Классификация источников помех

Рисунок 7. Определение  сопротивления растеканию заземлителя.

Сопротивление растеканию зависит от частоты и обычно определяется для 50 Гц.

Другие важные параметры  – сопротивление заземляющего устройства в целом (т.е., с учетом сопротивления  заземляющего проводника), сопротивление  основания электроаппарата или  ввода в заземлитель, напряжение шага и напряжение прикосновения. Две последние характеристики зависят не только от параметров системы заземления, но и от ожидаемых значений токов короткого замыкания. Во многих случаях также нормируется предельное значение аварийного потенциала на заземляющем устройстве.

Как уже говорилось, при протекании через заземляющее  устройство значительных токов на нем  возникает некоторый потенциал  относительно удаленной земли (зоны нулевого потенциала). Рисунок 8 показывает, каким образом этот потенциал  может воздействовать на телекоммуникационную аппаратуру. В приведенном примере  произошло короткое замыкание на заземляющем устройстве ЗУ1. Его причиной может быть авария любого силового электрооборудования, присоединенного к этому устройству. В результате ЗУ1 (и вся присоединенная к нему аппаратура) приобретает относительно зоны нулевого потенциала (в которой расположено второе заземляющее устройство ЗУ 2) некоторый потенциал U_кз, который в реальности может достигать многих кВ. Пусть теперь на обоих объектах установлена аппаратура связи, соединенная проводными связями. Тогда этот аварийный потенциал окажется приложенным к кабелю связи, что может привести к повреждению интерфейсных элементов, пробою оболочки кабеля и т.п. Примерный вид напряжения, приложенного в этом случае к кабелю связи и входам аппаратуры по схеме «провод-земля» показан на рис. 9.

Рисунок 8. Влияние  разности потенциалов между различными заземляющими устройствами на аппаратуру связи.

Рисунок 9. Пример напряжения помехи «провод-земля» на входе аппаратуры при воздействии аварийного потенциала.

Аналогичные проблемы могут возникать и в пределах одного заземляющего устройства. Это связано с тем, что заземляющее устройство не является эквипотенциальным. В качестве примера рассмотрим следующую ситуацию.

Пусть произошло  короткое замыкание фазы на землю  в силовой части энергообъекта (например, на распределительном устройстве - РУ - подстанции). Пусть, далее, ток короткого замыкания возвращается к заземленной нейтрали трансформатора, питающего данное короткое замыкание и расположенного на том же РУ. При этом на элементах заземляющего устройства будут неминуемо создаваться падения напряжения вследствие протекания токов короткого замыкания. Величина этих падений напряжения зависит от величины тока короткого замыкания, а также от свойств грунта и заземлителя и, особенно, от качества электрической связи между отдельными элементами заземляющего устройства.

Для упрощения оценки качества электрической связи между  отдельными элементами единого заземляющего устройства вводится понятие сопротивления  связи между электроаппаратами (конструкциями) на распределительном устройстве энергообъекта (РУ). Это понятие можно обобщить на любую систему заземления, в которой имеется несколько вводов заземляющих проводников в заземлитель. Чтобы понять, как определяется сопротивление связи, рассмотрим рисунок 10.

Между двумя электроустановками (вводами в заземлитель) А и В включен генератор тока промышленной частоты. Протекающий в земле и заземлителе ток создает между точками А и В некоторую разность потенциалов. Отношение этой разности потенциалов к току генератора и называется сопротивлением связи между точками А и В.

На рисунке 11 приведены  графики распределения мгновенного  значения потенциала вдоль протяженного заземлителя, показанного на рис. 10. Если бы земля являлась изолятором, то весь ток возвращался бы к генератору по заземлителю, и распределение потенциала вдоль заземлителя было бы равномерным (кривая 1 на рис. 11), т. к. его погонное сопротивление остается неизменным по длине. В действительности земля (грунт) имеет конечную проводимость, не равную нулю, поэтому ток по мере удаления от места его ввода перераспределяется между заземлителем и землей. При этом вблизи точек ввода и вывода занятый током объем грунта будет небольшим, но он будет быстро увеличиваться по мере удаления от концов заземлителя к его середине. Если считать продольный заземлитель вместе с объемом грунта, занятого током, некоторым эквивалентным проводником тока земляного возврата, то этот проводник будет иметь переменное сечение. Наибольшее сечение будет в середине, а наименьшее – в точках ввода и вывода тока, т.е. в точках А и Б. Соответственно, погонное сопротивление такого проводника будет наибольшим вблизи его концов, и распределение мгновенного значения потенциала вдоль него будет неравномерным (кривая 2 на рис. 11). В точках А и В потенциал будет максимальным (по абсолютной величине). По мере удаления от этих точек потенциал будет быстро снижаться до малых значений.

Рисунок 10. К определению  сопротивления основания электроустановки

Рисунок 11. Характер изменения мгновенного значения потенциала вдоль заземленного проводника.

Такой характер изменения  потенциала определяет опасность напряжения прикосновения. По этой же причине сопротивление  электрической связи между двумя  точками А и Б можно в большинстве случаев представить суммой двух сопротивлений — сопротивления основания электроустановки А и сопротивления основания электроустановки Б. Под сопротивлением основания электроустановки А относительно Б при этом понимается отношение потенциала, измеренного в точке А, к току генератора.

ЗАМЕЧАНИЕ. Если в качестве точки Б использовать заземлитель, вынесенный далеко за пределы заземляющего устройства, полученное значение сопротивления основания в точке А будет в точности равно сопротивлению растеканию данного ЗУ, измеренному в точке А.

Вообще говоря, сопротивление  основания электроустановки А зависит от выбора второй точки Б. Поэтому понятия «сопротивление связи» или «сопротивление растеканию, измеренное в точке А» являются более строгими. Однако на практике при выполнении измерений удобнее всего измерять именно сопротивление основания. Это позволяет ограничиться измерением сопротивления растеканию лишь в одной «опорной» точке (на подстанции такой точкой обычно является заземление нейтрали одного из трансформаторов). Для всех остальных точек (вводов в заземлитель) измеряются только сопротивления оснований относительно этой опорной точки. В целом получается достаточно полная картина, характеризующая заземляющее устройство в целом.

Чтобы оценить важность рассмотренных понятий с точки  зрения ЭМС, рассмотрим простой пример.

ПРИМЕР. Пусть сопротивления оснований всех аппаратов, расположенных на РУ подстанции относительно нейтрали трансформатора составляют 0,1 Ом (что соответствует реальному значению сопротивлений связи для элементов ЗУ, находящегося в удовлетворительном состоянии). Примем ток КЗ равным 10 кА, что вполне соответствует реальности. Тогда при коротком замыкании на какой-либо из электроустановок разность потенциалов между точками грунта, расположенными рядом с ней, и другими точками, удаленными от места КЗ и питающего его трансформатора, будет равна примерно 1 кВ. При возрастании сопротивления связи до 1 Ом (что нередко наблюдается в реальных условиях), указанная разность потенциалов увеличится до 10 кВ.

Высокая разность аварийных  потенциалов в пределах единого ЗУ может, в итоге, оказаться приложенной к некоторым кабелям, и через них - к входам аппаратуры. Кроме того, она представляет значительную опасность для оперативного и ремонтного персонала.

При оценке опасности  аварийных потенциалов необходимо учитывать такое явление, как  вынос потенциала. Его суть заключается  в распространении высокого потенциала по экранам кабелей, трубопроводам  и т.п. далеко от места короткого  замыкания.

ПРИМЕР. Пусть заземление экранов кабелей, связывающих два объекта А и Б, осуществляется со стороны объекта А. Тогда при появлении аварийного потенциала на объекте А возможен вынос потенциала на объект Б по экранам кабелей.

Аварийные потенциалы воздействуют на аппаратуру как низкочастотные кондуктивные помехи по информационным цепям и цепям питания (сценарии 1 и 3 в разделе 2). Обычная схема - «провод-провод». Поскольку частота 50 Гц очень низка по сравнению с рабочими частотами практически любой современной информационной аппаратуры, основную угрозу представляет физическое разрушение элементов аппаратуры, а также самих кабелей (критерий качества функционирования D согласно классификации раздела 2). Иногда, однако, встроенные схемы мониторинга питания распознают аварийные потенциалы как отказ и производят отключение или перезагрузку аппаратуры. В этом случае критерий качества функционирования - В или С.

К сожалению, пока нет  единой стандартизованной процедуры  испытаний, моделирующей воздействие  аварийных потенциалов на работающую аппаратуру. Применяемые обычно стандартные  измерения сопротивления изоляции нельзя считать полностью удовлетворительными, поскольку, во-первых, они проводятся лишь для отключенной аппаратуры и, во вторых, только по схеме «провод-земля».

3.2 Низкочастотные  возмущения напряжения питания

Основными источниками возмущений напряжения питания являются:

1. Резкие колебания  нагрузки. Рассмотрим условную схему  сети электропитания (рис. 12).

Рисунок 12. Влияние  резкого изменения нагрузки на остальных  потребителей.

Здесь потребители Z₁ …Z_n питаются от источника с ЭДС Е и внутренним сопротивлением Z_вн. Очевидно, что включение, например, первого источника приведет к уменьшению напряжения питания U на величину ≠U=I₁Z_вн за счет увеличения падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. При наличии в сети большого количества часто коммутируемых мощных потребителей (например, нагревательных устройств с терморегуляторами), будут происходить постоянные колебания напряжения сети питания (т.н. фликер - flicker).

2. Нештатные режимы  работы энергосистем. Вследствие  тех или иных неполадок в  работе энергосистемы параметры  напряжения питания (в первую  очередь, действующее значение) могут  значительно отличаться от номинальных. Короткие замыкания и другие аварии могут приводить к полному исчезновению напряжения питания длительностью от десятков миллисекунд до нескольких часов. В некоторых случаях могут возникать кратковременные перенапряжения, когда в течение нескольких периодов напряжение питания в 1,5 - 2 раза превышает номинальное.

3. Нелинейные элементы  в сетях электропитания. Наличие  в сети питания нелинейных  элементов способно значительно  искажать формы кривых тока  и напряжения. К таким элементам  относятся сердечники трансформаторов,  работающие в режиме, близком  к насыщению, импульсные блоки  питания аппаратуры, силовые полупроводниковые  преобразователи и т.п. Нужно  учитывать, что искажение формы  кривой тока отражается на  форме кривой напряжения за  счет внутреннего сопротивления  источника. Обычно для анализа  вносимых искажений используют  аппарат гармонического анализа.  При этом основным параметром  является коэффициент гармонических  искажений, определяемый как отношение  среднего квадратичного значения  гармоник, начиная со второй (обычно  – до 9-50), к действующему значению  первой гармоники. Обычно наибольший  вклад в коэффициент гармонических  искажений вносят нечетные гармоники  низких порядков (третья, пятая и  седьмая). Это объясняется тем,  что большинство встречающихся  нелинейных элементов имеет симметричную относительно начала координат вольт-амперную характеристику.

Воздействие указанных  факторов на аппаратуру проявляется  как воздействие низкочастотных кондуктивных помех по цепям питания (сценарий 3 из раздела 2). Физическое повреждение аппаратуры (критерий D) обычно появляется лишь в случае значительных перенапряжений. Большинство современных устройств имеет блоки питания, обеспечивающие нормальное функционирование в широком диапазоне входных напряжений. Поэтому для них существенную угрозу представляют лишь длительные прерывания питания. Наиболее надежным защитным средством в этом случае является применение источника или системы бесперебойного электропитания (ИБП, UPS- Uninterruptable Power Supply).

Традиционно на энергопредприятиях существовало две системы питания: питание переменным током 380/220 В (сеть собственных нужд объекта) и питание оперативным током (постоянное напряжение 220 В от аккумуляторной батареи). Последняя как раз и используется для питания критических элементов, требующих бесперебойного электроснабжения. Благодаря большой протяженности цепей оперативного тока и большому количеству подключаемых к ним потребителей, уровень помех в этих цепях достаточно высок. Особенно большие помехи в цепях оперативного тока создаются при срабатывании подключенных к ним электромеханических устройств (например, приводов высоковольтных выключателей). Поэтому в последнее время появилась тенденция снабжать особенно важную аппаратуру собственным ИБП, работающим от сети собственных нужд.

Имеются российские и международные стандарты, позволяющие  провести полномасштабные испытания  аппаратуры на устойчивость к воздействию  перечисленных выше помех: провалов, прерываний и выбросов напряжения питания, а также гармоник.

3.3 Помехи  от грозовых разрядов

При ударе молнии вблизи от аппаратуры или ее проводных  коммуникаций возникают сильные  импульсные помехи в информационных и антенных цепях, а также цепях  питания (сценарии 1-3 раздела 2). При  этом могут реализовываться как  индуктивный, так и кондуктивный механизм связи. В первом случае первостепенную роль играет то, что на расстоянии до нескольких километров от места разряда могут создаваться значительные электрические и магнитные поля. Эти поля создают наводки в линиях электропередачи и обмена информацией которые, в итоге, оказываются приложенными к входам электронной аппаратуры как помехи.

Кондуктивный механизм связи действует лишь при возникновении разряда между облаком и землей. В этом случае за счет протекания тока происходит подъем потенциала части грунта, а также различных металлоконструкций, включая элементы заземляющего устройства. После этого воздействие помехи на цепи аппаратуры происходит так же, как и в случае аварийных потенциалов на элементах заземляющего устройства (раздел 3.1).