Ограничение и фильтрация помех. Мероприятия по снижению помех

1.

Ограничение
и фильтрация помех

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
9

10.

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
10

11.

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
11

12.

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
12

13. 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
13

14. Принцип работы синфазного дросселя

Противофазный сигнал –
индуктивность мала
компенсация магнитного
потока, создаваемого
рабочим током
Синфазный сигнал –
индуктивность максимальна
14

15. Сетевые помехоподавляющие фильтры

15

16. Монтаж помехозащитных устройств

правильно
неправильно
16

17. Паразитные характеристики элементов

Ср – паразитная емкость катушки (межвитковая, конструктивная и т.п.)
Lр – паразитная индуктивность конденсатора (индуктивность обкладок,
выводов конденсатора и т.п.)
17

18.

Ограничители перенапряжений
18

19. Основные типы разрядников

• с неподвижной дугой сопровождающего тока
(разрядники серии РВС);
• с дугой, вращающейся в кольцевом зазоре
между электродами под действием
магнитного поля (разрядники серий РВМГ и
РВМК);
• с растягивающейся дугой, которая,
передвигаясь между электродами под
действием магнитного поля, значительно
увеличивает свою длину
(разрядники серий РВТ и РВРД).
19

20. Принципиальные схемы вентильных разрядников

Вентильный разрядник
Комбинированный вентильный разрядник
20

21. Основные требования к искровым промежуткам вентильных разрядников

• -иметь, по возможности, горизонтальную
вольт-секундную характеристику
• - обладать минимальным разбросом
пробивного напряжения
• - гасить дугу сопровождающего тока при
первом переходе его через нулевое значение;
• - не изменять свои пробивные напряжения
после многократного пропускания
нормированных импульсных и
сопровождающих токов
21

22. Вольтамперные характеристики защитных аппаратов

U = СI .
• =0,1-0,2 –вилитовые резисторы,
• =0,15-0,25 –тервитовые резисторы,
• =0,015-0,04 –оксидно-цинковые варисторы
22

23.

Наименование параметра
Норма для исполнения
1. Класс напряжения сети, кВ
110
2. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ограничителя, кВ (действ.)
73
77
88
100
3.Номинальное напряжение ограничителя, кВ
91,3
96,3
110
125
4. Номинальный разрядный ток, А
5. Остающееся напряжение (кВ. не более) при грозовых импульсах тока 8/20 мкс с амплитудой:
10000
5000 А
197
208
238
270
10000 А
212
224
256
291
20000 А
233
246
281
319
амплитудой: 250 А
167
176
201
228
500 А
175
184
211
239
1000 А
186
196
224
254
236
249
285
323
105
119
450
450
6. Остающееся напряжение (кВ. не более) при коммутационных импульсах тока 30/60 мкс с
7. Остающееся напряжение при крутом импульсе тока 1/10 мкс с максимальным значением 10000 А, кВ
не более
8. Амплитуда испытательного прямоугольного импульса тока длительностью 2000 мкс, А
800
9. Количество воздействий импульсов тока:
а) длительностью 2000 мкс с максимальным значением 800 А, не менее
б) при грозовых импульсах тока 8/20 мкс с максимальным значением 10000 А, не менее
в) при импульсах большого тока 4/10 мкс с максимальным значением 100 кА, не менее
10. Классификационное напряжение (при классификационном токе Iкл=3 мА), кВ не менее
20
20
2
87
92
11. Удельная рассеиваемая энергия, кДж/кВ Uндр, не менее
12. Испытательные напряжения внешней изоляции:
12.1. Амплитуда полного грозового импульса, кВ, не менее
12.2. Амплитуда одноминутного испытательного напряжения в сухом состоянии и под дождем, кВ, не
менее
4,21
400
400
23
211
211
298
298

24.

Замена вентильных разрядников на
ограничители перенапряжений
ОПН-500 кВ
РВМГ-500 кВ
24

25. Конструкции ограничителей перенапряжений

25

26. ОПН в фарфоровом корпусе

26

27.

Многоколонковый
ОПН в
фарфоровом
корпусе
(конструкция
“беличье колесо”)
27

28. Грозозащита ВЛ с помощью ограничителей перенапряжений

28

29. Ограничители «Полимер-Аппарат» на ВЛ нового поколения «Шепси - Туапсе тяг.»

29

30. Линейные разрядники

30

31.

Устройства защиты ВЛ 6-10 кВ нелинейные, типа УЗПН
Устройства предназначены для снижения числа грозовых отключений
воздушных линий и предотвращения пережога изолированных проводов
31
ВЛЗ дугой сопровождающего тока промышленной частоты.

32.

Грозозащита высоковольтных распределительных
воздушных линий с помощью устройств защиты ВЛ 6-10
кВ от перенапряжений типа УЗПН
32

33. Установка ОПН 6-10 кВ с «отделителем»

33

34.

Грозозащита изоляции распределительных сетей 0,4 кВ с
помощью устройств защиты от перенапряжений типа
УЗПН 0,4 кВ
34

35.

ОПН-750 кВ на Запорожской АЭС
35

36. Методика выбора ограничителей перенапряжений

• Основной задачей является выбор основных
параметров ограничителей перенапряжений, к
которым относятся:
• наибольшее длительно допустимое рабочее
напряжение ОПН (UНР),
• номинальный разрядный ток (IН),
• уровни остающегося напряжения при
коммутационном и грозовом импульсе тока,
• энергоемкость,
• величина тока срабатывания противовзрывного
устройства,
• длина пути утечки внешней изоляции,
• материал изоляционной покрышки
36

37. 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;
37

38. Методика выбора ОПН 3-35 кВ

Выбор наибольшего длительно допустимого рабочего
напряжения
Uнр
≥
Uнрс
Характеристика "Напряжение - время", определяющая
допустимую кратность и длительность воздействия
квазистационарных перенапряжений
1
1,50
2
где к нв - коэффициент,
определяемый из
характеристики
«напряжение-время»
1,40
Кнв = U/Uнр
Uнр = Uнрс /к нв
1,30
1,20
fd
1,10
1,00
1
10
100
1000
10000
t, c
без предварительной нагрузки
с нагружением нормируемым импульсом энергии
38

39.

Классы пропускной способности ОПН
Класс пропускной способности
Пропускная способность, А
Удельная энергия,
не менее, кДж/кВдейств.
1
250 400
2,0
2
3
4
5
401 - 751 –
1101 – 1601 –
750
1100
1600
2100
3,0
4,2
6,5
9
Наибольшее рабочее напряжение
электрооборудования
Класс напряжения
электрооборудования, кВ
6
10
15
20
35
Наибольшее рабочее напряжение
электрооборудования, кВ
7,2
12,0
17,5
24
40,5
39

40.

амплитуда импульса
длительность импульса
40

41. 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
41

42. 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.
42

43. 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.
43

44. Ограничение перенапряжений при помощи нелинейного сопротивления

44

45.

Основные характеристики ограничителей напряжения
Диапазон значений для различных ограничителей
Характеристики
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
Межэлектродные
емкости, пФ
2 … 30
200 … 20000
10 … 10000
45

46. 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
46

47. 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
47

48. 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
48

49. 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.
49

50. 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
50

51. Зонная концепция защиты приемников электроэнергии от перенапряжений

Эта концепция предусматривает
одноступенчатую защиту вне помещений и
трехступенчатую схему включения защитных
устройств внутри помещения.
51

52.

52

53.

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.
53

54.

54

55.

55

56.

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.
56

57. 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.
57

58.

Спасибо за внимание !
58