Ограничение перенапряжений и фильтрация помех

1.

Ограничение
перенапряжений
и фильтрация помех
Лекция № 3
по курсу
Электромагнитная совместимость
в электроэнергетике

2. Мероприятия по снижению помех

Импульсные перенапряжения
в цепях электропитания
Высокочастотные помехи
в сигнальных цепях
2

3. Пассивные помехоподавляющие устройства

Фильтры
Фильтрация – выделение спектральных составляющих
полезного сигнала из зашумленного сигнала
Ограничители перенапряжения
Ограничение амплитуды импульсов перенапряжения в
сигнале
Экраны
Снижение напряженности электромагнитного поля в
определенной области пространства
3

4.

ФИЛЬТРЫ
4

5. Фильтрация помех Предполагает отличие спектров полезного сигнала и помехи

Полезный
сигнал
и ВЧ помеха
Фильтр низких
частот
и АЧХ фильтра
Результат
фильтрации
помех
5

6. Классификация электрических фильтров

• По работе с аналоговым сигналом или его цифровым
представлением - аналоговые и цифровые фильтры
• По элементной базе - активные и пассивные
фильтры
• По виду амплитудно-частотной характеристики –
ФНЧ, ФВЧ, ПФ, РФ
• По конфигурации схемы Г-, Т- и П - образные
6

7. Определение коэффициента затухания фильтра

Zi – сопротивление источника сигнала
Zн – сопротивление нагрузки
Вносимое затухание фильтра - отношения напряжения на
нагрузке без фильтра и с фильтром U1/U2
7

8.

Эффективность фильтрации характеризуется коэффициентом
затухания – логарифмом отношения напряжения на нагрузке без
фильтра и с фильтром.
Коэффициент затухания, определенный в децибелах:
ae (дБ) = 20 lg (U1/U2)
Коэффициент передачи фильтра - отношения напряжения на
нагрузке с фильтром и к напряжению без фильтра U2/U1
Кп (дБ) = 20 lg (U2/U1)
8

9.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЛЬТРА
Амплитудно-частотная характеристика фильтра (АЧХ) – зависимость
коэффициента передачи фильтра от частоты.
Полоса пропускания фильтра – область частот, при которых
Кп (дБ) = 0 (U2=U1, сигнал таких частот не ослабляется)
Полоса подавления – область частот, в которых
Кп (дБ) → -∞ (U2 → 0, сигнал таких частот подавляется)
Частота среза - частота, лежащая на границе полосы пропускания,
определенная при коэффициенте передачи -3 дБ
Крутизна среза – скорость спада АЧХ в полосе подавления (дБ/октаву,
дБ/декаду)
Порядок фильтра – параметр, характеризующий крутизну среза. Фильтр
первого порядка имеет крутизну среза 6 dB/октава (20 dB на декаду),
второго порядка - 12 dB/октава, третьего – 18 dB/октава и т.д.
9

10. АЧХ фильтров низкой и высокой частоты

Кп
Фильтр низкой частоты (ФНЧ)
Кп
Фильтр высокой частоты (ФВЧ)
10

11. АЧХ полосового и режекторного фильтров

Кп
Полосовой фильтр (ПФ)
Кп
Режекторный фильтр (РФ)
11

12. Зависимость между порядком фильтра и крутизной среза (АЧХ ФНЧ 1-5-го порядков)

Кп, дБ
1-й порядок
2-й порядок
3-й порядок
4-й порядок
5-й порядок
частота, кГц
12

13.

Схемы помехоподавляющих фильтров низкой частоты
и оценка вносимого затухания
Емкостной фильтр
Эффективен при больших Zi и Zн
Индуктивный фильтр
Эффективен при малых Zi и Zн
13

14.

Схемы помехоподавляющих фильтров низкой частоты
и оценка вносимого затухания
Г – образный CL - фильтр
Эффективен при большом Zi и малом Zн
Г – образный LС - фильтр
Эффективен при малом Zi и большом Zн
14

15.

Схемы помехоподавляющих фильтров низкой частоты
и оценка вносимого затухания
Т – образный LC - фильтр
Эффективен при малых Zi и Zн
П – образный CL - фильтр
Эффективен при больших Zi и Zн
15

16. Сетевые помехоподавляющие фильтры

Сх
Сy
Сy
Назначение элементов фильтра:
Конденсатор Сх - для демпфирования симметричной помехи
Резистор R для разрядки конденсатора Сх после снятия напряжения
Конденсаторы Су – для подавления синфазных помех
Синфазный дроссель L – для подавления синфазных помех
16

17. Принцип работы синфазного дросселя

Противофазный сигнал –
индуктивность мала
компенсация магнитного
потока, создаваемого
рабочим током
Синфазный сигнал –
индуктивность максимальна
17

18. Сетевые помехоподавляющие фильтры

18

19. Монтаж помехозащитных устройств

правильно
неправильно
19

20. Паразитные характеристики элементов

Ср – паразитная емкость катушки (межвитковая, конструктивная и т.п.)
Lр – паразитная индуктивность конденсатора (индуктивность обкладок,
выводов конденсатора и т.п.)
20

21.

Ограничители перенапряжений
21

22. ГОСТ 32144-2013 (ГОСТ 13109-97) НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

- импульс напряжения - резкое изменение напряжения
в точке электрической сети, за которым следует
восстановление напряжения до первоначального или
близкого к нему уровня за промежуток времени до
нескольких миллисекунд;
- амплитуда импульса - максимальное мгновенное
значение импульса напряжения;
- длительность импульса - интервал времени между
начальным моментом импульса напряжения и
моментом восстановления мгновенного значения
напряжения до первоначального или близкого к нему
уровня;
22

23.

амплитуда импульса
длительность импульса
23

24. Грозовые микросекундные импульсные перенапряжения возникают:

• при непосредственном ударе молнии в наружную цепь
• при косвенном ударе молнии (образующееся при этом
электромагнитное поле индуцирует напряжение в проводниках
цепей)
• при ударе молнии в грунт создается разность потенциалов в
системе заземления
Коммутационные импульсы перенапряжения
появляются в результате:
• переключений в мощных системах энергоснабжения
• переключений в системах электроснабжения в непосредственной
близости от электроустановок зданий
• резонансных колебаний напряжения в электрических сетях при
работе тиристорных и симисторных устройств
• повреждений в системах, например, при коротких замыканиях на
землю
24

25. ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В НИЗКОВОЛЬТНЫХ СИЛОВЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Устройство для защиты от импульсных
перенапряжений (УЗИП): Устройство, которое
предназначено для ограничения переходных
перенапряжений и отвода импульсов тока. Это
устройство содержит, по крайней мере, один
нелинейный элемент.
25

26. Элементы УЗИП

• Разрядник представляет собой устройство из двух
токопроводящих пластин с калиброванным зазором. При
существенном повышении напряжения между пластинами
возникает дуговой разряд, обеспечивающий снижение
напряжения высоковольтного импульса.
• Варистор - резистивный элемент с резко выраженной
нелинейной ВАХ. Обладают сильной зависимостью
сопротивления от приложенного напряжения.
Изготавливаются преимущественно из оксида цинка (ZnO).
• Полупроводниковые ограничители
(помехоподавляющие диоды, стабилитроны). При
превышении рабочего напряжения происходит обратимый
лавинный пробой диода, в результате чего он переходит в
состояние с низким динамическим сопротивлением.
26

27. Ограничение перенапряжений при помощи нелинейного сопротивления

27

28.

Основные характеристики ограничителей напряжения
Диапазон значений для различных ограничителей
Разрядники
Варисторы
Полупроводниковые
ограничители
Рабочие
напряжения, В
102 … 4 104
101 … 5 103
3…600
Импульсные токи,
А
102 … 2 105
102 … 105
101 … 103
Время
срабатывания, с
10-6 … 10-5
10-9 … 10-8
10-11 … 10-9
2 … 30
200 … 20000
10 … 10000
Характеристики
Межэлектродные
емкости, пФ
28

29. Разрядники

Достоинства разрядников – малая межэлектродная емкость,
способность пропускать большие импульсные токи.
Недостатки разрядников – запаздывание срабатывания при большой
крутизне фронта импульса перенапряжения (отличие динамического
напряжения пробоя от статического). Возможность горения дуги после
срабатывания если напряжении сети больше напряжения горения дуги.
tзап
Реакция разрядника
на импульсное напряжение
Малогабаритные разрядники
фирмы EPCOS
29

30. Разрядник с устройством, облегчающим зажигание

30

31. . Разрядник для выравнивания потенциалов в сети электроснабжения

31

32. Характеристика зажигания газонаполненного разрядника

32

33. Варисторы

Достоинства варисторов – отсутствие времени запаздывания при
срабатывании.
Недостатки варисторов – значительная внутренняя емкость (десятки
нФ).
Вольт –амперная характеристика в
рабочей области приближенно
описывается выражением:
I = K U .
Коэффициент К зависит от размеров
(диаметра и толщины диска), а показатель
степени ( 25) зависит материала
варистора.
Энергия, поглощаемая варистором:
W i (t )u (t )dt
0
33

34. Микроструктура оксиодно-цинкового варистора

Микроструктура оксиодноцинкового варистора
34

35. Полупроводниковые ограничители

Достоинства полупроводниковых ограничителей – отсутствие времени
запаздывания при срабатывании, сравнительно малая емкость.
Недостатки полупроводниковых ограничителей – ограниченный
диапазон рабочих напряжений и токов.
Вольтамперная характеристика стабилитрона
35

36. Комбинированные устройства ограничения перенапряжений

Сочетают в себе достоинства отдельных элементов
Ступенчатый фильтр разрядник –
варистор. Достоинства – большая
поглощаемая энергия, малое
остающееся напряжение на выходе
фильтра.
Последовательное включение разрядника и
варистора с целью исключения горения дуги
в разряднике после его срабатывания.
36

37. Комбинированные устройства ограничения перенапряжений

Схема сетевого фильтра APC E25-GR
Предназначен для защиты цепей электропитания компьютеров, периферии и
другой электронной аппаратуры от:
- импульсных перенапряжений и выбросов тока, возникающих в результате
коммутации и работы промышленного оборудования
- высокочастотных помех, распространяющихся по сетям электропитания
- импульсных перенапряжений, возникающих в результате грозовых разрядов
37

38. Зонная концепция защиты приемников электроэнергии от перенапряжений

Эта концепция предусматривает
одноступенчатую защиту вне помещений и
трехступенчатую схему включения защитных
устройств внутри помещения.
38

39. Экранирование и заземление в зонах комплексного устройства

39

40. Кондуктивные помехи в проводнике, находящемся в зонах 0А, 0В, 1

40

41. Использование арматуры здания, проводников уравнивания потенциала и заземлителя для создания экрана

42.

42

43.

КЛАССИФИКАЦИЯ УЗИП В СООТВЕТСТВИИ С ЗОННОЙ КОНЦЕПЦИЕЙ
• Группа А Ограничители этой группы предназначены для защиты
устройств и сетей низкого напряжения от перенапряжений,
возникающих вследствие попадания разрядов в объекты,
находящиеся рядом с воздушными линиями электропередачи или
прямо в линию на большом расстоянии от места установки этих
ограничителей.
• Группа В (Класс I в России). Ограничители группы В - это первая
ступень защиты внутри объекта. Главная их задача -ограничение
перенапряжений до уровня 4 кВ.
• Группа С (Класс II в России). Главной задачей ограничителей
группы С (вторая ступень защиты) является уменьшение
перенапряжения, пропущенного через ограничители группы В и
значение которого все еще велико для защищаемых устройств.
Допускаемый уровень перенапряжения не более 2,5 кВ.
• Группа D (Класс III в России). Ограничители группы D
предназначены для точной защиты потребителей, особенно
чувствительных к коротким перенапряжениям и устойчивость
изоляции которых не превышает 1,5 кВ.
43

44.

44

45.

45

46.

Деление электропроводки на категории по перенапряжению
Категория IV - относится к устройствам, находящимся в первой части
электропроводки: линии питания главных щитов, для которых импульсная
устойчивость изоляции должна быть не менее 6кВ (ввиду прямого риска
атмосферного перенапряжения или других видов перенапряжений).
Категория III - относится к устройствам и частям электропроводки (например,
соединениям), подвергаемым опасности: атмосферных перенапряжений,
сниженных ограничителями перенапряжения (типа А), установленными в
первой части электропроводки; Защищаемые потребители энергии ETITEC D
- перенапряжений от включения и выключения электрических устройств
большой мощности.
Категория II - относится к устройствам, запитанным из распределительных
щитов, подвергнутых риску атмосферных перенапряжений, сниженных
ограничителями типа В.
Категория I - относится к таким частям электропроводки, в которых уровень
перенапряжений определен ограничителями типа С.
46

47. Вопросы к зачету

1.
Пассивные фильтры. Их классификация и основные
характеристики.
2.
Схемы помехоподавляющих фильтров низкой
частоты. Сетевые помехоподавляющие фильтры.
3.
Ограничение перенапряжений. Элементы УЗИП и
их характеристики.
4.
Зонная концепция ограничения перенапряжений.
Классы УЗИП и категории электропроводки.
47

48.

Спасибо за внимание !
48

49.

• В настоящее время обеспечение
электромагнитной безопасности
производственных воздействий и воздействия
на население осуществляется внедрением
санитарно-эпидемиологичеких нормативов,
исполнение требований которых является
обязательным для всех организаций вне
зависимости от форм собственности. Согласно
СанПиН № 2971-84 и СанПиН 2.1.2.2801-10
«Изменения и дополнения № 1 к СанПиН
2.1.2.2645-10, предельно допустимые уровни
(ПДУ) напряжённости Е электрического поля
(ЭП) для населения составляют:
49

50.

• внутри жилых зданий – 0,5 кВ/м, на территории
зоны жилой застройки – 1 кВ/м, в населённой
местности – 5 кВ/м, в ненаселённой местности
– 15 кВ/м и в труднодоступной местности – 20
кВ/м.
• Согласно ГОСТ 12.1.051-90 ССБТ,
устанавливается охранная зона вдоль ВЛ на
расстоянии в зависимости от напряжения: до
20 кВ включительно – 10 м, свыше 20 до 35 кВ
включительно – 15 м, свыше 35 до 110 кВ
включительно – 20 м, свыше 110 до 220 кВ
включительно – 25 м, свыше 220 до 500 кВ
включительно – 30 м, свыше 500 до 750 кВ
включительно – 40 м и свыше 750 до 1150 кВ
50
включительно – 55 м.

51.

• А по СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03,
устанавливаются санитарно-защитной
зоны (санитарного разрыва) ширина
которых составляет:
20 м – для ВЛ напряжением 330 кВ,
30 м – для ВЛ напряжением 500 кВ,
40 м – для ВЛ напряжением 750 кВ,
55 м – для ВЛ напряжением 1150 кВ.
51

52.

• В России с 2007 г. введена в действие
регламентация внепроизводственных
воздействий МП 50 Гц для населения по ГН
2.1.8/2.2.4.2262-07, согласно которым
временный ПДУ внутри жилых помещений
жилых (и приравненных к ним) зданий
составляет 5 мкТл (4 А/м), для нежилых
помещений тех же зданий и территории жилой
застройки предложен ПДУ 10 мкТл (8 А/м), а
для населенной местности вне зоны жилой
застройки – 20 мкТл (16 А/м), а для
ненаселенной и труднодоступной местности –
100 мкТл (80 А/м).
52

53. Опасные влияния токов и напряжений промышленной частоты на биологические объекты

• Под опасным будем понимать такое влияние, при
котором напряжения и токи, возникающие в
заземляющих устройствах электрических сетей
высокого напряжения, а также индуктированные
напряжения в цепях линий связи (ЛС), транспортных
устройствах или других элементах могут создавать
опасность для здоровья и жизни обслуживающего
персонала, населения и абонентов ЛС; вызывать
повреждения аппаратуры и приборов или
ложные срабатывания железнодорожной
сигнализации.
53

54.

• Со всем этим приходится считаться прежде всего в
наиболее неблагоприятных аварийных или
нормальных режимах работы сети высокого
напряжения При несимметричных коротких
замыканиях в сети с глухим заземлением нейтрали
возникают большие токи в земле и сильные
магнитные поля. Они могут вызвать опасные
магнитные влияния. Возникает опасная ЭДС
взаимоиндукции в находящихся вблизи воздушных и
кабельных линиях связи, в цепях железнодорожной
сигнализации и блокировки. В таких случаях
необходимо применять специальные меры для их
защиты.
54

55.

• В сети с изолированной нейтралью при замыкании на
землю одной фазы на остальных двух фазах
напряжения повышаются до линейных. Высокие
напряженности электрического поля вблизи ВЛ могут
обусловить опасные электрические влияния на
воздушные линии связи, находящиеся вблизи от ВЛ.
Под проводами линий СВН и УВН имеет место
повышенная напряженность электрического поля Е
даже в нормальном режиме работы. При Е ≥ 20 кВ/м
прикосновение человека к крупногабаритному
транспортному агрегату может оказаться опасным.
Через человека будет протекать значительная часть
емкостного тока с проводов ВЛ.
55