Материал: СХЕМЫ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НИХ

В частности, большое значение имеет создание хорошей эквипотенциальной сети заземления или общей поверхности нуле­вого потенциала.

Поверхность нулевого потенциала может представлять собой непрерывную сталь­ную сетку, залитую бетоном, сетку или металлические пластины, расположенные на одном или нескольких уровнях.

Стальные прутья, внедренные в армиро­ванный бетон, могут быть использованы для создания такой поверхности и даже обра­зовывать основу для ее создания, если раз­мер ячейки не превышает 5×5 м. Сеть зазем­ления, образованная при соединении такой поверхности нулевого потенциала с класси­ческим контуром защитного заземления должна иметь размер ячейки не более 2×2 м.

Все металлические корпуса должны заземляться, по крайней мере, в двух точ­ках; в частности, кабельные лотки и кабельные эстакады из проводящих мате­риалов должны заземляться на обоих кон­цах и каждый раз, когда они пересекают другие металлические элементы.

Сам корпус элегазовой подстанции надо присоединять к сети заземления у основа­ния каждой опоры (кронштейна). Данные соединения должны иметь очень неболь­шую длину и по возможности выполняться при помощи трех-четырех проводов.

В местах соединения с ВЛ металличе­ский корпус элегазовой подстанции должен быть электрически соединен с поверхно­стью опорного потенциала при помощи металлических пластин площадью нес­колько квадратных метров (имеющих низ­кое сопротивление). Корпуса оборудования подстанции, имеющие трубчатую форму, присоединяются к пластине при помощи шести-восьми перемычек, равномерно рас­пределенных по его периметру.

Экраны кабелей высокого напряжения и вторичных цепей, входящих в элегазовую подстанцию, могут быть присоединены или не присоединены к местному контуру заземления.

Единственный способ избежать появле­ния помех значительного уровня - это коаксиально присоединить экран кабеля к корпусу подстанции. Если этого не сделать, т.е. если кабельные экраны присоединены только к контуру заземления, то разность потенциалов между экраном и корпусом может составить многие десятки киловольт и могут произойти перекрытия изоляции.

Наличие одновитковых трансформато­ров тока (надеваемых на кабель) или необ­ходимость выполнения соединения разъем­ным иногда влечет за собой невозможность коаксиального соединения. В этих случаях соединение следует выполнить при помощи минимум четырех коротких проводников, равномерно распределенных по окружно­сти. Но даже в этом случае существует вероятность перекрытия, если расстояние между выводами экрана и корпусом меньше 10 см.

Для того чтобы избежать неконтроли­руемых разрядов, рекомендуется устанав­ливать на кабель кольцо (цилиндрический искровой разрядник, изображенный на рис. 10.11) с зазором между кольцом и кор­пусом примерно 2-5 мм.

Подобная конструкция работает как фильтр высоких частот и пропускает раз­ряды низкой энергии (составляющие 50/60 Гц проходят через внешнее коакси­альное соединение), не оказывая практи­чески никакого влияния на общий уровень помех.

При необходимости можно достичь полного подавления искрения при помощи шунтирования промежутка сопротивле­нием в несколько Ом.

Если экраны кабелей не присоединяются к местному заземлителю, то появляется необходимость установки по периметру места соединения между экраном и корпу­сом устройств зашиты от перенапряжении (например, варисторов, конденсаторов или резисторов). Данное решение также приме­нимо для развязывающих изолированных соединительных муфт в металлическом кор­пусе. Во всех случаях соединения с шунтирующими элементами должны быть как можно более короткими.

Рис. 10.11. Переход кабеля в злегазовую подстанцию с установкой трансформатора тока (показана только одна из фаз)

Как уже отмечалось, высококачествен­ные экранированные кабели должны эксп­луатироваться с экранами, заземленными соосно (по периметру) на обоих его концах. Следует внимательно относиться к выбору трассы прокладки таких кабелей. По всей трассе кабели должны прокладываться в надежно заземленных металлоконструк­циях.

Помехозаграждение. Кроме общих методов выполнения экранов и прокладки кабелей, описанных ранее, иногда возни­кает необходимость использования заграж­дений для снижения уровня помех ниже некоторого приемлемого уровня, определя­емого помехоустойчивостью или, что более вероятно, электрической прочностью обо­рудования.

Обычно это происходит тогда, когда при­емные цепи проходят через границу зон с различной электромагнитной обстановкой.

Заграждающие устройства могут выпол­нять следующие функции: гальваническое разделение, ограничение перенапряжений и фильтрацию.

Гальваническое разделение. Приведем элементы, наиболее часто используемые для гальванического разделения цепей:

• электромагнитные и статические реле, возможности которых обычно ограничены переключениями между состояниями включено/выключено при очень низких частотах (50/60 Гц) с уровнем изоляции не более 2 кВ;

• оптроны, широко распространенные и используемые как в сочетании с элект­ронными цепями, так и отдельно. Они поз­воляют осуществлять передачу сигналов частотой до нескольких мегагерц в уст­ройствах с уровнем изоляции до 5 кВ. Паразитные емкости между входом и выхо­дом оптрона (порядка нескольких пикофарад) на высоких частотах могут значи­тельно ограничить коэффициент снижения синфазной помехи, однако в настоящее время разработаны специальные конструк­ции, в состав которых входит экран между входом и выходом устройства;

• разделительные трансформаторы, часто используемые как симметричный барьер, который легко может быть добав­лен к существующей цепи без специальной подготовки, и обычно не требующие подачи питания на свой выход. При помощи таких трансформаторов могут передаваться сигналы частотой от единиц герц до нескольких мегагерц, при этом уро­вень изоляции достигает 20 кВ и выше. Паразитные емкости между обмотками трансформатора значительно больше, чем у оптрона (до нескольких сотен пикофарад), но также могут быть значительно снижены при помощи заземленных экранов. Боль­шинство разделительных трансформато­ров имеют обмотки с выводом средней точки и поэтому могут обеспечить выпол­нение заземления цепей, наряду с такими возможностями как электропитание сим­метричных цепей. Этот факт имеет боль­шое значение в случаях, когда требуется снижение синфазных напряжений или про­тивофазных напряжений промышленной частоты. Кроме того, если оборудование связи имеет значительное синфазное сопротивление, то паразитные емкости трансформатора могут вызывать появле­ние перекрытий между его выводами и заземленными элементами, В этом случае возникает необходимость заземления сред­ней точки обмотки на стороне оборудова­ния непосредственно или через устройство защиты от перенапряжений;

• волоконно-оптические системы, несомненно, являются наилучшим барье­ром на пути помех всех типов. Однако если они не используются для передачи уплот­ненной информации (например, в локальных вычислительных сетях), то относи­тельно высокая (с учетом оконечного обо­рудования) стоимость ограничивает их применение в сложных системах, требую­щих широкополосных каналов передачи (например, для дифференциальных цифро­вых защит или зашит удаленных объектов). Некоторые наиболее дешевые виды опто­волокна (пластиковые) могут представлять большой интерес для применения в качес­тве НЧ-каналов передачи данных на небольшие расстояния в случаях, когда тре­буется очень высокий уровень прочности изоляции (например, телефонные цепи, выходящие за пределы ПС высокого напря­жения, датчики на оборудовании высокого напряжения и т.п ).

Иногда возникает необходимость при­менения оборудования, сочетающего в себе различные типы гальванической развязки, такие как разделительные трансформа­торы и реле или оптроны, или даже оптово­локно. Примером могут служить телефон­ные цепи с вызовом по постоянному току.

Защита от перенапряжений. Понятие устройство зашиты от перенапряжений отличается от гальванической развязки тем, что в срабатывании защиты ток отводится в землю и электрические характеристики передаваемого сигнала искажаются на время появления помехи (это может быть ограничение уровня напряжения, изменение сопротивления источника или даже КЗ).

Более того, если отводимый в землю ток помехи достаточно велик, то могут возникнуть проблемы в каких-либо других Цепях вследствие связи через общее сопро­тивление или из-за скачка потенциала заземлителя.

По указанным причинам защита от перенапряжении может быть применена только в тех цепях, сигналы которых допускают искажения во время возмуще­ний. Применение подобных устройств в цепях сигналов защиты в нормальных условиях недопустимо.

Устройства защиты от перенапряжений обычно делятся на три типа (применяемые отдельно или в комбинации друг с другом): разрядники, металлооксидные варисторы (нелинейные сопротивления), лавинные диоды.

В приведенной ниже табл. 10.1 обобща­ются основные характеристики этих трех типов составных элементов.

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

Из-за значительного уровня импульс­ных перенапряжений и больших сопро­вождающих токов КЗ, устанавливать такие устройства внутри оборудования не реко­мендуется. Наилучшие результаты дает применение в качестве первичного сред­ства защиты всей установки в месте входа кабелей в здание (помещение).

Таблица 10.1. Основные характеристики устройств, используемых для защиты от перенапряжений

Преимущество варисторов по сравне­нию с газовыми разрядниками состоит в том, что при их срабатывании цепь не закорачивается. Поэтому они широко используются, особенно в цепях электро­питания. Однако большая емкость уст­ройств ограничивает их применение в некоторых ВЧ-цепях.

Лавинные диоды не способны пропус­кать значительные токи, однако их напря­жение срабатывания может быть очень низ­ким и не зависит от тока. Поэтому они используются главным образом в качестве подавителей помех (тонкая защита) непос­редственно на входах оборудования или защищаемых цепей.

Совместное применение разрядника и подавителя помех. Необходимость защиты чувствительного оборудования от перена­пряжений вызывает необходимость приме­нения многоступенчатых схем защиты, в которых ступень грубой защиты (разряд­ник) устанавливается на входе в здание для отвода тока (выравнивания потенциала), а ограничение перенапряжений осуществля­ется ступенями тонкой защиты (подробнее см. гл. 11).

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

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

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

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

Данные фильтры обычно выполняют две функции: подавление противофазных и синфазных помех.

Первая функция легко выполнима (она напрямую характеризуется передаточными характеристиками фильтра), в то время как выполнение второй функции связано со сложностями, так как сильно зависит от способа установки фильтра и подключения его к оборудованию.

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

Качество фильтра оценивают, прежде всего, по амплитудно-частотной характе­ристике (АЧХ) или по частоте и крутизне среза, коэффициенту пропускания в полосе прозрачности. По виду АЧХ различают кроме фильтров низких частот (ФНЧ) поло­совые (ПФ), режекторные (РФ) фильтры и высоких частот (ФВЧ) (рис. 10.12).

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

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

Рис. 10.12. Амплитудно-частотные характеристики фильтров:

а - фнч; б - пф; в - рф; г - фвч

Все фильтры по исполнению делятся на две большие группы: пассивные и актив­ные. Пассивные собираются из пассивных элементов - резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. В активных филь­трах наряду с упомянутыми элементами используются также полупроводниковые приборы, микросхемы с источниками пита­ния. Активные фильтры, в свою очередь, делятся на аналоговые и цифровые. Досто­инством активных фильтров по сравнению с пассивными является большая крутизна среза и больший коэффициент пропускания в полосе прозрачности, высокое входное и низкое выходное сопротивления. Во вто­ричных цепях подстанционного оборудова­ния для зашиты от помех в сети исполь­зуют ФНЧ (табл. 10.2) и ПФ, в каналах телемеханики и связи чаще встречаются ПФ (заградительные фильтры на шинах и настроенные узкополосные фильтры при­соединения к конденсаторам связи, вход­ные фильтры в приемниках).

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

Помехоподавляющие конденсаторы. Пол­ное сопротивление конденсатора в широком диапазоне частот определяется не только его емкостью, но и индуктивностью его выводных проводников. Эквивалентная схема конденсатора может быть представ­лена в виде последовательного LRC-кон­тура. Таким образом, каждый конденсатор имеет определенную резонансную частоту, выше которой его полное сопротивление определяется уже не емкостью, а его собст­венной индуктивностью. Для расширения диапазона частот, в котором полное сопро­тивление конденсатора не превышало бы определенного значения, необходимо умень­шить собственную индуктивность конден­сатора. Кроме того, к конденсаторам, в зави­симости от условий их работы, предъявля­ются требования в отношении влагостой­кости, теплостойкости, электрической и механической прочности и т.п.