Электромагнитная совместимость и качество электроэнергии

ВВЕДЕНИЕ

Одним из показателей современного общества является насыщенность электрическим, электронным и радиоэлектронным оборудованием. Многочисленные электротехнические и электронные приборы (микроволновые печи, холодильники, устройства для обогрева, пылесосы и так далее) стали принадлежностью повседневного быта. Без этого оборудования практически невозможно представить жизнь современного человека. Для комфортного существования ему просто необходимы радиоприемник, телевизор, телефон и другие средства общения. Радиоэлектронные технологии вошли в структуры управления, навигацию, аэрокосмический комплекс. Мы не можем отказаться от радиосвязи, навигации, систем наведения самолетов, охранных систем и т.д. Однако, с одной стороны, работа технических средств создает в большей или меньшей степени различные электромагнитные помехи. Происходит загрязнение окружающей среды этими помехами. С другой стороны, само радиоэлектронное оборудование чувствительно к различного рода электромагнитным воздействиям. В результате действия таких помех возникают различные нарушения в работе оборудования, приводящие к выходу его из строя, авариям и сбоям. Последствия их могут быть катастрофическими для населения и окружающей среды. Это и породило такую проблему, как электромагнитная совместимость (ЭМС).

1 ПРИЧИНЫ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И НОРМЫ В СООТВЕТСТВИИ С ДЕЙСТВУЮЩИМ СТАНДАРТОМ

Несоответствие параметров электрической сети требуемым параметрам качества электроэнергии, установленных ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», негативно влияет на работу электрооборудования. В быту чаще всего это отражается на сроке службы лампочек (быстрее перегорают), а также работе бытовой техники, в частности, холодильников, телевизоров, микроволновых печей. В этой статье мы рассмотрим допустимое и предельное отклонение напряжения в сети по ГОСТ, а также причины возникновения такой проблемы.
1.1 Нормы в соответствии с ГОСТомРуководствуясь ГОСТ 32144-2013, согласно которому предельное отклонение (как положительное, так и отрицательное) в России не должно превышать отметку в 10% от номинального. Итого получаем такие значения:
для сети 230в – от 207 до 253 Вольта;
для сети 400в – от 360 до 440 Вольт.

Рисунок 1 – Диаграмма синусоидного напряжения сети
Что касается допустимого отклонения напряжения у потребителей, в ГОСТе указано, что данную величину в точках общего подключения устанавливает непосредственно сетевая организация, которая в свою очередь должна удовлетворять нормы, указанные в настоящих стандартах.
Помимо этого, хотелось бы отметить, что при нормальном режиме работы сети допустимое отклонение напряжения на зажимах электрических двигателей находится в диапазоне от -5 до +10%, а других аппаратов не больше, чем 5%. В то же время после возникновения аварийного режима допускается понизить нагрузку не больше, чем на 5%.
Хотелось бы дополнительно отметить, что на источнике питания в электросетях 0,4 кВ согласно нормам, отклонение не должно превышать отметку в 5%, собственно, как и у самих потребителей. Итого, 5% на источнике + 5% у потребителей, имеем 10% предельно допустимого.
Немаловажно знать о причинах возникновения отклонения напряжений. Так вот основной причиной считается сезонное или суточное изменение электрической нагрузки самих потребителей. К примеру, в зимнее время все резко включают обогреватели, в результате чего параметры электросети заметно падают.
1.2 Негативное влияние отклонения параметровКогда значение понижается ниже нормы, значительно снижается срок службы используемого электрооборудования и в то же время повышается вероятность возникновения аварии. Помимо этого, в технологических установках увеличивается длительность самого производственного процесса, что влечет за собой увеличение показателей себестоимости продукции.
В бытовой сети, как мы уже говорили, отклонения напряжения сокращает срок службы лампочек. При повышении напряжения на 10% срок эксплуатации обычных лампочек сокращается в 4 раза. В свою очередь энергосберегающие лампы при снижении напряжения на 10% начинают мерцать, что также негативно влияет на продолжительность их работы. Об остальных причинах мерцания люминесцентных ламп вы можете узнать из нашей статьи.
Что касается электрических приводов, то из-за снижения напряжения увеличивается потребляемый двигателем тока. В свою очередь это уменьшает срок службы двигателя. Если же напряжение будет даже на незначительных, казалось бы, 1% выше нормы, реактивная мощность, которую потребляет электродвигатель, может увеличиться до 7%.
Подводя итог, хотелось бы отметить, что существует несколько современных способов решения проблемы: снижение потерь напряжения в электрической сети, о чем мы писали в соответствующей статье, а также регулирование нагрузки на отходящих линиях и шинах подстанций.

2 ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКЕ

2.1 Основные понятия электромагнитной совместимости (ЭМС)ЭМС – это способность приборов, устройств технических систем, биологических объектов нормально функционировать в условиях воздействия на них электромагнитных полей, существующих в окружающей обстановке, и не создавать недопустимые помехи другим объектам.
Немецкий стандарт VDE 0870 определяет ЭМС, как «способность электротехнического устройства удовлетворительно функционировать в его электромагнитном окружении, к которому принадлежат так же и другие устройства, не влияя на это окружение недопустимым образом».
Для нарушения работы электромеханического реле требуется электромагнитная энергия порядка 1 мДж, а для нарушения работы интегральной микросхемы требуется электромагнитная энергия порядка 10-4 мДж. Это свидетельствует о том, что электронные средства релейной защиты могут быть на 4 порядка чувствительнее к помехам, чем электромеханические. Этим обусловлен рост актуальности проблемы электромагнитной совместимости на объектах электроэнергетики.
Электрическое устройство считается совместимым, если оно в качестве передатчика является источником помех не выше допустимых, а в качестве приёмника обладает допустимой чувствительностью к посторонним влияниям, т. е. достаточной помехоустойчивостью.
Проблема ЭМС возникает, прежде всего, у приёмников, если нарушается безупречный приём полезного сигнала, при воздействии помехи. Например, случайно поступившей электромагнитной энергией нарушено, или сделано совсем невозможным нормальное функционирование системы автоматизации. В этих случаях говорят о наличии электромагнитных влияний.
Стандарт VDE 0870 определяет электромагнитное влияние как «воздействие электромагнитных величин на электрические цепи, приборы, системы, живые существа».
Электромагнитные влияния могут проявляться в виде обратимых или необратимых нарушений.
Обратимые нарушения: шум при телефонных переговорах, треск при различных коммутациях в электрической сети.
Необратимые нарушения: разрушения электронных компонентов на платах разрядами статического электричества, пробой изоляции при грозовых перенапряжениях, возникновение аварийных ситуаций из-за неправильно сформированных управляющих воздействий в системах автоматики.
На практике обратимые влияния различают по их силе на влияния, вызывающие допустимые нарушения функций, и влияния, которые ведут к недопустимым побочным воздействиям, либо к чрезмерной перегрузке.
С точки зрения ЭМС все технические устройства подразделяют на источники помех (передатчики) и чувствительные элементы (приёмники). Между ними существует некоторый механизм связи, иначе – путь или канал передачи помех.

Существуют межсистемные и внутрисистемные влияния.
Межсистемные – это когда источник помех и приёмник помех принадлежат разным техническим системам.
Внутрисистемные – это когда источник помех и приёмник помех принадлежат одной технической системе.
Передатчики считаются совместимыми, если они работают только на отведённой для них частоте, т. е. не создают высших гармоник, и если излучаемые ими электромагнитные поля на значительном удалении затухают настолько, что находящийся там и работающий на той же частоте передатчик может быть воспринят без помех.
Передатчики, которые передают паразитную электромагнитную энергию в окружающую среду, считаются совместимыми, если значения напряжённости производимого им поля на определённом расстоянии не превосходят установленных предельных значений, т. е. если возможно безупречное функционирование находящегося на этом расстоянии приёмника в соответствии с паспортными данными.
Приёмники считаются совместимыми, если они в состоянии принимать при электромагнитном загрязнении свой полезный сигнал с удовлетворительным уровнем помех, а сами не излучают недопустимых помех.
Мероприятия по обеспечению высокой совместимости передатчиков называют первичными мероприятиями (экранирование, ограничение спектра передаваемых сигналов, применение антенн с узкой диаграммой направленности). Уменьшение или ограничение уровня помех со стороны передатчика называется помехоподавлением.
Мероприятия по обеспечению высокой совместимости приёмников называют вторичными мероприятиями (экранирование, фильтрация, схемотехнические методы). Уменьшение или ограничение уровня помех со стороны приёмника называется помехозащитной.
2.1 Понятие об электромагнитной обстановке на объектах электроэнергетикиЭлектромагнитные помехи – случайные электромагнитные воздействия отдельных элементов друг на друга или сторонней системы на рассматриваемую через паразитные или функциональные связи.
Электромагнитная обстановка – совокупность электромагнитных явлений, существующих в рассматриваемом пространстве.
Она описывается характеристиками источников помех и параметрами их воздействия, особенностями установленного оборудования, реализованными и нереализованными мероприятиями по повышению ЭМС, а также неэлектрическими характеристиками окружающей среды (например, влажность, температура, наличие поблизости материалов с трибоэлектрическими свойствами и т.д.).
Источник помех – причина появления помехи (т.е. прибор или физический процесс), количественно характеризующаяся величиной ЭДС помехи, либо потоком, либо зарядом помехи, либо другой физической величиной.
Помеха – электромагнитная величина, способная вызвать в электрическом устройстве нежелательный эффект (например: разрушение, старение и т.д.).
Она определяется разностью: xS(t) = x(t) – xN(t), где x(t) – сигнал, поступающий на вход устройства; xN(t) – полезный сигнал, содержащийся в величине x(t).
Помеха xS(t), которая во времени суммируется с полезным сигналом, поступающим на вход устройства, называется аддитивной.
Существуют мультипликативные помехи, которые умножаются на сигнал.
Испытательная помеха – электромагнитная величина, имитирующая реальную помеху и служащая для испытания устройств на помехоустойчивость.
Механизм связи – физический механизм воздействия источника помехи на чувствительный элемент, или механизм передачи энергии электромагнитных процессов от источника к чувствительному элементу.
Чувствительный к помехам элемент – это устройство (элемент, прибор, часть устройства), функционирование которого может быть нарушено воздействием помехи.
Помехоустойчивость – свойство чувствительного элемента нормально работать при воздействии помехи.
Она количественно задаётся допустимым значением амплитуды импульса (напряжение, напряжённость поля, энергия, мощность и др.).
3 ВЛИЯНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С ЕМКОСТНЫМ ФИЛЬТРОМ НА ПИТАЮЩУЮ СЕТЬ

Выпрямители потребляют из сети токи, форма которых отличается от синусоиды. Порядок номера гармоник, попадающих в питающую сеть, определяется выражением
n=k∙m±1где m – число пульсаций выходного напряжения выпрямителя на периоде входного напряжения преобразователя; k = 1,2,3,...Однофазный выпрямитель, выполненный по схеме с нулевым отводом от трансформатора или по мостовой схеме, имеет две пульсации на периоде выходного напряжения. Он потребляет из сети ток, который содержит, кроме 1-й гармоники, все нечетные гармоники.
Если для сглаживания пульсаций выходного напряжения применяется емкостной фильтр, то уровень высших гармоник в кривой сетевого тока, по сравнению с индуктивным, увеличивается.
Влияние трехфазного мостового выпрямителя (эмиссия высших гармоник) с индуктивным и емкостным фильтром на питающую сеть
Для трехфазного мостового выпрямителя число пульсаций m= 6, в результате чего в сети появляются высшие гармоники с номерами n = 5,7,11,13 и т.д.
Коэффициент мощности электроприемников при несинусоидальной форме токов и напряжений. Уменьшение искажающего влияния выпрямителей на питающую сеть за счет включения сетевых дросселей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электромагнитная совместимость (ЭМС) является современным понятием, объединяющим электромагнитные явления, такие как радиопомехи, влияния на сеть, перенапряжения, колебания напряжения сети, паразитные связи, фон промышленной частоты и т. п. В последнее время вопросы ЭМС благодаря применению микроэлектроники в системах автоматизации, а также из-за повсеместного увеличивающегося электромагнитного загрязнения окружающей среды приобрели особое значение.
Для нормального функционирования современных электронных устройств необходимо обеспечивать их электромагнитную совместимость (ЭМС) с электромагнитной обстановкой (ЭМО) на объекте. ЭМП могут создаваться естественными (например, молния) и искусственными (например, коммутации в системе электроснабжения) источниками. Возможно также генерирование ЭМП намеренно в результате чьих–либо враждебных действий (военных, террористических, криминальных). Далее ограничимся рассмотрением ЭМП, генерирование которых не является следствием чьего-то злого умысла. Кроме того, не будем рассматривать вопросы, связанные с генерированием высокочастотных помех самой электронной аппаратурой. Напомним, что ЭМО является индивидуальной характеристикой каждого объекта.
Отклонение напряжения – разность между номинальным и фактическим (для данной сети) значениями напряжения, возникающая при сравнительно медленном изменении режима работы, когда скорость изменения напряжения менее 1% в сек. Колебания напряжения – разность между наибольшим и наименьшим действующими значениями напряжения в сети, возникающая при достаточно быстром изменении режима работы, когда скорость изменения не менее 1% в сек. Несинусоидальность формы кривой напряжения (несоответствие форме кривой гармонического колебания, длительно допускается на зажимах электроприёмника при условии, что действующее значение всех высших гармоник не превышает 5% действующего значения напряжения основной частоты. Качество электроэнергии может меняться в зависимости от времени суток, погодных и климатических условий, изменения нагрузки энергосистемы, возникновения аварийных режимов в сети и т.д. Снижение его может привести к заметным изменениям режимов работы электроприёмников и в результате – к уменьшению производительности рабочих механизмов, ухудшению качества продукции, сокращению срока службы электрооборудования, повышению вероятности аварий и т.д.
В реальных условиях поддержание показателей качества в заданных пределах наиболее эффективно обеспечивается автоматическим регулированием напряжения и автоматическим регулированием частоты.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Электротехнический справочник, 4 изд., т. 2, кн. 1, М., 1972.
2. Качество электрической энергии. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2000. - 80 с.
3. Колпачков В.И., Ящура А.И. «Производственная эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт энергетического оборудования». Справочник. (М. 1999 г. 433 стр.).
4. http://www.fondsmena.ru/media/publicationfiles/Kachestvo_EE_2012.pdf
5. http://lib.rosenergoservis.ru/sovremennaya-elektroenergetika?start=115
6. http://electricalschool.info/main/elsnabg/851-vlijanie-kachestva-jelektrojenergii-na.html