Расчет несимметрии напряжения

 

Несимметричным режимом работы системы электроснабжения называют такой режим, при котором условия работы одной или всех фаз сети оказываются неодинаковыми. Различают кратковременные и длительные несимметричные режимы. Кратковременная несимметрия обычно связана с аварийными процессами в электрических сетях, такими как КЗ, обрыв проводников с замыканием на землю, отключение фазы при однофазном автоматическом повторном включении (АПВ). Длительная несимметрия возникает при наличие несимметрии в том или ином элементе электрической сети или при подключении к системе электроснабжения несимметричных приемников электрической энергии. К числу таких приемников относятся осветительные приборы, однофазные установки электросварки, индукционные и дуговые сталеплавильные печи, установки электрошлакового переплава, электровозы переменного тока.

Для анализа и расчета несимметричных режимов в трехфазных сетях в основном применяется метод симметричных составляющих. Метод основан на представлении трехфазной несимметричной системы величин в виде суммы трех симметричных составляющих, отличающихся порядком следования фаз (прямой, обратной и нулевой последовательностей).

Несимметрия междуфазных напряжений вызывается наличием составляющих обратной последовательности, а несимметрия фазных обусловлена наличием составляющих обратной и нулевой последовательности.

Наличие несимметрии нагрузок фаз вызывает появление токов обратной и нулевой последовательности. Эти токи, протекая по элементам сети, вызывают в них падения напряжения соответственно обратной и нулевой последовательности, которые, складываясь с напряжением прямой последовательности промышленной частоты, приводят к возникновению несимметрии напряжения сети.

 

Расчет несинусоидальности напряжения

 

При подключении к сети нелинейных приемников электроэнергии возникают токи высших гармоник (ВГ). Токи высших гармоник, протекая по элементам сети, вызывают падения напряжения в сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.

Наиболее распространенные электроприемники, порождающие несинусоидальность напряжения сети:

- вентильные преобразователи;

- дуговые электропечи;

- разрядные лампы;

- установки электродуговой сварки.

 

 

Расчет колебаний напряжения

 

Колебания напряжения характеризуются кратковременной дозой фликера P_st, измеренной в интервале времени 10 мин, и длительной дозой фликера P_Lt, измеренной в интервале времени
2 часа.

Причины возникновения значительных колебаний напряжения заключаются в использовании электроприемников с быстропеременными режимами работы, сопровождающимися резкими изменениями мощности (главным образом реактивной) нагрузки. Наиболее распространенные электроприемники, порождающие колебания напряжения следующие:

- тяговые подстанции;

- приводы реверсивных прокатных станов;

- дуговые сталеплавильные печи;

- сварочные аппараты;

- электролизные установки.

Для определения значения фликера могут быть использованы два подхода:

- применение фликерметра для непосредственного измерения интенсивности фликера;

- применение расчетных методов.

Второй подход может быть использован не только при проектировании, но и в условиях эксплуатации СЭС.

При колебаниях напряжения прямоугольной и наклонной формы) может быть применена инженерная методика расчета показателей колебаний напряжения. Эта методика может использоваться для определения кратковременной и длительной доз фликера как для периодических, так и непериодических колебаний напряжения согласно следующему алгоритму.

 

Расчет провалов напряжения

 

Большинство предприятий питается от энергосистемы по воздушным линиям напряжением 110 кВ и выше; для которых среднестатистическая отказность составляет до четырех отказов в год. Около 80 % отказов приходится на провалы напряжения.

На помехочувствительные элементы электроприемников оказывает влияние не все электромагнитных помехи, возникающие в электрических сетях; поэтому определяют зоны влияния помех электрических сетей на исследуемые электроприемники. Определение зоны влияния, т. е. конкретных участков электрических сетей, аварии на которых вызывают отказы исследуемых электроприемников, позволяют прогнозировать отказы электроприемников и причиняемый ими ущерб.

Обширный опыт показывает, что более половины всех остановок единиц электрооборудования приходится на весьма кратковременные провалы напряжения; реакция большинства электронных помехочувствительных элементов составляет
10^-6 – 10^-5 с, т. е. оказывается практически мгновенной. Поэтому фактором продолжительности провала напряжения можно пренебречь; то же относится к изменению параметров энергосистемы (r, x, z), которые можно считать неизменными за время действия провала (и других электромагнитных помех).

Это обстоятельство позволило предложить метод омического эквивалента расчета глубины провала напряжения, при котором все полные сопротивления элементов сети Z представляются активными сопротивлениями; по такой цепи рассчитываются провалы напряжения в точках (узлах) сети с помехочувствительными элементами; исходный провал представляется источником напряжения (ЭДС). Провал напряжения в какой-либо точке электрической сети эквивалентен приложению в этой точке ЭДС по величине равной глубине провала напряжения, при условии, что значение ЭДС источника равно нулю. Аналогичным образом могут рассчитываться дозы фликера в узлах. Во всех случаях погрешность – не более 10 % в сторону завышения результата.

В практике расчетов колебаний и провалов напряжения в случаях, когда источник колебаний подключен к обмотке трансформатора с расщепленными обмотками или через сдвоенный реактор, возникает необходимость оценить уровень колебаний в различных узлах сети.

Электризация человека.

Накопление зарядов статического электричества на изолированном от земли человеке чаще всего наблюдается в сухих помещениях с плохо проводящим полом. В этих условиях человек, двигаясь, генерирует заряды, которые могут оказаться достаточными для воспламенения многих горячих газов и жидкостей, и повреждения электронных приборов.

Разряды статического электричества, образующиеся на производстве, не представляют смертельной опасности для человека, поскольку они имеют небольшую силу тока и действуют очень кратковременно. Поэтому рассматривают только вредное воздействие статического электричества на организм человека.

При электризации человек начинает ощущать болевое ощущение при электрическом разряде с энергией около 0,4 мДж. При потенциале электростатического поля 10 кВ, емкости человека 100 пФ накапливается энергия в 5 мДж. Разряд с такой энергией вызывает значительные болевые ощущения.

Данные о влиянии электрического разряда на состояние человека приведены в таблице 1.

 

Таблица 1

Влияние электростатического разряда на состояние человека

 

Электрический разряд, кВ	Болевое ощущение
2,5 – 5	Разряд ощутим
5 – 7	Легкий укол
	Острый укол
12,5 – 25	Легкая судорога
35 – 40	Острая судорога

 

Опасность зажигания горючих смесей и повреждения электронных приборов электростатическими разрядами с человека как генератора электростатической энергии характеризуется двумя видами разрядов: разряды с наэлектризованного диэлектрика (одежды) и разряд непосредственно с тела человека.

Тело человека представляет сложный электрический эквивалент с различным сопротивлением участков тела и кожи, но в целом, с точки зрения электризации, человек представляет электрическую емкость с сосредоточенными параметрами, и разряды с тела человека рассматриваются как разряды с конденсатора, то есть оценка электростатической безопасности человека проводится из условия безопасности конденсированных разрядов. Поэтому все сказанное о разрядах с незаземленных проводящих элементов оборудования можно отнести и к разрядам с человека, являющегося проводником с емкостью от 100 до 300 пФ, как правило, изолированного от земли непроводящей обувью.

Если предположить, что средняя емкость тела человека составляет 200 пФ и накопленный потенциал на нем достигает 15 кВ, то запасенная энергия составит 20 мДж. Следовательно, искра с человека способна воспламенить не только паро- и газовоздушные смеси, но и пыль серы, пластмасс, металлических порошков и т. п.

 

Воздействие электростатических разрядов
на электронные приборы.

 

Наиболее часто проблемы ЭМС возникают в результате разрядов статического электричества между объектом и телом человека или малогабаритной мебелью (стульями, креслами, тележками с измерительными приборами и т. д.).

В зависимости от обуви, покрытия пола и влажности воздуха человек может заряжаться примерно до 30 кВ. Начиная с этого напряжения наступают заметные частичные разряды, которые вызывают увеличение проводимости окружающей среды. В результате устанавливается стационарный потенциал равновесия. Обычно возникающие при ходьбе по коврам потенциалы имеют значение от 5 до 15 кВ. Такого же порядка, однако, несколько меньшими по значению, вследствие больших емкостей, оказываются потенциалы мебели. Потенциалы до 2 кВ часто не принимаются во внимание, однако, они вполне достаточны для того, чтобы повредить полупроводниковые компоненты.

Электростатический разряд оказывает влияние на работу электронных устройств двояким образом. Во-первых, в результате электростатического разряда происходит инжекция зарядов в элементы устройства. Во-вторых, при электростатических разрядах возникает импульс тока, который создает электромагнитное поле, под воздействием которого возникают токи в цепях электронных устройств. И в первом, и во втором случаях они вызывают ошибки при приеме информации, а также способны разрушить элементы электронных устройств.

Помехи от электростатических разрядов проникают через входные цепи, через цепи питания, воздействуют на металлические кожухи и интерфейс оператора.

Электростатические разряды генерируют как электрическое, так и магнитное поля. Цепи с большим входным сопротивлением будут больше подвержены электрическому полю и индуктируемому им напряжению. Цепи с низкими входными сопротивлениями больше подвержены воздействию токов, индуктированных магнитным полем.

Электростатические разряды вызывают такие дефекты электронной аппаратуры, как разрывы соединительных проводников, короткие замыкания и ухудшение электрических параметров. Электростатический разряд вызывает также разрушение n-p переходов и оксидных пленок. Увеличение степени интеграции элементов сопровождается уменьшением ширины переходов, оксидной изоляции и, как следствие, повышением вероятности их разрушения под воздействием электростатических разрядов. При длительности импульсов менее 100 мкс типичным видом повреждений электронных схем является пробой (прокол) n-p перехода вследствие расправления металлизации, нарушения электрических соединений и др.

Механизм электромагнитной связи при электростатических разрядах предполагает наличие источника помех, среды распространения и рецептора (приемника) помех.

В качестве среды распространения могут быть силовые кабели или линии, по которым передается информация. Если помехи от электростатических разрядов попадают в силовые кабели, то они могут попасть далее на все функциональные узлы. Если у сигнальных и силовых кабелей несколько жил (проводников), то энергия помехи распространяется как между отдельными проводниками (межфазовая волна), так и между всеми проводниками и землей (земляная волна).

Второй вид связи обусловлен наличием общего сопротивления у нескольких блоков системы. Этим общим сопротивлением может быть внутреннее сопротивление общего источника питания или сопротивления общего заземления.

Третий вид связи между проводником-источником помех и проводником-рецептором – это индуктивная связь или связь в ближней зоне.

Также возможна емкостная связь.