// Журнал «Промышленная Энергетика», 2012 - № 05, стр. 27-31

 

К вопросу о влиянии кондуктивных помех на электроприемники,

элементы систем электроснабжения, управления и защиты

Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., доктора техн. наук, Севостьянов А. А., канд. техн. наук, Юртаев С. Н., инж.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева

 

     Выполнен анализ кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП), в том числе интергармоник, влияющих на электроприемники и технические системы. Даны рекомендации по выбору точек подключения электроприемников, создающих ЭМП, с учетом электромагнитной обстановки (ЭМО) и электромагнитной совместимости (ЭМС).

       Ключевые слова: кондуктивные электромагнитные помехи, электромагнитная совместимость, электромагнитная обстановка, помехоустойчивость электроприемников.

 

         В соответствии с [1 - 3] к кондуктивным относятся ЭМП, которые распространяются по проводам, кабелям, оболочкам кабелей, шинопроводам, проводящим конструкциям, системам заземления и т. д. Основные причины этих помех: высшие гармоники, интергармоники, отклонения, колебания и провалы напряжения, кратковременные перерывы питания, несимметрия напряжения, сигналы, передаваемые по силовым линиям, изменение частоты питающего напряжения.

         Следует заметить, что в ряде публикаций по ЭМС и качеству электрической энергии приводятся весьма искаженные сведения о влиянии кондуктивных ЭМП на функционирование электроприемников, их систем управления и защиты (например, в [4] утверждается, что при их наличии в электрических сетях с нелинейными нагрузками срок службы трансформаторов снижается с 40 лет до 40 дней). Наряду с этим в международных [5] и российских [6] стандартах указываются разные пределы допустимых уровней ЭМП для одних и тех же электроприемников и их систем управления. Однако в связи с вступлением России во Всемирную торговую организацию это недопустимо.

         В настоящей статье авторы на основе анализа отечественных и зарубежных публикаций, а также собственных исследований предлагают ряд практических советов по выбору точек подключения электроприемников, создающих помехи, с учетом ЭМО и ЭМС.

         В |7] приведены сведения о причинах сильных кондуктивных помех в сетях 100 опрошенных потребителей: провалы напряжения и кратковременные перерывы питания - 32 %, длительные перерывы питания - 24 %, отклонения напряжения - 21 %, искажения формы кривой напряжения - 20 %, колебания напряжения - 5 %, несимметрия напряжения - 1 %. Анализ экономических характеристик электроприемников и узлов нагрузки [7-12] также показывает, что наибольшие ущербы наблюдаются при первых четырех причинах помех. Поэтому при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения им следует уделять большое внимание.

         Исследования [3, 7 - 14] на промышленных предприятиях свидетельствуют о том, что имеющиеся электроприемники и системы управления по-разному реагируют на ЭМП, т.е. они имеют различную помехоустойчивость. С целью снижения ущербов необходимо все электроприемники и системы управления классифицировать по степени их помехоустойчивости и при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения осуществлять их подключение согласно классу ЭМО в соответствующих точках. Данный подход, существующий в странах Евросоюза, предусмотрен в стандарте МЭК 61000-2-4 - 1994. Аналогичный стандарт (ГОСТ Р 51317.2.4 - 2000 [2]) введен в 2000 г. в России. В этих стандартах установлено три класса ЭМО:

         первый - в защищенных от ЭМП системах электроснабжения. Этот класс применяется для электроприемников и технических систем (ТС), наиболее восприимчивых к кондуктивным ЭПМ в питающей сети (контрольно-измерительное лабораторное оборудование, средства управления технологическими процессами и защиты, вычислительные средства и т. д.). Для создания ЭМО данного класса следует использовать системы бесперебойного питания, активные, пассивные фильтры и другие средства подавления помех [3,7-18];

 

                                                                                                                                                         Таблица 2

 

Причина помехи

Уровень ЭМС для ЭМО класса

1

2

3

Колебания напряжения δUt, %

±8

± 10

От 10 до - 15

Провалы напряжения:

глубина δUп, %

длительность полупериодов Δtп

 

От 10 до 100

1

 

От 10 до 100

От 1 до 300

 

От 10 до 100

От 1 до 300

Несимметрия напряжений

по обратной последовательности К2U, %

2

2

3

Установившееся отклонение напряжения δUy, %

±5

± 10

± 10

Отклонение частоты Δf, %

± 1

± 1

±2

Искажение синусоидальности кривой напряжения Кu, %

5

8

10

 

         второй - в точках общего присоединения и точках внутрипроизводственного присоединения в промышленных условиях эксплуатации электроприемников и ТС. Уровни ЭМС для ЭМО данного класса идентичны уровням систем электроснабжения общего назначения в соответствии с ГОСТ 13109 - 97 [6);

         третий - в точках внутрипроизводственного присоединения при наличии следующих условий:

         большая часть электроприемников питается через преобразователи тока или частоты;

         используется электросварочное оборудование;

         происходят частые пуски электроприемников большой мощности;

         резко изменяются электрические нагрузки.

         Крупные дуговые печи и преобразователи тока и частоты предлагается выделять в отдельный класс, для которого уровни ЭМС должны согласовываться с энергоснабжающими организациями.

         Уровни ЭМС для ЭМО классов 1 - 3 приведены в табл. 1 и 2 [2]. Для ЭМО класса 2 применяются уровни ЭМС, установленные в ГОСТ 13109-97.

         Уровни ЭМС, соответствующие классу 1, применяются только для сетей до 1000 В, а соответствующие классу 3 - для сетей от 1000 В и выше вплоть до 35 кВ.

                                                           Таблица 2.

Гармоника

Уровень ЭМС (напряжений Un, %, гармонических составляющих) для ЭМО класса

1

2

3

5-я

3

6

8

7-я

3

5

7

1 1-я

3

3,5

5

13-я

3

3

4,5

17-я

2

2

4

19-я

1,5

1,5

4

23-я

1,5

1,5

3,5

25-я

1,5

1,5

3,5

> 25-й

0,2 + 12,5/л

0,2 + 12,5/а}

5(11/«)1/2

Нечетные гармоники, кратные трем

3-я

3

5

6

9-я

1,5

1,5

2,5

15-я

0,3

0,3

25

21-я

0,2

0,2

1,75

> 21-й

0,2

0,2

1

Четные гармоники

2-я

2

2

3

4-я

1

1

1,5

6-я

0.5

0,5

1

8-я

0,5

0,5

1

10-я

0,5

0,5

1

> 10-й

0,2

0,2

1

Интергармоники

До 11-й

0,2

0,2

2,5

От 11-й до 13-й включительно

0,2

0,2

2,25

От 13-й до 17-й включительно

0,2

0,2

2

От 17-й до 19-й включительно

0,2

0,2

2

От 19-й до 23-й включительно

0,2

0,2

1,75

От 23-й до 25-й включительно

0,2

0,2

1,5

От 25-й и выше

0,2

0,2

1

 

         Уровни ЭМС для различных классов ЭМО можно использовать с целью выявления уровней помехоустойчивости разрабатываемых электроприемников и ТС, а также допустимых уровней эмиссии ЭМП, вносимых ими в питающие сети. Установление классов ЭМО для различных точек присоединения электроприемников, создающих ЭМП, позволяет также правильно определять точки их подключения с учетом помехоустойчивости и вносимых уровней ЭМП.

         Как отмечалось, с экономической точки зрения наиболее опасны провалы и прерывания напряжения, однако в нормативной документации этим показателям уделяется мало внимания. Так, в ГОСТ 13109 - 97 нормируется только предельно допустимая длительность провала Δtn = 30 с, а его глубина не устанавливается. Очевидно, это связано большим числом факторов (короткие замыкания, молнии, обрывы проводов, отключения при несчастных случаях, пуск крупных электроприемников и т. д.), обусловливающих эти помехи.

 

Рис. 1.

 

         Электроприемники и их системы управления имеют различную чувствительность i провалам напряжения. Как показала практика, наиболее чувствительно к ним оборудование с электронными компонентами - ЭВМ. микропроцессоры, контроллеры, регулируемый электропривод.

         На рис. 1, а и б приведены кривые зависимости чувствительности различных устройств от провалов напряжения [7], а на рис. 2 - разработанные для компьютерной техники кривые (ITIC) допустимых амплитуд провалов и бросков напряжения в зависимости от их продолжительности [8]. Зная их можно правильно подбирать средства защиты от провалов напряжения в соответствий с рекомендациями [7, 8, 13 - 18].

         Влияние отклонений и колебаний напряжения на различные электроприемники и системы управления описано в [3, 9, 10, 14, 19].

         В ряде публикаций [4,7,11] указывается, что при наличии высших гармоник ускоряется износ трансформаторов и электродвигателей. Видимо, авторы исходят из их 100 %-ной загрузки. Между тем на промышленных предприятиях, где большинство подстанций двухтрансформаторные, по условию категорийности питания потребителей коэффициент загрузки трансформаторов не должен превышать 0,7, а в таком случае никакого перегрева из-за высших гармоник не произойдет. Как установлено авторами настоящей статьи, срок службы трансформаторов в сварочных сетях Горьковского автозавода, где отсутствуют средства снижения высших гармоник, составляет от 20 до 40 лет.

         Исследования, проведенные на автомобильных предприятиях, показали, что средний коэффициент загрузки электродвигателей находится в пределах 0,65 - 0,75 и только у двигателей насосов, компрессоров, дымососов он достигает 0,85. При таких его значениях перегрева двигателей из-за наличия высших гармоник не происходит.

 

Рис. 2.

 

         Особо следует остановиться на ЭМП в виде интергармоник. В ГОСТ 13109 - 97 такого понятия вообще не существует. В стандартах МЭКи ГОСТ Р 51317.2.4 допустимый уровень интергармоник установлен равным 0,2 % номинального напряжения. Основными их источниками являются электроприемники (статические преобразователи частоты, подсинхронные вентильные каскады, асинхронные двигатели, аппараты дуговой сварки и дуговые печи [1]), работающие в переходном режиме.

         При воздействии интергармоник возможны нарушения работы устройств, принимающих сигналы, передаваемые по силовым линиям. На дискретных частотах от 0 до 30 Гц интергармоники могут приводить к фликеру. Это обусловлено тем, что данные частоты вызывают амплитудную модуляцию частоты тока, особенно большую при частоте, близкой к 10 Гц.

         Приборы для измерения интергармоник в электрических сетях в России не выпускаются. Поэтому их можно определить только путем гармонического анализа реальных графиков случайных процессов изменения тока и напряжения по соответствующей методике [П]. Исследования [20] показывают, что данный анализ очень трудоемок и может давать большие погрешности.

         В действующих электрических сетях промышленных предприятий интергармоники можно значительно снизить путем установки фильтров (цепей последовательного резонанса) и уменьшения колебаний напряжения. В стандартах МЭК запрещается также передача сигналов по электрическим сетям потребителей электроэнергии.

         Выводы

1. Установлено, что наибольшие ущербы на промышленных предприятиях возникают из-за провалов напряжения, кратковремен­ных перерывов питания, отклонений и иска­жения формы кривой напряжения.

2. Выявлена необходимость классифика­ции всех электроприемников и технических систем по степени их помехоустойчивости и выбора точки их подключения с учетом электромагнитной обстановки.

3. Следует соблюдать рекомендации по учету и снижению интергармоник в системах электроснабжения.

Список литературы

1.    РД 50-713-92 (МЭК 1000-2-1). Совместимость технических средств электромагнитная. Электро­магнитная обстановка. Уровни электромагнитной совместимости в низковольтных системах электро­снабжения общего назначения в части низкочас­тотных кондуктивных помех и сигналов, переда­ваемых по силовым линиям. — М.: Изд-во стан­дартов, 1993.

2.    ГОСТ Р 51317.2.4-2000. Совместимость техниче­ских средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Уровни электромагнитной совмести­мости для низкочастотных кондуктивных помех в системах электроснабжения промышленных пред­приятий. — М.: Изд-во стандартов, 2000.

3.  Вагин Г. Я.,     Лоскутов А. Б.,     Севостьянов А. А.

Электромагнитная совместимость в электроэнерге­тике: Учеб. для вузов. — М.: Издательский центр "Академия", 2010.

4.    Степанов В. М. Энергосбережение средствами электропривода в различных технологиях. — Из­вестия Тульского государственного университета. Технические науки, вып. 3, ч. 1, 2010.

5.    IEEE 446 — 1995. IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications. — Institute of Electrical and Electronics Engineers / 03-Jul-1996.

 

6.      ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совмес­тимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в систе­мах электроснабжения общего назначения.

7.      Экономика в электроэнергетике и энергосбереже­ние посредством рационального использования электротехнологии: Учеб. пособие для вузов / Коллектив авторов. — СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 1998.

8.      IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility with Electronic Process Equipment. - IEEE Std. 1346 - 1998.

9.      Повышение эффективности использования электро­энергии в системах электротехнологии / Б. П. Бо­рисов, Г. Я. Вагин, А. Б. Лоскутов, А. К. Шидлов-ский. — Киев: Наукова думка, 1990.

10.   Жежеленко И. В., Саенко Ю. Л. Качество электро­энергии на промышленных предприятиях. — М.: Энергоатомиздат, 2005.

11.   Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. — М.: Энергоатомиздат, 2004.

12.   Аррила Дж., Брэдли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах / Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1990.

13.   Электромагнитная совместимость и молниезащита в электроэнергетике: Учеб. для вузов / А. Ф. Дья­ков, И. П. Кужекин, Б. К. Максимов, А. Г. Темни­ков. — М.: Издательский дом МЭИ, 2009.

14.   Электромагнитная совместимость электроприемни­ков промышленных предприятий / А. К. Шидлов-ский, Б. П. Борисов, Г. Я. Вагин и др. — Киев: Наукова думка, 1992.

15.   Современные способы повышения надежности электроснабжения потребителей напряжением 10, 6 и 0,4 кВ / С. И. Гамазин, В. М. Пупин, Р. В. Зе-лепугин, А. Р. Сабитов. — Промышленная энерге­тика, 2008, № 8.

16.   Шпиганович А. II., Зацепина В. И., Шилов И. Г. О восстановлении электроснабжения при кратковре­менных провалах напряжения. — Промышленная энергетика, 2008, № 10.

17.   Кирюхин А. Ю., Буре И. Г. Оптимизация парамет­ров гибридного фильтра высших гармоник для трехфазных сетей переменного тока 0,4 кВ. — Вестник МЭИ, 2008, № 2.

18.   Промышленные испытания активного фильтра в промысловых сетях ОАО "Оренбургнефть" ТНК — BP / Б. Н. Абрамович, А. В. Медведев, В. В. Ста­ростин и др. — Промышленная энергетика, 2008, № 10.

19.   Вагин Г. Я. Режимы электросварочных машин. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

20.   Вагин Г. Я., Севостьянов А. А., Юртаев С. Н. Ис­следования интергармоник, генерируемых специ­фическими электроприемниками (Материалы науч.-техн. конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики"). — Н. Новгород: НГТУ, 2011.

S.yurtaev@nice-nn.ru