Электромагнитная совместимость в электроэнергетике

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

Учебное пособие

Издательство ТПУ

Томск 2007

УДК 537.86/87

Харлов Н.Н.Электромагнитная совместимость в электроэнерге- тике: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 207 с.

В учебном пособии рассматриваются вопросы, изучаемые в курсе «Электромагнитная совместимость». В пособии приводятся основные термины и определения, рассматриваются общие вопросы электромагнитной совместимости, источники электромагнитных помех и механизмы их появления, пассивные помехоподавляющие устройства. Рассматриваются вопросы опреднления электромагнитной обстановки на объектах электроэнергетики, экологическое и техногенное влияние полей. Пособие предназначено для студентов ЭЛТИ специальности 140205 «Электроэнергетические системы и сети» УДК 537.86/87

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским

советом Томского политехнического университета

Научный редактор - доктор технических наук, профессор Томского политехнического университета В.В. Литвак

Рецензент – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Томского Государственного университета В.Н. Барашков

© Томский политехнический университет, 2007

ПРЕДИСЛОВИЕ

Переход Томского политехнического университета на двухуровневую систему подготовки специалистов электротехнических и электроэнергетических специальностей потребовал значительной корректировки учебных планов и рабочих программ практически по всем учебным дисциплинам. С 2006 г. учебными планами подготовки бакалавров направлений 140200 - Электроэнергетика и 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии, предусмотрено изучение курса «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике» объемом 32 часа аудиторных и 64 часа внеаудиторных занятий. Учебные планы подготовки магистров по названным направлениям

Необходимость в подготовке настоящего учебного пособия заключается прежде всего в отсутствии в настоящее время учебников и учебных пособий предназначенных для студентов перечисленных направлений. Изданные монографии зарубежных и отечественных авторов имеют ограниченный тираж и практически недоступны студенческой аудитории.

При подготовке настоящего учебного пособия и лекционного курса по данной дисциплине составителем данного учебного пособия за основу приняты монографии известных специалистов в области электромагнитной совместимости:

-Э.Хабигер Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике: Пер. с нем./ И.П. Кужекин; Под ред. Б.К. Максимова.-М.: Энергоатомиздат, 1995.-304 с.: ил.

-А. Шваб Электромагнитная совместимость. Пер. с нем. В.Д. Мазина и С.А. Спектора 2-е изд., перераб и доп./ Под ред. Кужекина. М.: Энергоатомиздат, 1998. 480 с., ил.

-Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К., Кужекин И.П., Жуков А.В. Электромагнитная совместимость в эдектроэнергетике и электротехеике./ Под ред. А.Ф. Дьякова.-М.: Энергоатомиздат, 2003.-768 с.

Содержание

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.. 7

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ.. 13

СОВМЕСТИМОСТИ.. 13

1.1. Электромагнитная совместимость. Электромагнитные влияния. 13

1.2. Уровень помех. Помехоподавление. 16

1.2.1. Логарифмические относительные характеристики. Уровни помех. 17

1.2.2. Степень передачи. Помехоподавление. 18

1.3. Основные типы и возможные диапазоны значений электромагнитных помех 18

1.3.1. Узкополосные и широкополосные процессы.. 18

1.3.2. Противофазные и синфазные помехи. 19

1.4. Земля и масса. 20

1.5. Способы описания и основные параметры помех. 23

1.5.1. Описание электромагнитых влияний в частотной и временной областях 24

1.5.2. Представление периодических функций времени в частотной области. Ряд Фурье. 24

1.5.3. Представление непериодических функций времени в частотной области. Интеграл Фурье. 28

1.5.4. Возможные диапазоны значений электромагнитных помех. 30

1.5.5. Спектры некоторых периодических и импульсных процессов. 31

1.5.6. Учет путей передачи и приемников электромагнитных помех. 33

2. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ.. 36

2.1. Классификация источников помех. 37

2.2. Источники узкополосных помех. 39

2.2.1.Передатчики связи. 39

2.2.2. Генераторы высокой частоты.. 41

2.2.3. Радиоприемники. Приборы с кинескопами. Вычислительные системы. Коммутационные устройства. 42

2.2.4. Влияние на сеть. 43

2.2.5. Влияние линий электроснабжения. 43

2.3. Источники широкополосных импульсных помех. 44

2.3.1. Исходный уровень помех в городах. 44

2.3.2. Автомобильные устройства зажигания. 45

2.3.3. Газоразрядные лампы.. 46

2.3.4. Коллекторные двигатели. 47

2.3.5. Воздушные линии высокого напряжения. 48

2.4. Источники широкополосных переходных помех. 49

2.4.1. Разряды статического электричества. 49

2.4.2. Коммутация тока в индуктивных цепях. 52

2.4.3. Переходные процессы в сетях низкого напряжения. 54

2.4.4. Переходные процессы в сетях высокого напряжения. 55

2.4.5. Переходные процессы в испытательных устройствах высокого напряжения и электрофизической аппаратуре. 56

2.4.6. Электромагнитный импульс молнии. 57

2.4.7. Электромагнитный импульс ядерного взрыва. 58

2.5. Классы окружающей среды.. 59

2.5.1. Классификация окружающей среды по помехам, связанным с проводами 59

2.5.2. Классификация окружающей среды по помехам, вызванным электромагнитным излучением. 61

3. МЕХАНИЗМЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОМЕХ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ИХ СНИЖЕНИЮ 63

3.1. Обзор. 63

3.2. Гальваническое влияние. 64

3. 2.1. Гальваническое влияние через цепи питания и сигнальные контуры 65

3.2.2. Гальваническое влияние по контурам заземления. 70

3.3. Емкостное влияние. 72

3.3.1. Гальванически разделенные контуры.. 72

3.3.2. Контуры с общим проводом системы опорного потенциала. 73

3.3.3. Токовые контуры с большой емкостью относительно земли. 77

3.3.4. Емкостное влияние молнии. 78

3.4. Индуктивное влияние. 79

3.5. Воздействие электромагнитного излучения. 83

4. ПАССИВНЫЕ ПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩИЕ И ЗАЩИТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 85

4.1. Обзор. 85

4.2. Фильтры.. 85

4.2.1. Принцип действия. 85

4.2.2. Фильтровые элементы.. 90

4.2.3. Сетевые фильтры.. 96

4.3. Ограничители перенапряжений. 97

4.3.1. Принцип действия. 97

4.3.2. Защитные элементы.. 98

4.4. Экранирование. 102

4.4.1. Принцип действия экранов. 102

4.4.2. Материалы для изготовления экранов. 105

4.4.3. Экранирование приборов и помещений. 107

4.4.4. Экраны кабелей. 108

4.5. Разделительные элементы.. 111

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НА ОБЪЕКТАХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ.. 114

5.1. Общие положения. 114

5.2. Основные этапы проведения работ по определению электромагнитной обстановки 115

5.2.1. Исходные данные и состав работ по определению ЭМО на объекте 115

5.2.2. Воздействие на кабели систем релейной защиты и технологического управления токов и напряжений промышленной частоты.. 118

5.2.3. Импульсные помехи, обусловленные переходными процессами в цепях высокого напряжения при коммутациях и коротких замыканиях. 121

5.2.4. Импульсные помехи при ударах молнии. 124

5.2.5. Электромагнитные поля радиочастотного диапазона. 127

5.2.6. Разряды статического электричества. 128

5.2.7. Магнитные поля промышленной частоты.. 129

5.2.8. Помехи, связанные с возмущениями в цепях питания низкого напряжения 130

5.2.9. Импульсные магнитные поля. 132

5.3. Сравнение полученных значений с допустимыми. 132

уровнями. 132

6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ. 136

ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В УЗЛАХ НАГРУЗКИ.. 136

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.. 136

6.1. Введение. 136

6.2. Статический преобразователь как источник гармоник и другие источники гармоник 138

6.3. Влияние гармоник на системы электроснабжения. 140

6.3.1. Элементы систем электроснабжения. 140

6.3.2. Вращающиеся машины.. 142

6.3.3. Статическое оборудование. 143

6.3.4. Устройства релейной защиты в энергосистемах. 144

6.3.5 оборудование потребителей. 146

6.3.6. Влияние гармоник на измерение мощности и энергии. 147

6.4. Ограничение уровней гармоник напряжений и токов. 148

7. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ. 157

ПОЛЕЙ.. 157

7.1. Экологические аспекты электромагнитной совместимости. 157

7.1.1. Роль электрических процессов в функционировании живых организмов 157

7.1.2. Электромагнитная обстановка на рабочих местах и в быту. 161

7.1.3. Механизмы воздействия электрических и магнитных полей на живые организмы 166

7.2. Нормирование безопасных для человека напряженностей электрических и магнитных полей. 168

7.2.1. Нормативная база за рубежом и в РФ.. 168

7.2.2. Нормирование условий работы персонала и проживания людей в зоне влияния ПС и ВЛ СВН.. 171

7.3. Экологическое влияние коронного разряда. 175

7.3.1. Радиопомехи. 175

7.3.2. Акустический шум. 177

7.3.3. Нормативная база на радиопомехи и акустические шумы.. 178

7.4. Влияния линий электропередачи на линии связи. 180

7.4.1. Опасные влияния. 180

7.4.2. Мешающие влияния. 183

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. 185

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. 206

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. 208

Литература. 210

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Ниже приводятся основные термины и определения, относящиеся к области электромагнитной совместимости технических средств и установленные межгосударственным стандартом ГОСТ 30372-95 «СОВМЕСТИМОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ. Термины и определения»

Общие понятия

1.1	Электромагнитная совместимость технических средств; ЭМС технических средств: способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средством.
1.2	Электромагнитная обстановка; ЭМО (поле помех): совокупность электромагнитных явлений, процессов в заданной области пространства, частотном и временном диапазонах.
1.3	Электромагнитная помеха; помеха: электромагнитное явление, процесс, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства.
1.4	Влияние помехи: снижение показателей качества функционирования технического средства, вызванного электромагнитной помехой.
1.5	Допустимая помеха: электромагнитная помеха, при которой качество функционирования технического средства, подверженного ее воздействию, сохраняется на заданном уровне.
1.6	Недопустимая помеха: электромагнитная помеха, воздействие которой снижает качество функционирования технического средства до недопустимого уровня.
1.7	Приемлемая помеха: электромагнитная помеха, превышающая допустимую и устанавливаемая путем соглашения.
1.8	Уровень помехи: значение величины электромагнитной помехи, измеренное в регламентированных условиях.
1.9	Норма на помеху: регламентированный максимальный уровень помехи.
1.10	Источник помехи: источник искусственного или естественного происхождения, которые создают или могут создать электромагнитную помеху.
1.11	Рецептор: техническое средство, реагирующее на электромагнитный сигнал и (или) электромагнитную помеху.
1.12	Электромагнитная эмиссия от источника помехи; помехоэмиссия: генерирование источником помехи электромагнитной энергии.
	Примечание. Генерируемая источником энергия может излучаться в пространство или распространяться кондуктивным путем.
1.13	Уровень эмиссии: значение величины электромагнитной помехи, эмитируемой от источника, измеренный в регламентированных условиях.
1.14	Норма на эмиссию: регламентированный максимальный уровень эмиссии.
1.15	Электромагнитное излучение; излучение: явление, процесс, при котором энергия излучается источником в пространство в виде электромагнитных волн.
1.16	Уровень излучения: уровень электрического и (или) магнитного поля и (или) плотности потока мощности, излучаемые техническим средством, измеренные в регламентированных условиях.
1.17	Норма на уровень излучения: регламентированный максимальный уровень излучения.
1.18	Электромагнитная кондукция (от источника помехи); кондукция: явление, процесс, при котором помеха распространяется от источника кондуктивным путем в проводящей среде.
	Примечание. Проводящей средой могут быть сигнальные цепи ввода-вывода, цепи электропитания, экраны, заземлители.
1.19	Уровень кондукции: уровень электрического тока и (или) напряжения, и (или) мощности, кондуктируемые техническим средством, измеренный в регламентированных условиях.
1.20	Норма на уровень кондукции: регламентированный максимальный уровень кондукции.

Электромагнитные помехи

4.1	Естественная помеха: электромагнитная помеха, источником которой являются природные физические явления.
4.2	Искусственная помеха: электромагнитная помеха, источником которой является устройство, созданное человеком.
4.3	Атмосферная помеха: естественная помеха, источником которой являются электрические разряды в атмосфере.
4.4	Космическая помеха: естественная помеха, источником которой является излучение Солнца, звезд и галактики.
4.5	Электростатический разряд: импульсный перенос электрического заряда между телами с разными электростатическими потенциалами.
4.6	Электростатическая помеха: естественная помеха, обусловленная электризацией и проявляющаяся вследствие импульсных токов стекания накопленных электрических зарядов и (или) электростатических разрядов.
4.7	Излучаемая помеха: электромагнитная помеха, распространяющаяся в пространстве.
4.8	Кондуктивная помеха: электромагнитная помеха, распространяющаяся по проводникам.
4.9	Индустриальная помеха: электромагнитная помеха, создаваемая техническими средствами.
	Примечание. К индустриальным помехам не относятся помехи, создаваемые излучениями выходных трактов радиопередатчиков.
4.10	Коммутационная помеха: индустриальная помеха, возникающая при процессах коммутации тока и напряжения.
4.11	Контактная помеха: электромагнитная помеха, обусловленная излучением токопроводящих контактов и (или) среды с нелинейной проводимостью при воздействии на них электромагнитного поля.
4.12	Электромагнитный импульс; ЭМИ: изменение уровня электромагнитной помехи в течение времени, соизмеримого со временем установления переходного процесса в техническом средстве, на которое это изменение воздействует.
4.13	Импульсная помеха: электромагнитная помеха в виде одиночного импульса, последовательности или пачки импульсов.
4.14	Шумовая помеха: электромагнитная помеха, источником которой является электромагнитный шум.
4.15	Импульсно-шумовая помеха: электромагнитная помеха, энергетический спектр которой имеет импульсные и шумовые составляющие.
4.16	Непрерывная помеха: электромагнитная помеха, уровень которой не уменьшается ниже определенного значения в регламентированном интервале времени.
4.17	Кратковременная помеха: электромагнитная помеха, длительность которой, измеренная в регламентированных условиях, меньше некоторой величины, регламентированной для данного технического средства.
4.18	Непродолжительная помеха: электромагнитная помеха, длительность которой, измеренная в регламентированных условиях, сравнительно невелика, но больше некоторой величины, регламентированной для данного технического средства.
4.19	Регулярная помеха: электромагнитная помеха, возникающая и исчезающая через определенные промежутки времени.
4.20	Нерегулярная помеха: электромагнитная помеха, возникающая и исчезающая через различные случайные промежутки времени.
4.21	Узкополосная помеха: электромагнитная помеха, ширина спектра которой меньше или равна ширине полосы пропускания рецептора.
4.22	Широкополосная помеха: электромагнитная помеха, ширина спектра которой больше полосы пропускания рецептора.
4.23	Межсистемная помеха: электромагнитная помеха, источник которой находится в системе, не относящейся к рассматриваемой.
4.24	Внутрисистемная помеха: электромагнитная помеха, источник которой находится внутри рассматриваемой системы.
4.25	Мешающий сигнал: электромагнитный сигнал, который ухудшает качество функционирования технического средства.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СОВМЕСТИМОСТИ

Земля и масса

Другими важными понятиями ЭМС являются понятия: земля и масса. С понятием "заземление" инженеры, работающие с сильноточными устройствами, связывают, как правило, вопросы техники безопасности и грозозащиты, например, устранение не­допустимо высоких напряжений прикосновения. Инженеры же, работающие в области электроники, - скорее электромагнитную совместимость их схем, например устранение контуров заземле­ния, влияние частоты 50 Гц, обращение с экранами кабелей и т. д.

Следует строго различать два понятия - защитное заземление (защитный про­вод) для защиты людей, животных и т. д. и массу, систему опор­ного потенциала, электрических контуров (это справедливо как для сильноточных, так и для слаботочных цепей). Земля и масса, как правило, в одном месте гальванически связаны друг с дру­гом, но между ними существует большое различие: провода за­земления проводят ток только в аварийной ситуации, нулевые провода - в нормальной рабочей ситуации и часто представляют общий обратный провод нескольких сигнальных контуров, веду­щий к источнику. Это различие существенно и характеризуется следующими понятиями:

Земля	Масса
Защитный провод	Нейтральный провод
Заземление	Масса схемы
Защитное заземление	Нулевая точка
Нулевой провод заземления	Сигнальная масса
Провод заземленной системы опорного потенциала	Измерительная земля
Заземленный корпус	Нулевое напряжение ( 0 В)

Понятие «земля» поясняет рис. 1.4. .

В нормальном режиме по нейтральному проводу Н протекает обратный ток электроприемников и его потенциал вследствие падения напряжения на его сопротивлении отличается от потенциала земли (за исключением эквипотенциальной шины, где он равен потенциалу земли). Защитный провод ЗП в нормальном режиме тока не проводит и его потенциал равен потенциалу земли. Поскольку корпус оборудования присоединен к защитному проводу ЗП, то и его потенциал также равен потенциалу земли и не создает угрозы для людей и животных.

При замыкании одного из фазных проводов (на рис. 1.4. провода Л₃ ) на корпус оборудования в фазном проводе возникает большой ток короткого замыкания и оборудование отключается предвключенным защитным автоматом З_з.

Рис. 1.4. Заземление в низковольтной сети:

Л₁, Л₂, Л₃ – фазные провода сети; ЗПН – защитный провод нейтрали; ЗП – защитный провод; Н – нейтральный провод; З_з – защитный автомат; R_А , R_В – сопротивление заземлителя потребителя и подстанции

Понятие «масса» поясняет рис. 1.5..

Рис. 1.5. К понятию «масса»

Под массой в схемотехнике понимают общую систему опор­ного потенциала, по отношению к которой измеряются узловые напряжения цепи (шина, провод опорного потенциала, корпус, нулевая точка). В простой цепи это просто обратный провод, в электронной схеме - общий обратный провод для всех электри­ческих контуров (рис. 1.5. а,б).Масса может, но не должна иметь потенциал земли. Однако, как правило, она в одном месте не­пременно соединена с защитным проводом и тем самым заземле­на. Масса выполняет те же функции, что и нейтральный провод. Прежде всего, на работу схемы не оказывает влияния заземле­ние массы. Однако если занимающая доста­точно обширное пространство масса заземлена в нескольких ме­стах, возникает контур заземления (см. рис. 1.3). Тогда при раз­личных потенциалах точек заземления могут протекать уравни­тельные токи, а на полных сопротивлениях массы возникать па­дения напряжения, которые накладываются на напряжения, дей­ствующие вдоль отдельных контуров цепи и являются противо­фазными помехами. При высоких частотах это даже не требует гальванического заземления, так как при наличии печатных плат с навесным монтажом и плоской массой контуры заземления могут образовываться благодаря их емкостям относительно мас­сы.

Вопросы для самопроверки

1. Что понимается под электромагнитной совместимостью технических средств?

2. Что понимается под организационным обеспечением электромагнитной совместимости?

3. Что понимается под техническим обеспечением электромагнитной совместимости?

4. Перечислите виды электромагнитных помех.

5. Поясните понятия узкополосных и широкополосных электромагнитных помех.

6. Поясните понятия синфазных и противофазных электромагнитных помех.

7. Поясните понятия «земля» и «масса».

8. Поясните термины «уровень помехи» и «помехоподавление». Как для их характеристики используются относительные логарифмические масштабы?

9. Что такое децибел и непер? Как они соотносятся?

10. Как осуществляется переход представления электромагнитных помех из временной области в частотную область и наоборот?

11. Что такое спектр периодической помехи. Какой математический аппарат применяется для его поучения?

12. Что такое спектральная плотность распределения амплитуд импульсной помех

Передатчики связи

Передатчики связи производят электромагнитную энергию в целях передачи или получения информации и излучают ее конт­ролируемым образом в окружающую среду (функциональные пе­редатчики). Их можно грубо разделить на пять групп (рис. 2.2.).

Разрешенные мощности передач на соответствующих частотах установлены в зависимости от регионального положения, време­ни и направленности передач в согласии с Международным теле­коммуникационным союзом (ITU) и добровольно подчиняющи­мися ему национальными учреждениями для распределения спек­тра среди пользователей. У работающих на одной и той же частоте передатчиков связи электромагнитная совмести­мость основывается на их пространственном отдалении друг от друга или ограниченном радиусе действия.

Рис. 2.2. Классификация передатчиков связи

Для поддержания сло­жившегося в международных отношениях договорного использо­вания спектра ввод в эксплуатацию нового передатчика требует разрешения властей, которое может быть выдано только после проверки или доказательства его ЭМС. Радиоконтрольные службы осуществляют надзор за соблюдением технической спе­цификации передатчиков, обнаруживают незарегистрированные передатчики и радиопомехи и т. д. Наличие разрешения властей на эксплуатацию не препятствует передатчикам связи выступать в качестве мощных источников помех, несмотря на то, что в их непосредственной близости должны работать чувствительные приемные системы. Поэтому не следует удивляться, если автома­тизированные системы действуют с ошибками, когда имеющий разрешение радиотелефонный аппарат слишком близко прибли­жается к ним. По этой причине часто отказываются от радиоте­лефонов в непосредственной близости от систем управления тех­нологически процессами и энергетическими системами. Излуче­ния передатчиков связи, как правило, узкополосные и чаще со­держат несущую частоту, боковые полосы, а также гармоничес­кие и негармонические высшие составляющие. Передатчики свя­зи функционируют, начиная от диапазона инфранизкой частоты в несколько десятков герц (для связи с подводными лодками) до нескольких сотен гигагерц.

Генераторы высокой частоты

Большое количество высокочастотных генераторов средней и большой мощности используется в промышленности, науке и медицине, а также в домашнем хозяйстве, например генераторы для высокочастотного нагрева, индукционной закалки, пайки и плавки, диэлектрической сушки клея, электротерапии, микро­волновые печи. К ним следует добавить генераторы для имплан­тации ионов при катодном распылении, циклические высокоча­стотные ускорители элементарных частиц (циклотроны, синхрот­роны) и т. д. Все перечисленные приборы целенаправленно про­изводят высокочастотную энергию, чтобы вызвать локальные электрофизические действия. Поэтому они относятся к группе функциональных передатчиков.

Посредством переменных магнитных полей 50 Гц - 1 МГц индукционными вихревыми токами могут быстро нагреваться проводящие детали. Глубина проникновения поля в деталь зависит от частоты.

Посредством высокочастотных электрических полей за счет освобожденного тепла вследствие объемного эффекта трения вибрирующих диполей можно быстро нагревать обладающие по­терями диэлектрики. Частоты лежат, как правило, в интервале 1-100 МГц.

Электрические, магнитные и электромагнитные поля исполь­зуются в медицине для теплового лечения суставов и внутренних органов (27—2450 МГц). Кроме этого, генераторы высокой час­тоты для возбуждения ультразвуковых колебаний находят при­менение в терапии (примерно 1 МГц) и диагностике (1—5 МГц), электромагнитные поля частотой, например, 2450 МГц, исполь­зуются в микроволновых печах.

В фундаментальных исследованиях, испытаниях материалов, лучевой терапии, литографии ускоряют элементарные частицы до энергии 20 ГэВ при частотах 10—200 МГц.

Большинство высокочастотных устройств работают на часто­тах 13,56 МГц, 27,12 МГц, 40,68 МГц, 433,92 МГц, 2450 МГц, 5800 МГц, 24 125 МГц, которые предусмотрены для вышеупомя­нутых аналогичных применений. При достаточном эк­ранировании установки могут применяться также другие часто­ты. При работе на предусмотренных частотах следует экспери­ментально доказать, что уровни высших гармоник излучений ус­тановок не превышают граничных значений для источников ра­диопомех. Кроме этого при наличии излучения следует обеспечить совместимость установок со средой обитания челове­ка.

Влияние на сеть

Под влиянием на сеть понимают появление высших гармони­ческих составляющих напряжения и его колебания в сетях элек­троснабжения за счет электрического оборудования с нелиней­ной или меняющейся по времени вольтамперной характеристи­кой. Так, трансформаторы и двигатели с высокой индуктивной нагрузкой, управляемые при помощи электронных регуляторов приводы, вентильные преобразовали тока для электролиза, газо­разрядные лампы, телевизионные приемники даже при синусои­дальном напряжении сети вызывают несинусоидальные токи, которые вдоль их пути к электрооборудованию создают на пол­ных сопротивлениях сети несинусоидальные падения напряже­ния. Падения напряжения, создаваемые токами потребителей, ведут к искажению синусоидальной формы напряжения сети с частотой 50 Гц и к появлению гармоник. Субгармоники, вызван­ные дуговыми электропечами и электросварочными аппаратами, достигают миллигерцевого диапазона и ведут к периодическим и непериодическим колебаниям напряжения. Как высшие гармо­ники, так и колебания напряжения могут привести к поврежде­нию технических сооружений, электрическим и термическим перегрузкам конденсаторов и двигателей, к ошибочному функционированию устройств измерения, управления и регулирова­ния, а также систем обработки данных, управления, линий пере­дачи данных, приемников кругового обзора, устройств связи. При колебаниях напряжения возникает также физиологическое воздействие на человека, когда колебания яр­кости осветительных устройств (мерцания или фликер) воспри­нимаемые глазом, вызывают нежелательные воздействия на мозг. В то время как вентильный преобразова­тель тока, как правило, вызывает только гармоники кратные основной частоте, порядок которых для выпрямителя можно вычислить, например, согласно , где - т.н. пульсность преобразователя, а - числа натурального ряда ( =1,2,3,…) преобразователи частоты и переходные процессы вызыва­ют помехи с любыми частотами. Наконец, к влиянию сети отно­сят также асимметрию, вызванную включенными между фазами однофазными потребителями, например сварочными машинами или дуговыми электропечами.

Газоразрядные лампы

Люминесцентные лампы низкого напряжения, встречающие­ся в домашнем хозяйстве, офисах, универмагах, могут являться ис­точниками помех (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Низковольтная люминесцентная лампа с катушкой индуктивности ог­раничения тока и стартером тлеющего разряда СТ

При включении в стартере СТ (лампа тлеющего разряда с би­металлическим электродом) возникает тлеющий разряд, в резуль­тате чего выделяется тепло, деформирующее биметаллический электрод, который замыкает цепь тока спиралей накала обоих главных электродов люминесцентной лампы. Одновременно зам­кнутый контакт гасит тлеющий разряд в стартере. После охлаж­дения биметаллического электрода ключ стартера вновь размы­кается, причем разрыв приводит к возникновению на катушке индуктивности напряжения самоиндукции Ldi(t)/dt в несколько киловольт. Это импульсное напряжение зажигает между предва­рительно нагретыми главными электродами газовый разряд.

При последующих прохождениях тока через нуль разряд затухает, но затем периодически зажигается вновь при каждом полу­периоде напряжения сети, поскольку напряжение зажигания и напряжение горения лампы в результате повышения температу­ры электродов соответственно понизились, (нагревание вызывает уменьшение анодного и катодного падений напряжения). Недо­статочная температура электродов ведет к известным многократ­ным попыткам зажигания люминесцентных ламп. При стацио­нарной работе стартер тлеющего разряда больше не срабатывает, так как его напряжение зажигания больше напряжения горения и напряжения повторного зажигания люминесцентной лампы с теплыми электродами.

Люминесцентные лампы низкого напряжения создают помехи не только при включении вследствие появления одного или не­скольких импульсов напряжения сравнительно большой ампли­туды, но также при работе в результате периодических затуханий и новых зажиганий разряда или после каждого прохождения тока через нуль при амплитудах напряжения всего в несколько сотен вольт. Так как сильные помехи возникают только при включе­нии, то они проявляются при радиоприеме в в виде однократно­го щелчка или нескольких, едва ли поэтому являются важными. Однако они могут играть очень большую роль в другой ситуации, например, если лампа находится по соседству с высокочувствительными медицинскими и другими измеритель­ными приборами, а также с пациентом, имеющим сердечный сти­мулятор. Электромагнитные влияния, излучаемые во время ста­ционарной работы на основной частоте 100 Гц, при малых рас­стояниях до приемника и отсутствии мер помехозащиты, всегда создают помехи радиоприему в диапазоне средних и длинных волн. Помехи появляются преимущественно вдоль проводов питания ламп. Люминесцентные лампы с электронными включа­ющими устройствами содержат генератор высокой частоты (30 - 50 кГц), который питает лампу через LC-звено (для ограни­чения тока). Типичные значения содержания высших гармоник тока питания: 90% — третья гармоника, 75% — пятая и 60% — седьмая гармоника. Эти высшие гармоники в зависимости от требований стандарта должны уменьшаться посредством соответ­ствующей фильтрации до допустимых значений, что связано с увеличением габаритных размеров лампы и затрат на ее изготовление. Наконец, наряду с чистым воздействием ламп на сеть модулированное низкой частотой инфракрасное излучение мо­жет также оказывать влияние, например при инфракрасном те­леуправлении. Люминесцентные лампы для более высоких на­пряжений (например, световая реклама) не нуждаются в предва­рительном нагревании, так как их напряжение питания в каждом отдельном случае без особых трудностей может быть скоордини­ровано с соответствующими напряжениями зажигания и горе­ния.

Газоразрядные лампы высокого давления могут создавать су­щественные помехи вплоть до диапазона высоких и сверхвысо­ких частот (более быстрый пробой при высоком давлении и малых расстояниях между электродами). Высокая температура электродов и газа позволяет уменьшить электромагнитные влия­ния из-за меньших значений напряжений при обрывах тока и возобновлениях разряда.

Коллекторные двигатели

При перемене направления тока в двигателях постоянного тока и в универсальных коллекторных двигателях в обмотках и про­водниках происходят быстрые изменения токов. Если при отде­лении края щеток и коллекторных пластин ток не равен нулю, то, как и у всех размыкающихся проводящих ток контактных выключателей он поддерживается через электри­ческую дугу (искрение щеток). При обрыве дуги возникает быс­трое изменение тока di(t)/dt. Последнее индуктирует во вклю­ченных в цепь катушках индуктивности напряжение самоиндук­ции Ldi(t)/dt, а также в возможных соседних проводящих конту­рах напряжение взаимной индукции Mdi(t)/dt. Для локального ограничения помех включают последовательно в цепь катушки индуктивности, а параллельно со щетками — конденсаторы. Большие двигатели постоянного тока имеют специальные допол­нительные полюса и компенсационные витки, которые индукти­руют в обмотках якоря противодействующие напряжения и в мо­мент отделения края щетки от края коллекторной пластины обе­сточивают обмотку.

Классы окружающей среды

Многообразие представленных выше источников помех вызы­вает необходимость упрощенного стандартизированного описа­ния электромагнитной обстановки введением типовых классов окружающей среды.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните понятия «функциональные» и «нефункциональные» источники электромагнитных помех

2. Поясните понятия «широкополосный» и «узкополосный» источник электромагнитных помех. Что является количественной характеристикой, данных понятий?

3. Какая характеристика называется шириной полосы энергетического спектра ?

4. Как влияют дуговые печи и сварочные установки на электромагнитную обстановку?

5. Как влияют мощные выпрямители и преобразователи частоты на электромагнитную обстановку?

6. Какие технические средства определяют электромагнитную обстановку в городах?

7. Поясните физические процессы, происходящие в газоразрядных лампах и приводящие к появлению электромагнитных помех

8. Поясните физические процессы, происходящие на высоковольтных воздушных линиях и приводящие к появлению электромагнитных помех

9. Поясните физические процессы, происходящие в коллекторных электродвигателях и приводящие к появлению электромагнитных помех

10. Поясните физические процессы, происходящие в системах