Приложение D (справочное). Рассмотрение высокочастотных электромагнитных помех

Приложение D
(справочное)

Рассмотрение высокочастотных электромагнитных помех

D.1 Рекомендации для пользователя

D.1.1 Ожидаемая электромагнитная эмиссия от СЭП

D.1.1.1 СЭП и ее компоненты

Изготовители СЭП, применяемых в промышленных электрических сетях или в общественных сетях, из которых электрическая энергия не поступает в жилые здания, являются в целом технически компетентными и знакомыми с явлениями ЭМС.

При изготовлении компонентов СЭП с целью их продажи изготовители не могут применять методы помехоподавления с целью снижения уровня радиопомех, поскольку они не знают граничных условий обеспечения ЭМС конечной установки. Более того, пользователю компонентов следует самому, исходя из экономических соображений, принимать решения об использовании общих или групповых методов фильтрации и экранирования, применении естественного снижения помех при увеличении расстояния или распределенных дополнительных элементов в схеме существующей установки, чтобы обеспечить электромагнитную совместимость в каждом конкретном случае.

D.1.1.2 Кондуктивные радиопомехи

Важной характеристикой для пользователя СЭП без фильтрации при оценке возможных методов снижения радиопомех является уровень кондуктивных радиопомех в полосе частот от 150 кГц до 30 МГц, которые можно ожидать на портах электропитания СЭП.

Приведенные ниже результаты основаны на измерениях СЭП нескольких типов (относящихся к источнику напряжения или тока), проведенных в различных странах в период с 1990 по 1994 гг. Для оценки уровней помех, которые можно ожидать на портах электропитания СЭП, полосу частот подразделяют на три части (в соответствии с ГОСТ Р 51318.11: 0,15 - 0,5 МГц; 0,5 - 5,0 МГц и 5,0 - 30 МГц и максимальный уровень помех каждой СЭП в каждой части полосы частот регистрируют как репрезентативный элемент этой части. Измерения проводят с использованием в основном пиковых детекторов. В диапазоне отклонений от среднего значения 20 дБ (см. рисунок D.1) сосредоточено около 91% результатов с учетом отклонений, возникающих при различных нагрузочных режимах (легкая и максимальная нагрузка), различных номинальных входных напряжениях (220; 400; 460; 660 В) и различной номинальной мощности (от 0,75 до 740 кВт).

В соответствии с физической основой создания кондуктивных помех средние пиковые показания можно аппроксимировать двумя прямыми линиями с наклоном 20 дБ/декада и 40 дБ/декада. Две линии, пересекающиеся на промежуточной частоте = 2 МГц, могут быть представлены формулой

,

(D.1)

если 100 кГц F ,

,

(D.2)

если F 30 МГц.

Результаты измерений кондуктивных радиопомех представлены в пиковых значениях. Квазипиковое значение радиопомех меньше пикового значения и прогрессивно убывает при уменьшении частоты переключения силовых устройств. Для СЭП с частотой переключения от 200 Гц до 1 кГц квазипиковое значение в основном на 2 - 5 дБ ниже пикового значения. В тех случаях, когда результаты измерений были получены только как квазипиковые значения, эта учитывалось при оценке (см. рисунок D.1).

В большинстве случаев оборудование функционирует без влияния помех, но способы снижения уровня помех (например, высокочастотная фильтрация) должны быть использованы вблизи радиоприемной или чувствительной аппаратуры, такой как средства измерений очень малых напряжений.

Рисунок D.1 - Кондуктивные помехи, создаваемые различными СЭП, не оборудованными фильтрами

D.1.1.3 Излучаемые помехи

Измерения излучаемых помех детально не анализировались из-за отсутствия жалоб на помехи этого вида. Однако на рисунке D.2 показано, чего можно ожидать от оборудования. Оцененные результаты представляют собой измерения, откорректированные к пиковым значениям, полученным при расстоянии измерения 10 м с применением или без применения способов снижения уровня излучаемых помех. Распространение результатов измерений кондуктивных радиопомех, представленных на рисунке D.1, на полосу частот свыше 30 МГц представляет собой приближение, которое совместно с несколькими представленными значениями способно дать достаточно информации для объяснения отсутствия жалоб на излучаемые радиопомехи.

В соответствии с рисунком D.2 средние значения излучаемых радиопомех на частотах свыше 100 МГц часто проходят ниже предельных значений излучаемых помех, установленных в ГОСТ Р 51318.11, даже без применения методов снижения уровня помех.

К излучаемым радиопомехам аналитический подход не применяют. Причина состоит в том, что основными источниками излучаемых радиопомех от СЭП в большинстве случаев являются не силовые электронные схемы преобразователей, питающихся от сети, а микропроцессоры или некоторые вторичные источники питания оборудования.

Рисунок D.2 - Ожидаемые уровни излучаемых радиопомех от СЭП с номинальным напряжением до 400 В. Пиковые значения, нормализованные к расстоянию 10 м

D.1.1.4 Электромагнитная эмиссия от интерфейса электропитания

Электромагнитная эмиссия от интерфейса электропитания обусловлена в основном общим несимметричным напряжением. Общее несимметричное напряжение в интерфейсе электропитания может иметь высокое значение dv/dt. Это высокое значение dv/dt индуцирует ток в распределенной емкости кабеля и в электрической нагрузке (включающей в себя обмотки и арматуру двигателя). Распределенные токи возвращаются к их источнику через землю и через электрическую сеть либо через входные фильтры соответствующих преобразователей. Поэтому электромагнитная эмиссия от интерфейса электропитания связана с напряжением помех, измеряемым на порте электропитания.

D.1.2 Рекомендации

D.1.2.1 Общественная низковольтная электрическая сеть

Потенциальное воздействие помех, создаваемых СЭП, зависит от электромагнитной обстановки, в которой используется СЭП.

В некоторых странах малые коммерческие предприятия или предприятия легкой промышленности получают электрическую энергию от низковольтной сети общего пользования, от которой потребляют энергию также жилые дома. В этой системе отсутствует гальваническая изоляция между трехфазными входными терминалами СЭП и сетевыми розетками в жилых помещениях. Если СЭП, не оборудованная фильтрами, непосредственно подсоединена к низковольтной сети электропитания общего применения, от которой потребляют энергию жилые здания, существует значительный риск помех радио- и телевизионному приему. В этой электромагнитной обстановке рекомендуется оборудовать фильтрами входные зажимы СЭП. Таким образом, пользователь должен выбрать СЭП, соответствующую нормам, установленным в 6.4.

D.1.2.2 Вторая электромагнитная обстановка

В промышленных зонах (но не в низковольтных общественных системах электроснабжения) общей практикой в течение многих лет было применение СЭП без фильтров. В основном они работали хорошо и не создавали радиопомех другому оборудованию. Это подтверждалось отсутствием жалоб на радиопомехи в отраслях промышленности. Следовательно, СЭП совместимы с другим оборудованием в отношении излучаемых радиопомех.

Существующие проблемы, как правило, связаны с кондуктивными помехами от ОМП/ПМП. Эти помехи распространяются вдоль кабелей питания двигателей и могут передаваться на другое оборудование за счет гальванической, индуктивной или емкостной связи или путем излучения.

Проблемы могут возникнуть, если СЭП без фильтров применяют вблизи особо чувствительного оборудования. Однако СЭП может оказаться не единственным источником помехи, и чувствительное оборудование имеет обычно более низкую номинальную мощность, чем СЭП. Следовательно, повышение помехоустойчивости чувствительного оборудования может стать более экономичным решением, чем фильтрация электромагнитной эмиссии от СЭП.

Проблемы с влиянием кондуктивных радиопомех, создаваемых СЭП, обычно предупреждают применением рекомендаций по монтажу СЭП, включая разнесение сигнальных и питающих кабелей. Если этого недостаточно, то следует повысить помехоустойчивость чувствительного оборудования либо уменьшить электромагнитную эмиссию от СЭП в зависимости оттого, какое решение более экономично.

Применение коммерчески доступного фильтра ЭМС в интерфейсе электропитания между ОМП/ПМП и двигателем может привести к возникновению проблем. Возможно также повреждение конденсаторов в фильтре из-за резких фронтов, возникающих при переключениях, на конце интерфейса, подключаемого к ОМП/ПМП.

Если для соединения между ОПМ/ПМП и двигателем применяют экранированный или армированный кабель без фильтрации входа ОПМ/ПМП, то кондуктивные помехи в сети увеличатся из-за емкостного сопротивления армированного кабеля. Следовательно, если для решения проблемы ЭМС применяют экранированный или армированный кабель между ОМП/ПМП и двигателем, то фильтр должен быть соединен со входом питающей сети ОМП/ПМП. При этом уменьшение до минимума длины кабеля двигателя способствует в целом уменьшению радиопомех, излучаемых этим кабелем.

Поскольку фильтрация вызывает проблемы в области безопасности в системе, изолированной от земли, единственным решением в этом случае будет обеспечение достаточной помехоустойчивости другого оборудования в этой обстановке.

Для систем, в которых линия под напряжением соединена с землей, следует применять конденсаторы класса "Y" (линия - земля), которые должны быть рассчитаны для полного напряжения между фазами.

D.1.2.3 Категории С1 и СЗ

Изготовитель должен предоставить информацию, необходимую пользователю для выбора правильной категории оборудования в отношении электромагнитной эмиссии и правильной установки оборудования. Эта информация должна включать в себя четкие инструкции по монтажу любых фильтров. Если необходимы специальные кабели, то в инструкции должно быть соответствующее указание.

Монтажники оборудования часто применяют контроль изоляции для проверки качества электропроводки. Однако фильтры ЭМС обычно хуже выдерживают такой контроль, чем силовой преобразователь. Следовательно, изготовитель должен предоставить пользователю четкие инструкции по контролю изоляции.

Если СЭП не оборудована фильтрами или не соответствует нормам электромагнитных помех категории С1, изготовитель должен четко указать об этом в документации для пользователя. В этом случае изготовитель должен предупредить, что СЭП не предназначена для применения в низковольтной сети электропитания общего применения, из которой энергия поступает в жилые дома.

Если СЭП создает коммутационные вырезы на входе, то это должно быть указано в документации для пользователя.

При возникновении проблем изготовитель должен предложить (за счет пользователя) решение, необходимое для соответствия СЭП более низкой категории в отношении электромагнитной эмиссии.

D.1.2.4 Категории С2 и С4

В таком случае потребитель должен обладать технической компетенцией, позволяющей применить правильную концепцию обеспечения ЭМС для установки. Изготовитель должен предоставить информацию о категории оборудования в отношении электромагнитной эмиссии. В этом случае пользователь сможет выбрать правильную комбинацию категории оборудования в отношении электромагнитной эмиссии и мер по снижению радиопомех, чтобы обеспечить наиболее экономичное решение для установки.

D.2 Безопасность и применение радиочастотных помехоподавляющих фильтров в системах электроснабжения

D.2.1 Безопасность и токи утечки

Применение фильтрации радиопомех в системах электроснабжения для обеспечения соответствия нормам электромагнитных помех хорошо известно в практике конструирования. При применении фильтров важно проверить, что значения емкостей и, следовательно, содержание энергии, а также эффективность в целом конденсаторов типа "Y", используемых в фильтрах, соответствуют нормативным требованиям стандартов безопасности, например [26] в случае аппаратов, включаемых в сеть с помощью штепсельной вилки. Если ток утечки на землю через конденсатор радиочастотного помехоподавляющего фильтра слишком велик, эффективность дифференциальной защиты (от коротких замыканий на землю) в данной системе электроснабжения может быть нарушена.

Требования безопасности, связанные с токами утечки, включая требования к предупреждению пользователей, установлены в [27].

D.2.2 Безопасность и применение радиочастотных помехоподавляющих фильтров в системах электроснабжения, изолированных от земли

В сложных производствах, включающих в себя применение прокатных станов или бумагоделательных машин, центробежного и вспомогательного оборудования сахарной отрасли, кранового оборудования или оборудования химической промышленности, эффективно применяют распределенные изолированные системы электроснабжения. В таких системах электроснабжения необходимо обеспечить возможность продолжения работы оборудования, несмотря на короткие замыкания на землю, возможные прежде всего при применении оборудования вне зданий при повышенной влажности воздуха. Короткое замыкание на землю обнаруживают с помощью "системы мониторинга короткого замыкания" на землю, что обеспечивает безопасное продолжение работы оборудования до следующего цикла его технического обслуживания. "Философия безопасности процесса" в промышленных установках может быть нарушена из-за наличия паразитных элементов в электропроводке и оборудовании, как показано на рисунке D.3, например, емкостей между электрической сетью и землей.

Рисунок D.3 - Безопасность и применение фильтров

Результирующее емкостное сопротивление определяется суммой всех конденсаторов типа Y и паразитных емкостей. Сумма емкостей всех может достигать нескольких микрофарад. Любая система помехоподавляющих радиочастотных фильтров будет увеличивать емкость по отношению к земле до очень высокого значения, поскольку используется большое число конденсаторов типа Y (например, до значения, в n раз превышающего ). С увеличением емкостной связи будет все труднее и труднее и, наконец, невозможно обнаружить короткое замыкание на землю.

При наличии устройств фильтрации радиопомех () любое короткое замыкание на землю вызывает протекание очень высокого тока через полупроводниковые переключающие приборы внутри системы электрического привода. Это соответствует условиям короткого замыкания в заземленной сети при появлении любой неисправности, что приводит к срабатыванию и расцеплению защитных электронных устройств и, наконец, к нежелательной остановке работы с непредсказуемыми экономическими последствиями.

По этим причинам фильтрация радиопомех несовместима с изолированными системами энергоснабжения промышленных установок и поэтому не рассматривается в примерах, приведенных в настоящем стандарте. Кроме того, фильтрация радиопомех не может быть эффективной в этих системах. Это обусловлено тем, что обратный канал тока помехи к источнику помехи в системе, изолированной от земли, является только емкостным. Его будет трудно определить или рассчитать из-за резонансов с паразитными индуктивностями . Наконец, возрастание токов помехи, протекающих через несколько , может привести к проблемам влияния (взаимного) с другим оборудованием, подключенным к той же системе электроснабжения.