Меню

Помехи в сети постоянного тока

Генерация помех в цепях питания постоянного тока

Для тестирования и оценки работоспособности систем, рассчитанных на питание постоянным током, потребуется имитация помех в цепи питания. В статье обсуждаются методы создания низкочастотных помех (глитчей, провалов, скачков, всплесков), длительность которых может составлять 100 мкс и более, а диапазон частот — 10 кГц и менее.

Постоянный ток и помехи в цепях постоянного тока

Постоянный ток не всегда постоянен. При разработке систем, рассчитанных на питание постоянным током, нужно учитывать наличие шума или воздействие иных помех на цепь питания. Попробуем обсудить методы создания низкочастотных помех (глитчей, провалов, скачков, всплесков), длительность которых может составлять 100 мкс и более, а диапазон частот — 10 кГц и менее. (Нужно учитывать, что низкочастотные шумы (например, фон переменного тока 50/60 Гц), которые мы не будем рассматривать в этой статье, тоже могут создавать серьезные проблемы генерации в диапазоне от кГц до МГц или даже до ГГц).

Причины помех могут быть самыми разными. Помехи от источника могут обуславливаться событиями, вызывающими изменение его параметров, например, изменение выходной мощности источника из-за изменения внешних условий (облако закрыло солнечную панель или автомобильный генератор изменил скорость вращения). Помехи могут возникать и из-за изменения нагрузки, например, в результате подключения к сети постоянного тока нового устройства или из-за включения/выключения подсистем, которые периодически отключаются для экономии энергии.

Проектируя систему с питанием постоянным током, инженер должен учитывать влияние помех в цепи питания на общую работу системы. Конечно, обычные помехи в цепи питания постоянного тока, например, подключение нового устройства, не станут причиной полного нарушения работы схемы и не приведут к зависанию, сбросу, потере данных или отказу других устройств, подключенных к тому же источнику постоянного тока. Таким образом, тестирование систем, рассчитанных на питание постоянным током, потребует имитации помех в цепи питания для проверки работоспособности системы. Основные требования к источнику питания для генерации помех в цепи питания постоянного тока приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные требования к источнику питания для генерации помех в цепи питания постоянного тока

Характеристики
источника питания

Требования к генерации помех постоянного тока

Напряжение, ток и мощность

Достаточны ли значения напряжения, тока и мощности для номинального рабочего режима и генерации помех?

Время нарастания на выходе

Можно ли изменять выходное напряжение достаточно быстро для генерации помех?

Время спада на выходе

Имеется ли программатор снижения, который позволит быстро изменять напряжение для создания отрицательных перепадов?

Имеется ли порт аналогового программирования, который позволит создавать помехи с помощью генератора сигналов произвольной формы в качестве источника и источника питания в качестве усилителя?

Быстрое программирование выхода

Достаточно ли быстродействие источника питания, чтобы можно было передать последовательность компьютерных команд и быстро перепрограммировать/изменить его выходное напряжение для создания помех нужной формы?

Встроенный секвенсор выходного напряжения

Имеется ли в источнике питания режим программирования, который позволит загрузить сигнал помехи в источник питания и заставить его генерировать этот сигнал для создания помехи?

Примеры систем постоянного тока и возможных помех

Многие системы и устройства питаются от источников постоянного тока. Такая система будет работать нормально, если в линии питания поддерживается номинальное рабочее напряжение в пределах допустимого отклонения.

Обычно мы считаем, что бортовая сеть автомобиля представляет собой сеть постоянного тока напряжением 12 В. Однако напряжение бортовой сети автомобиля подвержено различным колебаниям и помехам. Изменение скорости двигателя может вызвать флуктуации напряжения. Изменение нагрузки, например, включение стеклоподъемника, может вызвать просадку напряжения 12 В. Сильные переходные процессы возникают в бортовой сети во время запуска двигателя. Автомобильная электроника, от блока управления двигателем до развлекательных систем и измерительных приборов, должна выдерживать эти переходные процессы — немногим понравится, если компьютер управления двигателем зависнет при нажатии на тормоз или газ.

Если светодиодные осветительные приборы работают от распределительной сети постоянного тока, помехи в системе питания могут влиять на их видимое излучение. Помехи и переходные процессы могут вызывать нежелательное и неприятное мерцание светодиодов.

Если от одного источника постоянного тока питается несколько устройств или подсистем, подключение или отключение одних устройств может порождать переходные процессы, влияющие на другие устройства. При первом подключении USB-устройства бросок тока может превышать номинальный рабочий ток и даже максимальный допустимый ток 5-В источника шины USB. Это особенно характерно для мощных устройств, таких как жесткие диски USB, которые потребляют большой пусковой ток в момент пуска двигателя. Пусковой ток просаживает напряжение 5 В шины USB, и если напряжение упадет достаточно сильно, может привести к сбросу всех других устройств на шине USB. Вполне понятно, что такое событие может привести к потере данных.

Аналогично и пусковые токи могут создавать проблемы даже в системах с фиксированной конфигурацией, в которой не происходит подключение или отключение устройств. Например, при первом включении программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) она может потреблять значительный стартовый ток. Эти броски стартового тока, превышающие ток обычного рабочего режима до 10 раз, могут легко посадить источник питания системы, вызвав мгновенное снижение напряжения, что может неблагоприятно повлиять на другие компоненты и подсистемы, работающие от этого же источника, и вызвать их сброс или отключение. И хотя влияние пускового тока можно свести к минимуму, применив более мощный источник питания, это не всегда приемлемо, поэтому многие подсистемы нужно тестировать на устойчивость к пусковым токам, вызывающим помехи в цепи питания.

Практические аспекты генерации помех в цепях постоянного тока при тестировании

Конструкция системы должна обеспечивать стойкость к определенным типам помех в цепи питания постоянного тока. Это особенно важно для систем, которые должны обеспечивать совместимость с устройствами plug-n-play. Для среднестатистического пользователя важно, чтобы он мог включить новое устройство, и оно заработало бы, не оказывая влияния на другие устройства. Единственный способ добиться этого заключается в создании стандартов или технических условий на стабильность и качество питания постоянного тока и в последующей разработке устройств в соответствии с этими стандартами. При проведении научно-исследовательских работ или для проектирования инженерам нужен источник постоянного тока с управляемыми, воспроизводимыми помехами, который позволил бы тестировать новые устройства и гарантировать их соответствие стандартам или техническим условиям.

Чтобы проверить стойкость устройства к помехам в цепи питания постоянного тока, нужен специальный тип источника питания. Этот источник должен не просто выдавать напряжение постоянного тока, но и генерировать на выходе переменную составляющую в виде изменяющегося во времени переходного процесса, который можно программировать, создавая помехи нужной формы.

Инженеры давно пытаются (более или менее успешно) создать тестовый источник питания, который имитировал бы переходные процессы в цепи постоянного тока. В некоторых конструкциях использовался генератор сигналов произвольной формы, однако такой генератор может обеспечить достаточный ток питания лишь маломощных исследуемых устройств. Некоторые инженеры пытались усовершенствовать генератор, добавляя к нему усилитель мощности. В качестве такого усилителя мог использоваться усилитель специальной конструкции или серийно выпускаемый усилитель, например, автомобильный аудиоусилитель, который обладает большой выходной мощностью и широкой полосой пропускания. Но эти «радиолюбительские» решения нельзя считать универсальными, поскольку трудно добиться стабильности характеристик таких конструкций в широком диапазоне нагрузок. В результате источник приходится настраивать индивидуально для каждой нагрузки.

Выбирая серийно выпускаемый источник питания постоянного тока, способный генерировать переходные процессы, нужно учитывать его динамические характеристики. Во-первых, мощный каскад источника питания должен иметь достаточную скорость для генерации быстрых изменений напряжения. Этот параметр часто называют временем нарастания источника питания или временем отклика на команду.

Кроме того, источник питания должен обладать возможностью программирования, чтобы можно было создавать быстрые изменения выходного напряжения. Один из методов заключается в использовании источника питания, программируемого аналоговым способом. В этом случае генератор сигналов произвольной формы создает помехи нужной формы, а выход генератора подается на вход источника питания, который выступает в роли усилителя мощности. Другой метод заключается в применении источника питания, достаточно быстрого, чтобы реагировать на последовательность отдельных компьютерных команд и в соответствии с ними изменять выходное напряжение для генерации помех нужной формы. Третий метод заключается в выборе источника питания постоянного тока, обладающего встроенной возможностью программирования, в память которого можно загружать формы сигналов переходных процессов и воспроизводить их для создания помех.

Важным фактором, который нужно учитывать, является емкость цепи питания устройства, которая создает нагрузку на источник питания. Ток, необходимый для питания устройства, описывается уравнением I = C dv/dt. В результате с ростом скорости измерения напряжения растет и потребляемый ток. И если устройство имеет большую входную емкость, то при быстром измерении напряжения на входе тестируемого устройства может возникать очень большой ток. Поэтому надо учитывать ток, протекающий во время переходного процесса, а не только постоянный ток, потребляемый в нормальном рабочем режиме, и соответствующим образом выбирать мощность источника питания.

И, наконец, последним фактором является скорость, с которой источник питания способен снижать напряжение. Эта характеристика называется временем спада. Многие имеющиеся на рынке источники питания постоянного тока не могут снижать напряжение с той же скоростью, с которой они его повышают. Другими словами, время спада значительно превышает время нарастания. В типичном случае время нарастания составляет 20 мс, а время спада — 200 мс. Если тестируемое устройство имеет большую входную емкость, то, однажды зарядившись, конденсатор сохраняет заряд и удерживает постоянное напряжение. Если вы хотите снизить напряжение на тестируемом устройстве, конденсатор следует разрядить. Некоторые источники питания оборудованы специальной цепью, называемой программатором снижения или активной нагрузкой, которая подключает небольшую электронную нагрузку для создания тока, разряжающего конденсатор. В таких источниках питания время спада соответствует или не сильно отличается от времени нарастания, позволяя создавать быстрые переходные перепады обеих полярностей.

Выбор источника питания для создания помех в цепи питания постоянного тока

Поняв все практические моменты создания помех, давайте обратимся к имеющимся на рынке источникам питания. Многие предлагаемые источники питания могут обеспечить большой ток, необходимый во время переходных процессов, но большинство из них имеют большое время нарастания/спада, что делает их непригодными для генерации помех.

Некоторые изготовители выпускают быстрые источники питания с малым временем нарастания и с программатором снижения или даже источники питания, работающие в двух квадрантах, позволяющие реализовать быстрый спад напряжения. Такие источники лучше приспособлены для генерации помех, но им все еще нужен способ программирования, достаточно быстрый для создания переходных процессов. И снова потребуется аналоговое программирование, быстрое программирование выхода с компьютера или встроенный программатор выходного напряжения.

Читайте также:  Как обустроить дом в тока бока без доната

На рисунке 1 изображен анализатор питания постоянного тока компании Agilent Technologies — Agilent N6705A, который настроен на генерацию помех в цепи постоянного тока. Встроенный источник питания может генерировать переходные процессы мощностью до 600 Вт, со временем нарастания/спада менее 1 мкс и полосой 5 кГц. Встроенный генератор сигналов произвольной формы упрощает программирование помех. Встроенные измерительные функции позволяют инженерам визуализировать переходные процессы тока и напряжения.

Источник

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ
Влияние на распространение электромагнитных помех
в сети оперативного постоянного тока

Леонид Антонов, ООО «ВЭС», г. Москва
Алексей Ворошилов, ООО «Лиотех»,
Павел Смирнов, НГТУ, г. Новосибирск

При проектировании СОПТ ПС 750 кВ «Череповецкая» были использованы устройства производства фирмы IMB (Германия). Помимо аппаратуры, в проекте был применен и ряд решений, подсказанных специалистами этой фирмы. В том числе было предложено для снижения уровня электромагнитных помех (ЭМП) на входах МП РЗА использовать шунтирующий эффект АБ, имеющей входное сопротивление в некотором диапазоне частот значительно ниже, чем суммарное сопротивление нагрузки.

В российской практике это решение было доработано с учетом разделения всех потребителей по их стойкости к ЭМП, а источников ЭМП – по вероятности их возникновения. В итоге все нагрузки были разделены на две части – так называемые «чистую» и «грязную» зоны [1], гальванически связанные между собой только в непосредственной близости от АБ. В этом случае помехи, имеющие наибольшую вероятность появления в грязной зоне, вследствие шунтирующего эффекта АБ будут иметь минимальное влияние на нагрузки чистой зоны.

На практике к чистой зоне относят блоки питания МП-защит и управления и те их дискретные входы, к которым цепи вторичной коммутации проложены в пределах релейного щита. К грязной зоне подключаются цепи электромеханических (ЭМ) защит, выходные и входные цепи терминалов РЗАиУ, к которым подключаются цепи вторичной коммутации, проложенные по территории ОРУ (цепи управления высоковольтными выключателями, цепи газовых защит и т.п.). Именно эти цепи можно считать наиболее вероятным источником помех (длина их кабелей может достигать нескольких сотен метров). Данный подход лег в основу идеологии построения СОПТ, зафиксированной в НТП ПС 35–750 кВ.

До сих пор подобные рассуждения имели лишь качественный характер, численное моделирование для подтверждения правильности выбранных решений не проводилось. В настоящей работе сделана попытка количественного анализа влияния АБ на подавление имитируемых в сети дифференциальных помех, возникающих между положительным и отрицательным полюсами СОПТ в зависимости от параметров сети и частоты помехи.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Так как не было возможности выполнить измерения на реальном объекте во всех необходимых для анализа режимах, для исследования был принят метод математического моделирования с опытной проверкой выполненных вычислений в контрольных точках режима. Схемы замещения, которыми обычно пользуются для расчета и выбора элементов СОПТ (включают в себя только параметры режима протекания постоянного тока), в этом случае уже не годились. Поэтому для выполнения этой работы потребовалось определить граничные условия, в которых необходимо было рассмотреть работу схемы и выбрать ее параметры, существенно влияющие на результаты вычислений.

Основная трудность заключалась в определении параметров эквивалентной схемы АБ и в опытной проверке этих величин. Из ГОСТ [2, 3] и технической документации, представляемой поставщиками АБ, можно получить только значения ее ЭДС и активного внутреннего сопротивления при разряде током КЗ определенной величины, которые многие специалисты ошибочно считают величинами постоянными. Такое представление подходит при использовании АБ в качестве источника питания для электромагнитных устройств и расчета токов КЗ, но не годится для анализа ее влияния на помехозащищенность цепей вторичной коммутации. Поэтому в первую очередь авторы попытались определить параметры полной схемы замещения АБ в тех граничных условиях, в которых проводилось исследование. В тех же граничных условиях выбирались параметры схемы замещения сети.

Далее исследовалось влияние АБ на прохождение помех по сети. Критерием эффективности подавления помех той или иной схемой СОПТ выступала K – передаточная функция помехи и обратная ей величина Kd – коэффициент подавления помехи. Передаточная функция определяется как отношение амплитуды напряжения на искомой нагрузке U Н к амплитуде напряжения помехи E 0, имитируемой в сети: K = | U Н | / | E 0|, коэффициент подавления – обратная величина, т.е. Kd = 1 / K .

Цель исследования – подтвердить расчетами правильность принятых проектных решений по СОПТ в части возможности и эффективности использования АБ для снижения влияния ЭМП на работу устройств РЗА. В ходе работы требовалось решить следующие задачи:

  1. Выбор и определение параметров схемы замещения СОПТ, имеющих максимальное влияние на распространение ЭМП.
  2. Практическая проверка правильности расчета выбранных параметров. Создание математической модели сети постоянного тока, определение границы ее применимости.
  3. Расчет на модели частотных зависимостей передаточной функции и коэффициента подавления дифференциальных помех в сети СОПТ, обусловленных шунтирующим эффектом АБ для ПС различных типов.
  4. Опытная проверка рассчитанных зависимостей.
  5. Оценка эффективности шунтирующего эффекта и выработка рекомендаций по его увеличению для ПС различных типов.
  6. Разработка рекомендаций по увеличению шунтирующего эффекта АБ для различных типов подстанций.

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ СЕТИ

Рассмотрим упрощенную схему СОПТ (рис. 1). АБ через кабель К1 подключается к секции ЩПТ. Через соответствующие кабели К2 и К3 к ЩПТ подключены шкафы распределения оперативного тока: ШРОТ1, нагрузка которого – терминалы РЗА (чистая зона), и ШРОТ2, нагрузка которого – цепи вторичной коммутации, выходящие за пределы здания ОПУ (грязная зона).

Рис. 1. Упрощенная схема СОПТ

Примем, что источник электромагнитной помехи располагается на конце длинного фидера, отходящего от ШРОТ2. Пренебрегая переходными сопротивлениями защитных аппаратов (их влияние в нашем случае пренебрежимо мало) и кабелем между ШРОТ2 и нагрузкой (как правило, эти шкафы располагаются рядом), можно представить упрощенную однолинейную схему СОПТ (рис. 2).

Рис. 2. Однолинейная схема СОПТ

1 – блок выносных предохранителей;
2 – сборка ЩПТ;
3 – шина шкафа РЗА;
4 – шина ШРОТ2;
5 – источник помехи;

Z1 – импеданс кабеля от АБ до ЩПТ;
Z2 – импеданс кабеля от ЩПТ до ШРОТ2;
Z3 – импеданс кабеля от ЩПТ до ШРОТ1 (шкафа РЗА);
Z4 – импеданс кабеля от источника помех до ШРОТ2;
E0 – источник электромагнитной помехи;
ZАБ – импеданс аккумуляторной батареи и её ошиновки;
RДВ – сопротивление нагрузки.

Передаточная функция помехи:

Для упрощения анализа примем отображение кабелей на схеме замещения в виде четырехполюсников с сосредоточенными параметрами (рис. 3). Как показано в [4], такое допущение возможно, если для линии выполняется соотношение:

где l K – длина кабеля; λ W – длина электромагнитной волны:

, (2)

где с – скорость распространения электромагнитной волны в вакууме; ƒ – частота электромагнитных колебаний; μ и ε – соответственно относительная магнитная и диэлектрическая проницаемость среды. Таким образом, для длины кабеля должно выполняться соотношение:

При этом схема, изображенная на рис. 2, может быть замещена схемой с сосредоточенными элементами (рис. 4).

Рис. 3. Схема замещения участка кабеля

Рис. 4. Схема замещения сети СОПТ

1 – блок выносных предохранителей;
2 – сборка ЩПТ;
3 – шина шкафа РЗА;
4 – шина ШРОТ2;
5 – источник помехи.

Для μ = 1, ε = 3,5, при l K = 200 м граничная частота корректной применимости модели f K равна 40–80 кГц, для длины кабеля l K = 40 м f K равна 200–400 кГц.

Наиболее опасны частоты 10–50 кГц, характерные для электромагнитных помех, генерируемых в сети при коммутационных перенапряжениях или грозовом разряде [5]. Так как рассчитанные значения превышают эти величины, принятую схему замещения можно считать корректной для проведения исследований.

ПАРАМЕТРЫ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

Импеданс аккумуляторной батареи

Ключевым элементом при определении параметров схемы замещения сети является АБ. В ряде работ [6–9] выполнен анализ ее различных эквивалентных схем. Для настоящего исследования выбрана схема, рассмотренная в [6] (рис. 5).

Рис. 5. Эквивалентная схема аккумуляторной батареи

C1 – емкость аккумулятора, определяемая процессами поляризации контактных слоев проводник-электролит, не зависящая от режима заряда – разряда;
RСТ – сопротивление переносу заряда батареи на границе «электрод-электролит»;
RВ – суммарное внутреннее сопротивление контактов, материала электродов, электролита;
ХLАБ – индуктивность АБ и ее ошиновки.

В этой схеме не учитывается емкость аккумулятора, определяемая преобразованием веществ в химических реакциях, так как характерные частоты таких процессов составляют величины от микрогерц до миллигерц. В нашей работе мы рассматриваем АБ, работающую в режиме поддерживающего заряда (более 95% времени батарея эксплуатируется именно в таком режиме), и нас интересуют процессы с характерными частотами от сотен герц и выше, поэтому такое рассмотрение вполне корректно.

Емкость C1 определяется процессами поляризации контактных слоев проводник–электролит и не зависит от режима заряда–разряда, так как на этих частотах уже не происходит превращение химических веществ. Как указано в [7], электрическая емкость С1 составляет примерно 15 Ф для свинцово-кислотного аккумуляторного элемента емкостью 1000 А·ч и является определяющей реактивностью на частотах до десятков герц. Суммарное сопротивление R B и R CT составляет примерно 200 мкОм для элемента емкостью 1000 А·ч, причем R B ≈ R CT . При этом внутреннее сопротивление АБ, измеренное на переменном и на постоянном токе (например, с помощью метода 17 по [9]), может существенно различаться.

Анализ данных, представленных производителями батарей, показал, что увеличение емкости АБ кратно уменьшает ее внутреннее сопротивление. Для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (СКАБ), применяющихся на ПС, характерна емкость 400–600 А·ч и напряжение подзаряда 232 В, что соответствует 104 аккумуляторным элементам, соединенным последовательно. Соответственно на переменном токе активное внутреннее сопротивление АБ равно примерно 17–26 мОм. Здесь предполагается (исходя из условия R B ≈ R CT ), что на переменном токе внутреннее сопротивление АБ будет примерно в два раза меньше, чем на постоянном. На частотах, начиная от сотен герц, сказывается индуктивный реактанс, определяемый как самой АБ, так и конфигурацией размещения ее элементов.

Поскольку авторам статьи не удалось найти данных о параметрах АБ, находящейся в режиме поддерживающего заряда, было измерено сопротивление герметизированной СКАБ 12VE115F-FR, собранной из последовательно соединенных моноблоков, находящейся в этом режиме. Фактическая емкость элемента этой АБ на момент испытания составила не более 90 А·ч. АБ была подключена к выходу тиристорного ЗПУ типа НРТ 40.220. В выходном напряжении ЗПУ присутствует пульсация частотой 300 Гц. Ей соответствует пульсация выходного тока, измеренная при помощи шунта 5А / 75 мВ, расположенного на выходе ЗПУ. На рис. 6 представлена схема эксперимента, на фото 1а – расположение аккумуляторов, на рис. 7 – полученные осциллограммы тока и напряжения.

Рис. 6. Схема измерения внутреннего сопротивления батареи на переменном токе

Рис. 7. Осциллограммы измерения пульсаций тока и напряжения на АБ

Измерения проводились для полностью заряженной АБ. Из осциллограммы на рис. 7 видно, что нагрузка имеет активный характер. Небольшой сдвиг фазы между током и напряжением показывает, что присутствует индуктивный реактанс. Полученное в результате эксперимента значение R АБ равно 146 мОм, что соответствует ранее принятым (17–26 мОм для АБ емкостью 400–600 А·ч). Опираясь на опытные данные, принимаем для численного моделирования сети на частотах выше 1 кГц для АБ емкостью 500 А·ч величину R АБ = 0,021 Ом. Как показали расчеты, в интересующем нас диапазоне частот изменение значения активного сопротивления в 2–3 раза слабо сказывается на величине передаточной функции и коэффициента затухания помехи K и Kd, которые определяются в основном индуктивным реактансом. Поэтому данное приближение можно считать достаточно точным.

Читайте также:  Переменный ток из постоянного самая простая схема

Индуктивность аккумуляторной батареи

На эквивалентной схеме (рис. 5) представлен индуктивный реактанс XL АБ . Его параметры определяются пространственным расположением элементов в АБ и расположением самих элементов АБ и подводящих кабелей. Поскольку АБ имеет значительные габариты, она располагается в отдельном помещении. При этом аккумуляторы, которые соединяются в АБ, как правило, располагаются вдоль одной из стен. Коммутационная шина входит в аккумуляторное помещение по одной стороне помещения, проходит через последовательно соединенные элементы и выходит по противоположной стороне (фото 1б).

Фото 1. Расположение батареи:
а – в батарейном шкафу, б – в отдельном помещении

а б

Для определения индуктивности, вносимой пространственным расположением АБ, рассмотрим аккумуляторное помещение размером 6000 х 6000 мм. Предположим, что АБ располагается вдоль стен. Виток, образованный положительной шиной, последовательно соединенными элементами АБ и отрицательной шиной, также имеет размер 6000 х 6000 мм. Расчет индуктивности для такого случая приведен в [10, п. 4.3]:

, (4)

где b – сторона квадратного витка; r – радиус жилы кабеля.

Для b = 6000 мм и жилы радиуса 4,7 мм (радиуса жилы сечением 70 мм 2 ) имеем L АБ = 30,6 мкГн. Реактанс на частоте 1 кГц определяется по формуле XL АБ = jω L АБ = 0,192 Ом. Для проверки вычислений было измерено значение реактанса квадратного витка такого же размера одножильного кабеля ПВЗ различного сечения. Данные измерений совпали с вычисленными значениями.

Индуктивность АБ, расположенной в шкафу (см. фото 1а), не вычислялась, поскольку ее значение зависит от трехмерного расположения аккумуляторов и посчитать ее значительно труднее. Для ее измерения использовалась та же схема (рис. 6), но в качестве генератора применялось ЗПУ транзисторного типа НРТМ 40.220 с ШИМ-преобразованием. Частота пульсаций напряжения у ЗПУ равна

55 кГц, амплитуда

0,1 В. На данной частоте входное сопротивление АБ имеет индуктивный характер. Величину индуктивности АБ можно определить, зная ее активное сопротивление. Пульсации напряжения U АБ = АБ · sin(ωt) соответствует пульсация тока I АБ = АБ · sin(ωt + Δφ):

, (5)

где – амплитудные значения тока и напряжения АБ;
Δφ – сдвиг фаз между током и напряжением;
ω L – индуктивный реактанс;
R in – активное внутреннее сопротивление АБ.

Типичная осциллограмма представлена на рис. 8. Сдвиг фазы между током и напряжением близок к 90°, что говорит об индуктивном характере импеданса АБ на этих частотах. Измеренный импеданс составил 2,89 Ом, что соответствует индуктивности 8,4 мкГн. В результате серии измерений индуктивность батарейного шкафа была определена как 8,5 мкГн +/– 10%.

Рис. 8. Осциллограмма пульсаций напряжения и тока на батарее. Использовался аттенюатор 10:1

Окончание статьи – в следующем номере журнала.

ЛИТЕРАТУРА

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Источник

Защита оборудования от импульсных перенапряжений и коммутационных помех

На написание данного текста меня сподвигло ощущение незнания многими принципов работы, использования (или даже незнание о существовании) параллельной защиты от импульсных перенапряжений в сети, в том числе и вызванных разрядами молний
Импульсные помехи в сети довольно распространены, они могут возникать во время грозы, при включении/выключении мощных нагрузок (поскольку сеть это RLC цепь, то в ней при этом возникают колебания, вызывающие выбросы напряжения) и многие другие факторы. В слаботочных, в том числе цифровых цепях, это еще более актуально, поскольку коммутационные помехи достаточно хорошо проникают через источники питания (больше всего защищенными являются Обратноходовые преобразователи — в них энергия трансформатора передается на нагрузку, когда первичная обмотка отключена от сети).
В Европе уже давно де-факто практически обязательна установка модулей защиты от импульсных перенапряжений (далее буду, для простоты, называть грозозащитой или УЗИП), хотя сети у них получше наших, а грозовых областей меньше.
Особо актуальна стало применение УЗИП последние 20 лет, когда ученые стали разрабатывать все больше вариантов полевых MOSFET транзисторов, которые очень боятся превышения обратного напряжения. А такие транзисторы используются практически во всех импульсных источниках питания до 1 кВА, в качестве ключей на первичной (сетевой) стороне.
Другой аспект применения УЗИП — обеспечение ограничения напряжения между нейтральным и земляным проводником. Перенапряжение на нейтральном проводнике в сети может возникать, например, при переключении Автомата ввода резерва с разделенной нейтралью. Во время переключения, нейтальный проводник окажется «в воздухе» и на нем может быть что угодно.

Характеристики импульсов перенапряжения

Импульсы перенапряжений в сети характеризуются формой волны и амплитудой тока. Форма импульса тока характеризуется временем его нарастания и спада — для европейских стандартов это импульсы 10/350 мкс и 8/20 мкс. В России, как это случается часто в последнее время, переняли стандарты Европы и появился ГОСТ Р 51992-2002. Числа в обозначении формы импульса означают следующее:
— первая — время (в микросекундах) нарастания импульса тока с 10% до 90% от максимального значения тока;
— вторая — время (в микросекундах) спада импульса тока до 50% от максимального значения тока;

Защитные устройства делятся на классы в зависимости от мощности импульса, который они могут рассеять:
1) Класс 0 (А) — внешняя грозозащита (в данном посте не рассматриваем);
2) Класс I (B) — защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 25 до 100 кА формой волны 10/350 мкс (защита в вводно-распределительных щитах здания);
3) Класс II ( C) — защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 10 до 40 кА формой волны 8/20 мкс (защита в этажных щитах, электрощитах помещений, вводах электропитающего оборудования);
3) Класс III (D) — защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой до 10 кА формой волны 8/20 мкс (в большинстве случаев защита встроена в оборудование — если оно изготовлено в соответствии с ГОСТ);

Приборы защиты от импульсных перенапряжений

Основными двумя приборами УЗИП являются разрядники и варисторы различной конструкции.

Разрядник

Разрядник — электрический прибор открытого (воздушного) или закрытого (наполненного инертными газами) типа, содержащий в простейшем случае два электрода. При превышении напряжения на электродах разрядника определенного значения, он «пробивается», тем самым ограничивая напряжение на электродах на определенном уровне. При пробое разрядника по нему протекает значительный ток (от сотен Ампер до десятков килоАмпер) за короткое время (до сотен микросекунд). После снятия импульса перенапряжения, если не была превышена мощность, которую способен рассеять разрядник — он переходит в исходное закрытое состояние до следующего импульса.

Основные характеристики разрядников:
1) Класс защиты (см. выше);
2) Номинальное рабочее напряжение — длительное, рекомендованное производителем рабочее напряжение разрядника;
3) Максимальное рабочее переменное напряжение — предельное длительное напряжение разрядника, при котором он гарантированно не сработает;
4) Максимальный импульсный разрядный ток (10/350) мкс — максимальное значение амплитуды тока с формой волны (10/350) мкс, при котором разрядник не выйдет из строя и обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
5) Номинальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс — номинальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором разрядник обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
6) Напряжение ограничения — максимальное напряжение на электродах разрядника при его пробое из-за возникновения импульса перенапряжения;
7) Время срабатывания — время открывания разрядника (практически для всех разрядников — менее 100 нс);
8) (редко указываемый производителями параметр) статическое напряжение пробоя разрядника — статическое напряжение (медленно изменяемое во времени), при котором произойдет открытие разрядника. Измеряется подачей постоянного напряжения. В большинстве случаев оно на 20-30% превышает максимальное рабочее переменное напряжение, приведенное к постоянному (переменное напряжение, умноженное на корень из 2) ;

Выбор разрядника достаточно творческий процесс с многочисленными «плевками в потолок» — ведь мы заранее не знаем значение тока, который возникнет в сети.
При выборе разрядника можно руководствоваться следующими правилами:
1) При установке защиты в вводных щитах от воздушной линии электропередач или в областях, где частые грозы, устанавливать разрядники с максимальным разрядным током (10/350) мкс не менее 35 кА;
2) Выбирать максимальное длительное напряжение немного больше предполагаемого максимального сетевого напряжения (в противном случае есть вероятность что при высоком сетевом напряжении, разрядник откроется и выйдет из строя от перегрева);
3) Выбирать разрядники с как можно меньшим напряжением ограничения (при этом обязательно выполнение правил 1 и 2). Обычно напряжение ограничения разрядников класса I от 2,5 до 5 кВ;
4) Между проводниками N и PE устанавливать разрядники, специально для этого предназначенные (производители указывают что они для подключения к N-PE проводникам). Кроме того, эти разрядники характеризуются более низкими рабочими напряжениями, обычно порядка 250 В переменного тока (между нейтралью и землей в нормальном режиме вообще напряжение отсутствует) и большим разрядным током — от 50 кА до 100 кА и выше.
5) Подключать разрядники к сети проводниками сечением не менее 10 мм2 (даже если сетевые проводники имеют меньшее сечение) и как можно меньшей длины. Например, при возникновении в проводнике длиной 2 мера сечением 4 мм2 тока 40 кА, на нем упадет (в идеальном случае без учена индуктивности — а она тут играет большую роль) около 350 В. Если таким проводником подключен разрядник, то в точке подключения к сети напряжение ограничения будет равным сумме напряжения ограничения разрядника и падения напряжения на проводнике при импульсном токе (наши 350 В). Таким образом, значительно ухудшаются защитные свойства.
6) По возможности устанавливать разрядники перед вводным автоматическим выключателем и обязательно перед УЗО (при этом необходимо последовательно с разрядником установить предохранитель с характеристикой gL на ток 80-125 А, для обеспечения отключения разрядника от сети при выходе его из строя). Поскольку установить УЗИП перед вводным автоматом никто не позволит — желательно чтобы автомат был на ток не менее 80А с характеристикой срабатывания D. Это снизит вероятность ложного срабатывания автомата при срабатывании разрядника. Установка УЗИП перед УЗО обусловлена низкой стойкостью УЗО к импульсным токам, кроме того, при срабатывании разрядника N-PE, УЗО будет ложно срабатывать. Также, желательно УЗИП устанавливать перед счетчиками электроэнергии (что опять же, энергетики не позволят сделать)

Читайте также:  Каким током варит сварочный инвертор постоянным или переменным
Варистор

Варистор — полупроводниковый прибор с «крутой» симметричной вольт-амперной характеристикой.


В исходном состоянии варистор имеет высокое внутреннее сопротивление (от сотен кОм до десятков и сотен МОм). При достижении напряжения на контактах варистора определенного уровня, он резко снижает свое сопротивление и начинает проводить значительный ток, при этом напряжение на контактах варистора изменяется незначительно. Как и разрядник, варистор способен поглотить энергию импульса перенапряжения длительностью до сотен микросекунд. Но при длительном повышенном напряжении, варистор выходит из строя с выделением большого количества тепла (взрывается).
Все варисторы в исполнении на DIN-рейку оснащены тепловой защитой, предназначенной для отключения варистора от сети при его недопустимом перегреве (при этом по локальной механической индикации можно определить, что варистор вышел из строя).
На фото варисторы с встроенным тепловым реле после превышения рабочего напряжения разных значений. При значительном перенапряжении такая встроенная тепловая защита практически не эффективна — варисторы взрываются так, что уши закладывает. Однако, встроенная тепловая защита в варисторных модулях на DIN-рейку достаточно эффективна при любых длительных перенапряжениях, и успевает отключить варистор от сети

Небольшое видео натуралистических испытаний 🙂 (подача на варистор диаметром 20 мм повышенного напряжения — превышение на 50 В)

Основные характеристики варисторов:
1) Класс защиты (см. выше). Обычно варисторы имеют класс защиты II ( C), III (D);
2) Номинальное рабочее напряжение — длительное, рекомендованное производителем рабочее напряжение варистора;
3) Максимальное рабочее переменное напряжение — предельное длительное напряжение варистора, при котором он гарантированно не откроется;
4) Максимальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс — максимальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором варистор не выйдет из строя и обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
5) Номинальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс — номинальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором варистор обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
6) Напряжение ограничения — максимальное напряжение на варисторе при его открытии из-за возникновения импульса перенапряжения;
7) Время срабатывания — время открывания варистора (практически для всех варисторов — менее 25 нс);
8) (редко указываемый производителями параметр) классификационное напряжение варистора — статическое напряжение (медленно изменяемое во времени), при котором ток утечки варистора достигает значения 1 мА. Измеряется подачей постоянного напряжения. В большинстве случаев оно на 15-20% превышает максимальное рабочее переменное напряжение, приведенное к постоянному (переменное напряжение, умноженное на корень из 2) ;
9) (очень редко указываемый производителями параметр) допустимая погрешность параметров варистора — практически для всех варисторов ±10%. Эту погрешность следует учитывать при выборе максимального рабочего напряжения варистора.

Выбор варисторов также как и разрядников сопряжен с трудностями, связанными с неизвестностью условий их работы.
При выборе варисторной защиты можно руководствоваться следующими правилами:
1) Варисторы устанавливаются как вторая-третья ступень защиты от импульсных перенапряжений;
2) При использовании варисторной защиты II класса совместно с защитой I класса, необходимо учитывать разную скорость срабатывания варисторов и разрядников. Поскольку разрядники медленнее варисторов, если УЗИП не согласовать, варисторы будут принимать на себя бОльшую часть импульса перенапряжения и быстро выйдут из строя. Для согласования I и II классов грозозащиты применяются специальные согласующие дроссели (производители УЗИ имеют их ассортимент для таких случаев), либо длина кабеля между УЗИП I и II классов должна быть не менее 10 метров. Недостатком такого решение является необходимость вреза дросселей в сеть или ее удлинение, что увеличивает ее индуктивную составляющую. Единственным исключением является немецкий производитель PhoenixContact, который разработал специальные разрядники I класса с так называемым «электронным поджигом», которые «согласованы» с варисторными модулями этого же производителя. Эти комбинации УЗИП можно устанавливать без дополнительного согласования;
3) Выбирать максимальное длительное напряжение немного больше предполагаемого максимального сетевого напряжения (в противном случае есть вероятность что при высоком сетевом напряжении, варистор откроется и выйдет из строя от перегрева). Но тут нельзя перебарщивать, поскольку напряжение ограничения варистора напрямую зависит от классификационного (а следовательно, от максимального рабочего напряжения). Примером неудачного выбора максимального рабочего напряжения являются варисторные модули ИЭК с максимальным длительным напряжением 440 В. Если их устанавливать в сеть с номинальным напряжением 220 В, то работа его будет крайне неэффективна. Кроме того, следует учитывать, что варисторы имеют тенденцию к «старению» (т.е. со временем, при многих срабатываниях варистора, его классификационное напряжение начинает снижаться). Оптимальным для России будет применение варисторов длительным рабочим напряжением от 320 до 350 В;
4) Выбирать нужно с как можно меньшим напряжением ограничения (при этом обязательно выполнение правил 1 — 3). Обычно напряжение ограничения варисторов класса II для сетевого напряжения от 900 В до 2,5 кВ;
5) Не соединять параллельно варисторы для увеличения суммарной рассеиваемой мощности. Многие производители защит УЗИП (особенно класса III (D)) грешат параллельным соединением варисторов. Но, поскольку 100% одинаковых варисторов не существует (даже из одной партии они разные), всегда один из варисторов окажется самым слабым звеном и выйдет из строя при импульсе перенапряжения. При последующих же импульсах выйдут из строя цепочной остальные варисторы, поскольку они уже не будет обеспечивать требуемую мощность рассеяния (это тоже самое что соединять параллельно диоды для увеличения общего тока — так делать нельзя)
6) Подключать варисторы к сети проводниками сечением не менее 10 мм2 (даже если сетевые проводники имеют меньшее сечение) и как можно меньшей длины (рассуждения те же, что и для разрядников).
7) По возможности устанавливать варисторы перед вводным автоматическим выключателем и обязательно перед УЗО. Поскольку установить УЗИП перед вводным автоматом никто не позволит — желательно чтобы автомат был на ток не менее 50А с характеристикой срабатывания D (для варисторов II класса). Это снизит вероятность ложного срабатывания автомата при срабатывании варистора.

Краткий обзор производителей УЗИП

Ведущими производителями, специализирующимися на УЗИП низковольтных сетей являются: Phoenix Contact; Dehn; OBO Bettermann; CITEL; Hakel. Также у многих производителей низковольтной аппаратуры, в продукции имеются модули УЗИП (ABB, Schneider Electric и др.). Кроме того, китай успешно копирует УЗИП мировых производителей (поскольку Варистор достаточно простой прибор, китайские производители изготавливают довольно качественную продукцию — например модули TYCOTIU).
Кроме того, на рынке довольно много готовых щитков защиты от импульсных перенапряжения, включающих в себя модули одного или двух классов защиты, а также предохранители для обеспечения безопасности, в случае выхода из строя защитных элементов. В этом случае, щиток закрепляется на стене и подключается к имеющейся электропроводке в соответствии с рекомендациями производителя.
Стоимость УЗИП разнится в зависимости от производителя в разы. В свое время (несколько лет назад), мною был проведен анализ рынка и выбран ряд производителей II класса защиты (некоторые в список не попали, в связи с отсутствием исполнений модулей на требуемое длительное рабочее напряжения 320 В или 350 В).
Как замечание по качеству, могу выделить только модули HAKEL (например PIIIMT 280 DS) — они имеют слабые контактные соединения вставок и изготовлены из горючего пластика, что запрещено ГОСТ Р 51992-2002. На данный момент HAKEL обновили ряд продукции — о ней ничего сказать не могу, т.к. не буду использовать HAKEL больше никогда

Применение УЗИП класса III (D) и защиту цифровых цепей устройств оставим на потом.
В заключение могу сказать, если после прочтения всего у вас появилось больше вопросов, чем после прочтения заголовка — это хорошо, поскольку тема заинтересовала, а она настолько необъятная, что можно не одну книгу написать.

Источник



Какие бывают помехи в электросети и как от них защититься

Классификация помех

Существует два наиболее распространенных вида помех в электросетях: импульсные и высокочастотные. Импульсные помехи бывают техногенного и природного характера. Возникновение импульсных помех происходит из-за воздействия явлений природного характера, например при молниевом разряде вблизи электропроводки.

Техногенные помехи возникают, например, при одновременном включении в сеть большого числа потребителей. Причиной техногенных помех могут быть также аварии на подстанции.

Высокочастотные помехи как правило, возникают по тем же причинам, что и импульсные. Устранить их невозможно, так как их появление в сети обусловлено включением в электросеть большого количества бытовых электроприборов.

Разница между импульсными и высокочастотными помехами заключается в частоте и времени воздействия. К импульсным помехам относят кратковременное повышение амплитуды напряжения до величины в 4000-6000 Вольт. Время воздействия составляет до 1 микросекунд. Электронные устройства не рассчитаны на воздействие напряжения такой величины и не могут обеспечить нужную защиту для оборудования. Для стандартизации этого явления Международной электротехнической комиссией введен специальный норматив для имитации импульсных помех.

Высокочастотные помехи не определяются по времени и амплитуде. Диапазон частот от 100 Гц до 30 МГц. Импульсный сигнал искажает входное напряжение 220В и частотой 50 Гц и это влияет на работу телевидения, мониторов, аудиоаппаратуры, других электрических приборов.

Способы защиты

Возникновение помех в электрической сети может произойти в любой момент, что приведет за собой неприятные моменты и потери. Например, если работаешь за компьютером, то важные текстовые данные могут исчезнуть. Чтобы этого избежать, необходима защита от подобных явлений.

Защитная аппаратура

Отличным решением в этом случае будет защита с помощью источника бесперебойного питания (ИБП). После того как электросеть отключилась, батарея остается работоспособной не менее десяти минут. Этого будет вполне достаточно, чтобы сохранить все важные документы и программы. Также такой источник питания служит защитой от перепадов напряжения.

Защита от помех в сети может осуществляться и более дешевым способом: применение сетевых фильтров. Такое устройство сможет спасти приборы, которые подключены в электросеть, от отключений питания и помех. Защита такими способами позволит уберечь приборы и помеха в сети им будет неопасна.

Методы измерения

Измерение шумов в сети осуществляется специальными приборами. Но если таких приборов нет, то следует применять дополнительные конкретные меры.

Как правило, прибор, которым необходимо измерить помехи в электросети, будет питаться от того же источника, измерение которого необходимо произвести. Если неправильно подключить провода, то возникнут погрешности при снятии показаний. На рисунке ниже изображена схема подключения прибора, с помощью которого будет осуществляться измерение:

Схема измерения шумов

Чтобы измерить помехи используют и осциллограф. При наличии запоминающей трубки, прибор способен будет сделать измерение. О том, как пользоваться осциллографом мы рассказывали в отдельной публикации.

Теперь вы знаете, из-за чего возникают помехи в электросети и как защититься от них. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!

Источник