Источники электромагнитных помех (стр. 6 )

Источники питания электролизных установок должны отвечать требованиям: 1) высокая точность регулирования силы тока (колебание силы тока в серии не должно превышать ±1 % установленного значения при электролизе алюминия, ±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 первой категории; 4) многофазность выпрямления для снижения пульсаций тока.

Исследование графиков нагрузки, создаваемых электролизными установками, показало, что они носят непрерывный спокойный характер. Коэффициент мощности электролизных установок составляет 0,92-0,94 при нерегулируемых преобразователях, 0,81-0,94 - при регулировании с помощью дросселей насыщения и 0,6-0,9 - при импульсно-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 следующие гармоники тока: 5, 7, 11 и 13 при шестифазной; 11, 13, 23 и 25 при двенадцатифазной.

Электролизные установки гальванотехники потребляют постоянный ток силой 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 кВ×А, напряжение питания преобразователей переменное - 380 В.

Установки размерной электрохимической обработки материалов. Под размерной электрохимической обработкой (РЭХО) понимают процесс получения из заготовки детали требуемой формы и размеров за счет анодного растворения металла. Существует несколько основных способов РЭХО: 1) обработка с неподвижными электродами, при этом способе получают местные облегчения в деталях, отверстия в листовых материалах, наносят информацию, 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 цилиндрических отверстий, нарезание резьб, шлицев, винтовых канавок); 5) разрезание заготовок (изготовление пазов, щелей, подрезка нежестких деталей). 6) шлифование (изготовление пакетов пластин из магнитомягких материалов, а также деталей из вязких и прочих сплавов).

В качестве источников питания РЭХО используются полупроводниковые преобразователи, рисунок 2.31.

РЭХО генерируют в сеть высшие гармоники, порядок которых зависит от схемы выпрямления.

а) б)

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 – силовой трансформатор; В – неуправляемый выпрямитель; Др – дроссель; МЭП – межэлектродный промежуток;

1 – резистор; 2 – блок управления тиристорами; 3 – сигнал обратной связи.

Рисунок 2.31 - Принципиальная схема тиристорного

источника питания установок ЭХО

2.4 ЭМП создаваемые электроприемниками с электродвигателями

Наибольшее распространение на промышленных предприятиях имеют электроприемники с асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. В момент пуска заторможенного асинхронного электродвигателя, он потребляет пусковой ток In (содержащий апериодическую составляющую) In=KnIном. д (где Kп - коэффициент пуска Kп =). При пуске в огибающей напряжения возникает ПН сложной формы (рисунок 2.32). Первый размах изменения напряжения объясняется наличием апериодической составляющей в токе, когда сопротивление АД равно пусковому. Она достаточно быстро затухает, поэтому мало. Величина размаха зависит от момента включения, предвключенного сопротивления и кратности пускового тока. Провал напряжения (равный ) по мере разворота двигателя уменьшается до . Разница и длительность разгона определяются KП, суммарным маховым моментом и зависимостью момента сопротивления приводного механизма от скорости. В конце разгона ток быстро спадает до нагрузочного и остается падение напряжения в нагрузочном режиме .Обычно , поэтому можно оперировать эквивалентной губиной ПН:

.

Рисунок 2.32 - Форма провала напряжения при пуске

асинхронного двигателя

Электродвигатели являются практически линейной нагрузкой. Работа АД в составе отдельных электроприемников (прессе, привод инструмента в станках автоматических линий и др.) сопровождается появлением провалов напряжения. При периодическом пуске и останове параметры провалов определяются как указано выше. Если нагрузка на работающий двигатель возрастает от Kз1 до Kз2 (Kз - коэффициент загрузки), то глубина провала:

,

т. е. определяется величиной наброса тока, а длительность спада и нарастания напряжения определяется характером изменения нагрузки на валу двигателя. Часто провал напряжения можно считать элементарным.

Рассмотрим параметры провалов напряжения создаваемых характерными электроприемниками с АД.

Прокатные станы. На рисунке 2.33 приведена схема прокатного производства с основными видами прокатных станов, а на рисунках 2.34, 2.35 схемы электроснабжения некоторых прокатных станов. В качестве электроприводов прокатных станов используются асинхронные, синхронные и двигатели постоянного тока. Проведенные исследования показали, что 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.

Рисунок 2.33 - Схема прокатного производства

На рисунке 2.35 приведены осциллограммы изменения тока и напряжения на шинах питающих прокатный стан, а на рисунке 2.36 диаграмма уровней и провалов напряжения на шинах 6 кВ.

Состав гармоник тока, генерируемых прокатными станами питающимися от тиристорных преобразователей, зависит от фазности применяемых преобразователей. Исследования показали, что имеются 6-ти и 12-ти фазные схемы. Номера гармоник тока и их величину можно определять по выражениям (2.2), (2.3).

Рисунок 2.34 - Схема электроснабжения тонколистового 5-клетевого

стана 2000 холодного проката

Рисунок 2.35 - Схема электроснабжения слябинга 1250 (а) и

тонколистового стана 2000 горячего проката (б)

Рисунок 2.36 – Регистограммы токов и напряжений прокатных станов

- посадки напряжения при пуске прокатных станов.

Рисунок 2.37 - Диаграмма уровней напряжения на шинах 6 кВ РП

питающего прокатные станы

В таблице 2.11 приведены пределы изменения ЭМП создаваемых различными типами прокатных станов [21, 25, 30].

Таблица 2.11 - ЭМП, создаваемые прокатными станами на шинах 6, 10 кВ

Виды станов			Kнс, %
1	2	3	4
Листовые горячей прокатки		1-2	4-14
Блюминги, слябинги, реверсивные станы холодной прокатки		5-20	10-30
Нереверсивные станы Холодной прокатки		10-30	-

Прессы. Параметры ПН от кривошипных прессов во многом определяются массой маховика и практически не зависят от вида изготавливаемых деталей. Функциональной связи между усилием и глубиной провала нет.

Максимальный размах ПН при работе прессов достигает %, частота следования провалов напряжения до 0,2 Гц. Автоматические прессовые линии создают ПН глубиной до 5% при частоте до 0,17 Гц (таблица 2.12 и рисунок 2.38).

Рисунок 2.38 - Форма провала напряжения при пуске и пресса

Краны. Провалы напряжения возникают в момент начала перемещения груза. Размах изменения напряжения у кранов не значителен, так у крана с двигателем 40 кВт при перемещении груза т .

Таблица 2.12 - Параметры ПН создаваемых прессами

Усилие, тонн	Мощность привода, кВт	Параметры ПН
, %	, с	, с	, 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

Металлорежущие станки. Этот вид ЭП практически не создает провалов напряжения в процессе нормальной работы (не пуска). Провалы становятся различимыми при мощности главного привода станка более 14 кВт. Решающее значение сказывает назначение станка. Так при обследовании шлифовальных станков с АД до 30 кВт ПН не обнаружено, а у зубонарезных станков, работающих с высоким () коэффициентом загрузки, размах изменений напряжения достигал 0,6% при модности АД 28 кВт.

Транспортеры, вентиляторы, компрессоры. Провалы напряжения возникают в момент пуска. Параметры ПН зависят от мощности АД и характера нагрузки. Глубина ПН не превышает: у транспортеров и конвейеров - 1,2%, вентиляторов - 3-5%, компрессоров 4-6%.

2.5 ЭМП создаваемые преобразователями тока и частоты

На промышленных предприятиях большое распространение подучили различные преобразователи тока. Наибольшее применение имеют трехфазные мостовые схемы полупроводниковых преобразователей. Эта схема выпрямления позволяет реализовать шестифазную (шестиимпульсную) схему выпрямления. Соединение последовательно или параллельно двух или нескольких мостовых схем и питание их напряжением, сдвинутым на соответствующий угол, позволяет получить 12, 18, 24, 36, 48-фазные схемы выпрямления [21]. Эти схемы применяются в преобразователях большой мощности. На промышленных предприятиях преобразователи работают на противо-ЭДС или активно-индуктивную нагрузку. Кривая сетевого тока потребляемого преобразователем искажена, её форма определяется углом управления и углом коммутации .

Порядок нечетных гармоник генерируемых преобразователем определяется по выражению (2.2).

Исходя из выражения (2.2) преобразователи генерируют высшие гармоники следующих порядков:

- 6-ти фазные =5, 7, 11, 13, …

- 12-ти фазные =11, 1З, 23, 25, ...

- 24-х фазные =23, 25, 47, 49, ...

При нарушении симметрии моментов открытия вентилей в преобразователе, в спектре тока появляются и четные гармоники 2, 4, 6 и т. д.

В проектной практике углы управления и коммутации преобразователей часто бывают неизвестны, поэтому действующее значение тока n - гармоники, генерируемой преобразователями, можно определить по выражению [21]:

, (2.9)

где - относительное индуктивное сопротивление цепи коммутации.

Если пренебречь углом коммутации, то действующее значение n - й гармоники можно определить:

. (2.10)

В работе [16] приведены точные выражения для определения I(n) в функции углов управления и коммутации для различных схем преобразователей тока.

Тиристорные преобразователи частоты получают питание, как правило, от неуправляемых выпрямителей, для которых [16]:

, (2.11)

где g0 – угол коммутации для неуправляемого выпрямителя.

Сам преобразователь частоты модулирует напряжение питания и ток выпрямителя на собственной частоте вследствие конечного времени процесса коммутации тиристоров.

Если вводится дополнительная стабилизация выпрямленного напряжения, то применяют полностью управляемые преобразователи и спектр рассчитывается по (2.9), (2.10) или [1, 16].

2.6 ЭМП создаваемые ЛЭП, трансформаторами и

автотрансформаторами

Протяженность ЛЭП напряжением 35 кВ и выше в РФ достигает около 1 млн. км. В таблице 2.13 приведены данные о протяженности ЛЭП переменного тока [17, 19, 32].

Линии электропередачи начинаются и заканчиваются на подстанциях, оборудованных понижающими и повышающими трансформаторами или автотрансформаторами.

Таблица 2.13 - Данные о протяженности ЛЭП переменного тока

Напряжение, кВ	Протяженность ЛЭП, тыс. км
1	2
1150	1,9
750	7,2
500	42,4
330	31,6
220	132,9
110-150	434,1
35	374,7

В зависимости от конструктивного исполнения ЛЭП и их электрических схем они оказывают различное электромагнитное влияние на окружающее пространство. ЛЭП в рабочих и аварийных режимах создают помехи излучения и помехи проводимости.

Основными видами ЭМП проводимости, создаваемых высоковольтными ЛЭП, являются: несимметрия и несинусоидальность токов и напряжений; выбросы и провалы напряжения; перенапряжения.

Различают внутренние и внешние перенапряжения. Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в элементах электрической цепи или поступающей в нее от генераторов. В зависимости от условий возникновения и возможной длительности воздействия различают коммутационные, квазистационарные и стационарные перенапряжения.

Коммутационные перенапряжения связаны с внезапным изменением схемы или её параметров (аварийные отключения или включения ЛЭП, трансформаторов и автотрансформаторов). При включении элементов электрической сети возникает переходный процесс от предшествующего к новому установившемуся состоянию. Вследствие малых потерь и высокой добротности контуров переходные процессы при коммутациях имеют колебательный характер и могут привести к возникновению значительных перенапряжений до 2-3 крат от Uном.

Емкостной эффект ЛЭП совместно с нелинейными свойствами элементов, входящих в энергетическую систему (трансформаторы и автотрансформаторы с насыщенными магнитопроводами), могут стать причиной квазистационарных перенапряжений в линии, а сама ЛЭП - источником ЭМП не только с промышленной частотой 50 Гц, но и гармоник с частотным диапазоном 0,1…150 кГц. Наибольшие амплитуды имеют гармоники в диапазоне частот 100...3500 Гц. Эти гармоники достигают особенно больших значений в трехфазных линиях передачи переменного тока, питающих установки с выпрямителями. Исследования режимов работы трехфазных ЛЭП с напряжением от 35 до 500 кВ при различных токах нагрузки показали, что линейные или фазовые напряжения и токи, а также токи нулевой последовательности в системах с глухозаземленной нейтралью содержат гармоники с большими амплитудами в диапазоне частот 100...3500 Гц [32].

Стационарные перенапряжения, как правило, меньше квазистационарных и не имеют существенного значения при генерации ЭМП.

Частным случаем внешних перенапряжений являются грозовые перенапряжения. При воздействии на ЛЭП грозовых разрядов вдоль линии со скоростью света и малым искажением и затуханием распространяются электромагнитные волны, которые являются источниками мощных ЭМП даже в тех районах, которые удалены от места воздействия молнии.

Перенапряжения в высоковольтных ЛЭП могут быть причиной аварийных режимов её работы и стать источником ЭМП намного большей мощности, чем в рабочих режимах ЛЭП. При аварийных режимах ЛЭП источниками мощных ЭМП становятся токи и напряжения основной частоты. Наиболее распространенным аварийным режимом ЛЭП является её короткое замыкание на землю. Причиной коротких замыканий ЛЭП могут быть внутренние и внешние перенапряжения. Наиболее неблагоприятным в смысле электромагнитного воздействия ЛЭП является её 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 определяется как [25]:

,

где Iкз – ток короткого замыкания, А;

Tс - постоянная времени сети (Тс= 0,05 - 0,1 с);

f = 50 Гц;

r - расстояние от ЛЭП до точки наблюдения, м;

t - время действия т. к.з. (t = 0,05 - 0,2 с).

Несимметрия токов и напряжений создается ЛЭП при несимметричном расположении проводов на опорах.

Провалы напряжения создаются при аварийных отключениях ЛЭП и при коротких замыканиях. Глубина провалов от 0 до 100% от Uном, а их длительность от 0,05 до 0,2 с.

При отсутствии нагрузки первичное напряжение сетевых трансформаторов практически равно противо-ЭДС, так как при малых токах влияние активного сопротивления и рассеивания очень мало. Для мгновенного значения кривой синусоидального напряжения можно записать выражение:

,

из которого следует уравнение для основного потока:

,

т. е. при отсутствии нагрузки синусоидальное напряжение вызывает появление синусоидального потока. Однако при этом первичный ток не будет чисто синусоидальным, так как поток нелинейно пропорционален намагничивающему току.

В идеальном случае при отсутствии гистерезисы поток Ф и вызывающий его ток намагничивания im связаны кривой намагничивания, причем результирующая кривая тока далека от синусоиды. При учете явления гистерезиса синусоидальный намагничивавший ток теряет симметричность относительно своего максимального значения. Искажения кривой тока im, вызываются в основном гармониками, кратными трем, в особенности третьей. Следовательно, для получения относительно синусоидального питающего напряжения необходимо исключить распространение таких гармоник, что достигается использованием обмоток, соединенных в треугольник.

В каждой фазе трехобмоточного трансформатора присутствуют все магнитодвижущие силы гармоник, кратные трем, причем в каждой обмотке трансформатора 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 (до 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 значений (5 – 10%) и вносить существенные искажения, особенно в ночное часы, когда нагрузки в энергосистемах и на предприятиях малы, а напряжение выше номинального.

2.7 ЭМП создаваемые осветительными

электроприемниками

В зависимости от типа лампы (накаливания, газоразрядные) осветительные электроприемники являются источниками высших гармоник, коммутационных помех, создают провалы напряжения.

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 от с (у ЛН малой и средней мощности) до 0,1 и более у ЛН большой мощности. Чем меньше , тем меньше кратность пускового тока КП, которая у ЛН малой, средней и большой мощности соответственно равна и . Таким образом изменение тока во времени будет:

,

а на зажимах ЛН возникает провал напряжения глубиной . Длительность первого размаха изменений напряжения будет очень мала, длительность второго размаха (экспоненциальной формы) - около Напряжение восстанавливается до Uном.

Газоразрядные лампы. Люминесцентные (ЛЛ) и дуговые ртутные лампы (ДРЛ) из-за нелинейности вольтамперной характеристики дугового разряда и наличия в составе пускорегулирующей аппаратуры (ПРА) дросселя являются источниками высших гармоник 3, 5 и 7 порядков. Относительное значение токов третьей и пятой гармоник составляет соответственно [17]: для ЛЛ с индуктивным балластным сопротивлением 4% и 0,6%; для ЛЛ с индуктивно-емкостным балластным сопротивлением 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 весьма значительны и другие нечетные гармоники.

Величина гармоник тока определяется по выражению .

Пусковой ток газоразрядных ламп, обеспечиваемый ПРА, относительно невелик: (1,3 - 1,5)Iном для ЛЛ и,1)Iном для ДРЛ. Длительность пуска (зажигания) ЛЛ колеблется от нескольких секунд (даже долей) до 10-15 с и в течение этого времени ток мало изменяется. Время полного разгорания ДРЛ около семи минут. Из-за большого разброса характеристик, длительность максимального пускового тока группы ЛЛ составляет единицы секунд, после чего он быстро спадает. У ртутных ламп высокого давления разгорание протекает почти одинаково.

В процессе эксплуатации ламп может возникнуть так называемый аномальный режим работы, в котором параметры лампы существенно отличаются от паспортных. Из-за дезактивации одного из электродов ЛЛ или некоторых дефектов новых ламп, как правило, существенно возрастает напряжение перезажигания в тот полупериод, когда дезактивированный электрод является катодом. В ртутных лампах высокого давления уменьшается установившееся напряжение не лампе (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 больше (до 2Iном у ламп с индуктивным балластом, до,9)Iном у ламп с индуктивно-емкостным балластом). В спектре тока появляются нечетные гармоники и постоянная составляющая.

Особенностью газоразрядных ламп является то, что в процессе их пуска несамостоятельный разряд переходит в самостоятельный скачкообразно с резкими изменениями тока и напряжения. Броски тока приводят к появлению импульсов 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 высокочастотную составляющую амплитудой 6 - 10 В и частотой 1 - 2 кГц. Эти колебания представляют собой релаксацию анодного падения напряжения ЛЛ. И хотя эти колебания имеют относительно небольшую амплитуду, обусловленные ими высокочастотные токи создают постоянный "фон" в питающих сетях.

Источником кратковременных ЭМП могут служить встраиваемые в ПРА генераторы импульсного напряжения (для ускоренного зажигания) [26].

Следует иметь ввиду, что гармоники, кратные трем, образуют систему нулевой последовательности. Поэтому, суммируясь в нулевом проводе, они могут давать ток близкий к фазному.