Электромагнитная совместимость в электроэнергетике
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Ставропольский государственный аграрный университет
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 64
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9596-1058-6
Артикул: 622115.01.99
Рассмотрены общие вопросы электромагнитной обстановки на объектах электроэнергетики, источники и каналы передачи помех, методы и технические средства борьбы с радиопомехами, помехоустойчивость, а также методы испытаний и сертификации элементов вторичных цепей на помехоустойчивость, нормы по допустимым напряженностям электрических и магнитных полей промышленной частоты для персонала и населения. Подготовлено в соответствии с основной образовательной программой подготовки бакалавра по направлениям 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и 110800 «Агроинженерия». Курс рассчитан на студентов всех форм обучения, его информационное содержание достаточно для изучения дисциплины в объеме, предусмотренном стандартами высшего профессионального образования.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ Учебное пособие Ставрополь «АГРУС» 2014
УДК 537.86/87:621.31 ББК 32.86-01:31.2 Э45 Авторский коллектив: А. Ф. Шаталов, И. Н. Воротников, М. А. Мастепаненко, И. К. Шарипов, С. В. Аникуев Рецензент доцент кафедры ЭиЭЭО ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» В. Н. Шемякин Электромагнитная совместимость в электроэнергетике : учебное пособие / А. Ф. Шаталов, И. Н. Воротников, М. А. Мастепаненко и др. – Ставрополь : АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2014. – 64 с. ISBN 978-5-9596-1058-6 Рассмотрены общие вопросы электромагнитной обстановки на объектах электроэнергетики, источники и каналы передачи помех, методы и технические средства борьбы с радиопомехами, помехоустойчивость, а также методы испытаний и сертификации элементов вторичных цепей на помехоустойчивость, нормы по допустимым напряженностям электрических и магнитных полей промышленной частоты для персонала и населения. Подготовлено в соответствии с основной образовательной программой подготовки бакалавра по направлениям 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и 110800 «Агроинженерия». Курс рассчитан на студентов всех форм обучения, его информационное содержание достаточно для изучения дисциплины в объеме, предусмотренном стандартами высшего профессионального образования. УДК 537.86/87:621.31 ББК 32.86-01:31.2 ISBN 978-5-9596-1058-6 © ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет, 2014 Э45
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЗАИМНЫХ ИНДУКТИВНОСТЕЙ И ЕМКОСТЕЙ Цель занятия: научиться рассчитывать электрические ёмкости и взаимные индуктивности типичных систем, встречающихся на объектах электроэнергетики. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Электрическая ёмкость и взаимная индуктивность напрямую связаны со степенью электромагнитного влияния объектов друг на друга, они определяются геометрическими размерами и топологией проводников входящих в рассматриваемые системы [1, 2, 3]. Под емкостью С между двумя телами, на которых имеются электрические заряды Q, понимают абсолютную величину отношения заряда на одном из тел к напряжению между телами [2, 3, 4, 5]: U Q С = . (1.1) Из определения следует единица измерения электрической емкости – 1 кулон/вольт = 1 фарад (ф). Так как напряжение между телами в электростатике может быть линейно выражено через заряд (за исключением сегнетоэлектриков), то емкость, очевидно, зависит лишь от конфигурации и размеров тел. Индуктивность L проводника определяется соотношением: I L Ψ = , (1.2) где Ψ - потокосцепление, обусловленное током I . Для двух контуров, магнитные потоки которых взаимно пересекают площади друг друга, аналогично получаем выражение для взаимной индуктивности LВЗ: 2 1 I LВЗ Ψ = . (1.3)
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Пример расчета. Тонкий длинный провод радиуса R0 располагается на расстоянии h параллельно бесконечно протяженной проводящей плоскости (рисунок 1.1). Определить электрическую емкость между проводом и плоскостью, на единицу их длины, считая, что R0<<h. Решение. Для учета проводящей поверхности дополним чертеж зеркальным изображением проводника – согласно методу зеркальных изображений. Тогда проводник и плоскость можно эквивалентно заменить двухпроводной линией с расстоянием между проводниками 2h. Из определения электрической емкости U Q С = . Примем заряд проводников ±Q. Найдем напряжение между ними используя соотношение ϕ grag E − = . С учетом зависимости потенциала и напряженности поля прямолинейного бесконечно длинного провода лишь от одной координаты получаем dx d E ϕ − = . Отсюда ∫ − = Edx U . Рисунок 1.1 – Расположение проводника и проводящей плоскости Из теоремы Гаусса, напряженность поля заряженного проводника находится как x Е ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 0 2 ε ε π τ . Так как заряд нити определится через линейную плотность зарядов как l Q ⋅ =τ , то после подстановок получаем: ∫ − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ = 0 0 2 0 2 R h R x dx l C ε ε π τ τ . (1.4)
После преобразований и с учетом, что электрическая емкость на единицу длины равна l C C = 0 , получаем электрическую емкость между проводом и проводящей плоскостью на единицу их длины: 0 0 0 2 ln R h С ⋅ ⋅ ⋅ = ε ε π . (1.5) ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ Задача 1.1. Определить индуктивность двухпроводной линии на единицу ее длины, если диаметр проводников R, а расстояние между их осями d. Задача 1.2. Определить электрическую емкость коаксиального кабеля на единицу его длины, если диэлектрическая проницаемость изоляции 2 = ε , диаметр внутренней жилы 1 мм, внутренний диаметр наружной жилы 5 мм. Задача 1.3. Рассчитать взаимную индуктивность проводящего квадратного контура и прямого бесконечно длинного проводника, лежащего в плоскости контура. Взаимное расположение проводника и контура показано на рисунке 1.2. Рисунок 1.2 – Расположение проводника и проводящего контура. Задача 1.4. Определить индуктивность на единицу длины стальной шины с поперечным сечением в виде прямоугольника имеющего стороны 1 мм и 5 см. Сравнить эту индуктивность с индуктивностью круглого проводника с площадью, равной площади шины.
Задача 1.5. Рассчитайте электрическую емкость на единицу длины двух протяженных цилиндрических проводов диаметрами 2 см, геометрические оси которых находятся на расстоянии 5 см друг от друга. ВОПРОСЫ 1. Что такое магнитный поток и потокосцепление? 2. Дайте понятие индуктивности и взаимной индуктивности? 3. Что такое электрическая емкость? 4. В каких единицах измеряются индуктивность и электрическая емкость? В чем разница между погонными величинами индуктивности и емкости и полными их значениями? 5. Как связаны между собой напряженность и потенциал электростатического поля? 6. От чего зависят индуктивность, взаимная индуктивность и электрическая емкость системы проводников. 7. Опишите способы расчета электрических емкостей. 8. Опишите способы расчета индуктивностей.
2. УРОВНИ ПОМЕХ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭМС - НОМОГРАММЫ ПРИ ОПИСАНИИ ПОМЕХ Цель занятия: научится определять логарифмические относительные уровни помех и представлять импульсные помехи в частотной и временной областях, с использованием ЭМС номограммы. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 2.1 Уровни и интервалы помех Для целенаправленного планирования мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости должны быть известны: − электромагнитная обстановка, характеризующаяся амплитудными и частотными спектрами напряжений и токов источников помех, напряженностью поля; − механизм связи и ее количественная оценка в виде коэффициентов затухания или передаточных функций; − восприимчивость или чувствительность приемника помех, характеризующаяся пороговыми значениями помех в функции о частоты или времени [1,5,6]. Для количественной оценки электромагнитной совместимости (ЭМС) пользуются логарифмическими масштабами напряжений, токов, напряженностей электрического или магнитного поля, мощностей в относительных единицах, что позволяет наглядно представить соотношения величин, отличающихся на много порядков. Различают логарифм отношения уровня и степени передачи помехи. Уровни определяют отношение величины (например, напряжения Uх) к постоянному базовому значению (напряжения U0), которое часто задается в единицах: U0 = 1 мкВ и т.д.. Степень передачи определяется отношением входных и выходных величин системы и служат характеристикой ее передаточных свойств. Она представляет собой логарифмы обратных значений коэффициентов передачи, например, коэффициентов затухания мощности, ослабления за счет экранирования, снижения противофазной помехи по отношению к синфазной.
С применением десятичного логарифма log10 = lg определяют в децибелах, например, следующие величины, принимая базовыми величинами U0=1 мкВ, I0= 1 мкА, E0=1 мкВ/м, H0=1 мкА/м, P0=1 нВт: а) напряжение: UдБ = 20 1g(Ux/U0), где U0 = 1 мкВ; (2.1) б) ток: IдБ = 20 1g(Ix/I0), где I0 = 1 мкА; (2.2) в) напряженность электрического поля: ЕдБ = 20 1g(Еx/Е0), где Е0 = 1 мкВ/м; (2.3) г) напряженность магнитного поля: НдБ = 20 1g(Нx/Н0), где Н0 = 1 мкА/м; (2.4) д) мощность: РдБ = 20 1g(Рx/Р0), где Р0 = 1 нВт. (2.5) Вышеуказанные уровни были определены с применением постоянной базовой величины и поэтому обобщенно называются абсолютными уровнями. Они характеризуют значения конкретных величин [1, 4, 5, 6]. Чтобы подчеркнуть, что величина является базовой в ее обозначение, помимо дБ вводятся дополнительные индексы мкВ, мкА, например, дБмкВ, дБмкА и т.д. Подобно тому, как при использовании десятичного логарифма lg были образованы отношения величин в децибелах (дБ) при помощи натурального логарифма ln можно образовать отношение величин в неперах (Hn): 1 Hn = е = (Ux/U0). (2.6) Между непером и децибелом существуют соотношения: 2 1 1n(Ux/U0), Hn = 201g(Ux/U0), Дб, (2.7) или 1 Нn = 8,686 дБ; 1 дБ = 0,115 Hn.
Таким образом, применяя натуральный логарифм, можно принимая базовые значения определить аналогичным образом отношение величин в неперах (1 Нп=8,686 дБ). В целом, в электромагнитной совместимости среди уровней помех различают абсолютный и относительный уровни. Абсолютный уровень определяется для ряда значений: уровень помех, пороговое значение помехи, уровень полезного сигнала, отнесенных к определенной базовой величине (например, мкВ). Пример соотношений уровней полезного сигнала и помехи в зависимости от частоты приведен на рисунке 2.1. Уровнем помех называют относительное значение помехи (рисунок 2.1), при этом предел ее допустимых уровней определяют в стандартах DIN/VDE, ГОСТ, ОСТ. Пороговое значение помехи это наименьшее относительное значение полезного сигнала, превышение которого в месте приема воспринимается как помеха. Уровень полезного сигнала – относительное 100% значение полезного сигнала. Рисунок 2.1 – Уровни и интервалы помех Относительный уровень определяется в виде интервала как разность уровней.
Интервалом помехи называют разность между уровнями полезного сигнала и порогового значения помехи (рисунок 2.1), исчисляемый так же, как логарифм отношения значения полезного сигнала и порогового значения помехи. Интервал допустимых помех – разность между пороговыми значениями помехи и значением помехи, исчисляемая также логарифмом отношения порогового и действующего значения. При аналоговых сигналах интервал помехи должен быть не менее 40 дБ, в радио и телевидении – от 30 до 60 дБ, в телефонии около 10 дБ. Точные значения берутся из соответствующих норм (DIN/VDE), основанных на международном сотрудничестве в МЭК или CISPR с учетом частоты воздействия. 2.2 ЭМС – номограмма Распространение импульсных помех, их затухание вдоль пути распространения, а также их влияющее воздействие на различные места подверженной помехе системы могут быть описаны непосредственно во временной или частотной областях. Поскольку передаточные свойства путей связи и средств помехоподавления удобно представлять в частотной области, то для перехода из временной в частотную используют преобразования Фурье. Для быстрой практической (и соответственно, графической) реализации преобразования Фурье используют ЭМС – номограмму (номограмма электромагнитной совместимости). ЭМС – номограмма служит для: − графического определения огибающей (наихудший случай) плотности распределения амплитуд заданного импульса помехи стандартной формы (графическое преобразование «временная область – частотная область»); − синтеза формы импульса, эквивалентного помехе, из заданного спектра помехи (графическое обратное преобразование «частотная область – временная область»); − учета частотозависимых передаточных свойств путей связи, средств помехозащиты и т. п. Рассмотрим трапециевидный импульс (рисунок 2.2). Используя преобразования Фурье плотность распределения амплитуд (рисунок 2.2) определяется выражением: