее качество электрической энергии, зависит от особенностей работы сети, климатических условий или природных явлений. Поэтому, возможности влиять на это потребитель электрической энергии не имеет, он может только защищать своё оборудование специальными средствами, например, устройствами быстродействующих защит или устройствами гарантированного питания (UPS).

Отклонение напряжения во многом вызваны загрузкой сетей предприятия реактивными токами при отсутсвии компенсации, что оказывает влияние прежде всего на работу электродвигателей. Так, при снижении напряже-ния для той же потребляемой мощности увеличивается ток, что приводит к износу изоляции, а далее – и к снижению срока эксплуатации двигателя. При повышении напряжения сверх номинального параметра возрастает нерациональное потребление любым электроприемником. Об влиянии отклонения напряжения на работу электродвигателей и источников света поговорим более подробно в будущих выпусках рассылки.

В соответствии с ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения” должно производиться одновременно и непрерывно во всех фазах измерения следующих нормируемых параметров качества электроэнергии:

• установившееся отклонение частоты;

• установившееся отклонение напряжения;

• коэффициент искажения синусоидальности напряжения;

• коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения;

• коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности;

• коэффициентов несимметрии напряжения по нулевой последовательности;

• длительности провала напряжения.

Ряд российских производителей в соответствии с ГОСТ 13109-97 выпускают специализированные приборы измерения и регистрации показателей качества и вспомогательных параметров электрической энергии. Среди них можно выделить ЭРИС-КЭ.01 (ООО "Энергоконтроль", ООО "ЛАРС", Московский Энергетический институт),  Ресурс-UF (НПФ «Энерготехника»), Парма РК 6.05 (ООО "Парма". Обследование системы электроснабжения с помощью этих приборов (электроанализаторов) позволяет обнаружить и классифицировать события нарушения качества, а также выбрать наиболее подходящий способ борьбы с этими нарушениями.

Универсальные электроанализаторы чаще всего бывают рассчитаны на применение в трех фазных несимметричных сетях 220/380 В, по этому они заведомо применимы в симметричных трехфазных сетях, и тем более в однофазных. Многие модели электроанализаторов можно подключать и к высоковольтным сетям через измерительные трансформаторы тока и напряжения – для этого приборы оснащаются специальными шунтами. Электроанализатор подключается к сети с помощью датчиков тока (по 1 шт . на фазу ) и потенциальных проводов (по 1 шт . на фазу и 1 шт. на нейтраль, если таковая имеется). Таким образом, прибор имеет 6 измерительных каналов (3 по току и 3 по напряжению), по которым поступает вся необходимая информация. Датчики выпускаются различных номиналов, от единиц до тысяч ампер. Конструктивно они выполняются в виде клещей или гибких разъемных колец. Максимально возможный ток в обследуемой сети должен примерно соответствовать номиналу датчика, при этом будет достигаться максимальная точность измерений. По измеренным сигналам микропроцессор прибора рассчитывает множество параметров (обычно около 30), на основании которых можно судить о количестве и качестве потребляемой или генерируемой энергии.

В типичный набор параметров, определяемых электроанализатором, входят напряжения, токи, активная и реактивная мощности, активная и реактивная энергии, частота. Ряд параметров рассчитывается отдельно по каждой фазе и суммарно по всем фазам. Кроме текущих фиксируются средние, максимальные и минимальные значения параметров. Анализаторы также определяют параметры качества энергии: спектры гармоник токов и напряжений, коэффициент фликера, фиксируют отклонения и провалы напряжения, импульсные помехи и т. д.  Рассчитанные параметры выводятся на дисплей прибора в реальном времени и могут быть записаны в память с целью последующего воспроизведения и анализа. Все анализаторы оснащены устройствами связи, дающими возможность перенесения накопленных данных на компьютер. Как правило, электроанализаторы снабжаются специализированным программным обеспечением для визуализации, обработки и анализа накопленной информации. Стоимость таких приборов в настоящее время колеблется в пределах от 300 до 1000 у.е.

Электромагнитная совместимость электрооборудования

Это еще одно интересное направление, связанно с уменьшением влияния различных электромагнитных помех на работу электрооборудования, так как надежность работы энергетических и промышленных объектов во многом определяется надежностью работы электронной (цифровой) аппаратуры защиты, автоматики, связи и т.п. Специфика современных объектов такова, что устанавливаемая на них электронная аппаратура часто подвергается воздействию высоких уровней электромагнитных помех.

Основные виды электромагнитных помех

а) Помехи при грозовых разрядах.

Ток молнии обычно составляет десятки и даже сотни килоампер, то есть часто превосходит ток КЗ.

Растекание тока молнии практически через все здание вблизи элементов систем связи, АСУ, сигнализации. Приводят к массовым повреждениям элементов этих систем. Причиной ряда повреждений является непосредственное воздействие импульсного электромагнитного поля на аппаратуру. По приближенной оценке, напряженность магнитного поля в месте размещения аппаратуры составляет от 300 до 1000 А/м, что может представляет угрозу даже для специальной аппаратуры в промышленном исполнении.

b) Импульсные помехи при коммутационных операциях выключателями и разъединителями.

При коммутационных операциях выключателями и разъединителями в сети высокого напряжения возникает высокочастотный переходный процесс. Параметры этого процесса индивидуальны для каждого объекта и, более того, даже для каждой конкретной коммутации. ВЧ токи и перенапряжения через системы шин распространяются по территории объекта. Они создают электромагнитные поля, способные вызывать наводки во вторичных кабелях и даже во внутренних цепях аппаратуры. Кроме того, проникновение коммутационных помех во вторичные кабели происходит через ТТ, ТН, фильтры присоединения ВЧ-связи и т.п. Особенно серьезна ситуация на компактных элегазовых подстанциях, где высоковольтное оборудование и подверженная влиянию электронная аппаратура размещаются очень близко друг к другу.

c) Импульсные помехи при работе электромеханических устройств.

При работе реле, электроприводов и другого оборудования также возникают электромагнитные помехи, частоты которых обычно оказываются значительно выше, чем при коммутациях высоковольтного оборудования (до сотни МГц и даже выше). В частности, работа традиционных электромеханических реле может приводить к генерации помех до 2—3 кВ.

d) Низкочастотные магнитные поля при нормальной работе силового электрооборудования.

При компактном расположении силового и электронного  оборудования возможно постоянное воздействие на аппаратуру полей высокого уровня. Кроме того, часто приходится сталкиваться с повышением уровня магнитного поля промышленной частоты, обусловленным ошибочной конструкцией системы собственных нужд объекта.

Амплитуда таких полей обычно слишком мала для того, чтобы вызвать сбои или отказы оборудования. Однако часто приходится сталкиваться с их негативным влиянием на дисплеи («дрожание» изображения). Это приводит к быстрой утомляемости оперативного персонала, имеющего автоматизированные рабочие места

e) Низкое качество напряжения питания.

Чаще всего проблемы качества питания возникают на подстанциях, питающих мощную нелинейную нагрузку. Таковы, в частности, тяговые подстанции, подстанции многих промышленных предприятий и т.п. Другим распространенным источником проблем с качеством питания является использование устаревших источников бесперебойного питания, инверторов, стабилизаторов.

Методы уменьшения электромагнитных помех

a) Оптимизацию заземляющего устройства, включая:

 восстановление поврежденных и прокладку недостающих заземляющих электродов;

2. установку вертикальных заземлителей для устройств грозозащиты, разрядников и ограничителей перенапряжения (ОПН);

3. приведение систем заземления и выравнивания потенциалов в зданиях и помещениях в соответствие с современными требованиями ;

4. обеспечение растекания тока молнии на безопасном расстоянии от цепей питания и связи, а также мест расположения аппаратуры;

5. разделение заземляющих проводников для информационной техники и устройств, способных нести значительные помехи, например вводов кабелей с мачт радиосвязи;

6. разрыв ненужных связей (например, между элементами грозозащиты и фильтрами присоединения ВЧ-связи, кабельными каналами и т.п.).

b) Обеспечение правильной прокладки вторичных цепей

1. раздельная прокладка информационных и силовых цепей;

2. организация экранирования (с двух- или односторонним заземлением экранов в зависимости от условий на объекте);

3. применение информационных кабелей с высокой степенью симметрии («витая пара»);

4. прокладка трасс кабелей в обход областей с высокими уровнями электромагнитных полей;

5. применение барьерных заземлителей, шин выравнивания потенциала и т.п.;

6. использование (там, где это оправдано) оптической развязки.

c) Оптимизация систем питания:

1. уменьшение токов утечки (позволяет снизить уровень магнитных полей и низкочастотных наводок на кабели связи);

2. установка стабилизаторов, разделительных трансформаторов и устройств резервирования питания;

3. использование вторичных источников (выпрямителей) с высокой помехоустойчивостью;

4. организация защищенной  подсети для устройств связи, АСУ и т.п. (например, отдельная фаза через стабилизатор).

d) Установка устройств защиты от перенапряжений:

В последнее время все интенсивнее стали применяться устройства подавления импульсных перенапряжений в цепях питания и обмена информацией.  Такие устройства выполняются на базе силовых элементов с сильно нелинейной вольт-амперной характеристикой: разрядников, варисторов, стабилитронов и т.п. Нелинейность ВАХ позволяет организовать канализацию импульсных помех по схеме «провод-провод» или «провод-земля», не позволяя им достигнуть входов аппаратуры.

e) Экранирование чувствительной аппаратуры

Иногда высокий уровень магнитных полей при КЗ в высоковольтной сети представляет непосредственную угрозу для аппаратуры. В этом случае обычно рассматриваются варианты размещения аппаратуры в специальных экранирующих шкафах.

Разумеется, приведенными методами не исчерпывается все разнообразие решений, направленных на снижение уровней помех, воздействующих на аппаратуру. Более того, специфика энергетических и промышленных объектов, как правило,  такова, что уровень действующих на аппаратуру помех не может быть снижен до очень малых значений без больших капитальных затрат. Поэтому для всей микропроцессорной аппаратуры, влияющей на безопасность и надежность работы объекта, должен обеспечиваться высокий уровень собственной устойчивости к помехам.

Подарок всем подписчикам рассылки

Лучше всего книги читать не согнувшись у монитора, а лежа на любимом диване. Электронное издание "Золотая коллекция электротехнической литературы" Справочник содержит аннотации на 150 книг электротехнической тематики (справочники, учебники, учебные пособия, нормативные документы, монографии) с прямыми ссылками на магазины, где их можно приобрести с доставкой по почте. Все книги разбиты тематически на 14 категорий. В электронном справочнике много довольно редких книг. Удобная система поиска по названию и по тексту. Справочник можно скачать с сайта: http://electrolibrary.narod.ru/goldbooks.htm

Поиск электротехнической литературы: http://electrolibrary.narod.ru/b_search.htm