Расчет напряженности электрического поля ЛЭП

Расчет напряженности электрического поля ЛЭП

Общие сведения

Помимо естественных электрического, магнитного и высокочастотного электромагнитного полей, генерируемых в атмосфере Земли, высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП) порождают электромагнитные поля искусственного происхождения, в ряде случаев оказывающих существенное влияние на технические и природные объекты.

В последнее время негативное влияние этих полей на окружающую среду, а также технические объекты и системы (такие как волоконно-оптические кабели, высокочувствительные электронные приборы, средства связи) серьезно усиливается. Это связано с высокой концентрацией на сравнительно малой территории, сетевых источников разнообразных полей, которые находятся вблизи этих объектов. Источниками полей являются множество технических средств системы электроснабжения, особого внимания заслуживают высоковольтные ЛЭП.

Контролируемыми параметрами электромагнитных полей, создаваемых элементами энергетических систем при оценке их воздействия на окружающую среду, являются:

- напряженность электрического поля (Е, В/м);

- напряженность магнитного поля (Н, А/м).

Методы расчета электромагнитных помех.

Расчет отклонений напряжения

Отклонения напряжения от номинальных значений происходят из-за суточных, сезонных и технологических изменений электрической нагрузки потребителей; изменения мощности источников реактивной энергии; регулирования напряжения на генераторах электростанций и в узлах сети; изменения схемы и параметров электрических сетей.

Отклонения напряжения должны определяться в характерных точках сети. Для системы электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий такими точками являются шины 0,4 кВ цеховых понижающих подстанций и шины 6, 10 кВ распределительных пунктов, от которых питаются высоковольтные электроприемники.

Расчет сводится к определению уровней напряжения в периоды максимума и минимума нагрузок потребителей электроэнергии.

Отклонение напряжения в любой точке сети определяется суммой всех добавок и потерь напряжения:

,

где – отклонение напряжения на шинах центра питания, %; – добавка напряжения, создаваемая i-м регулирующим устройством, %; – потери напряжения на j-м участке сети, %.

Расчет колебаний напряжения

Колебания напряжения характеризуются кратковременной дозой фликераP_st, измеренной в интервале времени 10 мин, и длительной дозой фликераP_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.

Экранирующие устройства.

Принцип действия экранов

Экранирование служит для ослабления электрических, магнитных и электромагнитных полей, чтобы исключить проникновение и воздействие таких полей на элементы, блоки, приборы, кабели, помещения и здания, а также для того, чтобы подавить исходящие из электрических и электронных промышленных средств и устройств помехи, обусловленные полями.

Экран устанавливается между источником и приемником помех и снижает напряженности , воздействующего поля до значений , за экраном (рис. 1).

Физически экранирование объясняется наведением на поверхности экрана заряда или индуктированием в нем тока, поле которых накладывается на воздействующее, ослабляя его. Тем самым как бы удаляется чувствительный приемник помехи от источника.

Рис. 1. Экранирование токовых контуров от внешних электрических и магнитных полей: а – принципиальное расположение контуров 1, 2 и экрана S; б – граница между условиями ближнего (нижняя левая часть) и дальнего (верхняя правая часть) полей

На эффективность экранирования оказывают существенное влияние частота поля, электропроводность и магнитная проницаемость материала экрана, конфигурация и размеры экрана.

Для уточнения этих общих положений будем исходить из того, что экранирование осуществляется частично поглощением энергии поля материалом экрана (коэффициент затухания обусловленный поглощением), а частично - отражением падающей волны (коэффициент затухания , обусловленный отражением).

Результирующий коэффициент затухания, дБ, можно определить как

(1)

Или же

(2)

Т.е. состоит из двух компонентов:

(3)

При этом не учитываются многократные отражения от стенок экрана и помещения.

Для установления существенных взаимосвязей между этими коэффициентами затухания и характеристиками магнитного поля, а также размерами экрана и свойствами его материала удобно воспользоваться понятием полных сопротивлений по аналогии с распространением волн в электрически длинной двухпроводной линии.

Величины и в случае переменного электромагнитного поля связаны между собой посредством волнового сопротивления среды:

(4)

Зависимость результирующего коэффициента от частоты при наличии магнитного поля для ближней зоны представлена на рис. 2. Эта зависимость получается суммированием и в соответствии с (3).

Рис. 2.Принципиальные зависимости коэффициентов:

(1), (2) и (3) от частоты f для магнитного

поля в ближней зоне

Зависимости , и от частоты для дальнейшей зоны и для ближней зоны в соответствии с (6) и (8) представлены на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальные зависимости коэффициентов затухания от частоты для электромагнитного поля в дальней зоне и для электрического в ближней зоне: 1– ; 2 – ;

3 – для электромагнитного поля в дальней зоне (6); 4 – для электрического поля в ближней зоне (5)

Эффективность экранирующих устройств ориентировочно может быть оценена следующим образом. Если не выше 10 дБ, то экранирование, как правило, недостаточно. При 10< <30 дБ удовлетворяются минимальные требования по экранированию.

Для многих случаев достаточно, если 30< <60 дБ. Если 60< < 90 дБ, то имеет место хорошее экранирование, а при 90< <120 дБ можно говорить о предельно хорошем экранировали.

Принципиально следует иметь в виду, что эффективность экранирования зависит от наличия дефектов и отверстий в стенке экрана (трещин, дверных, вентиляционных и оконных проемов, кабельных вводов и отверстий для элементов обслуживания и сигнализации), а также то, что внутри экранированных объемов могут возникать резонансные эффекты, так как любой корпус прибора с проводящими стенками можно рассматривать как объемный резонатор.

Экраны кабелей

Кабельные экраны предназначены для снижения влияния напряжений помех на кабели и излучений помех кабелями и проводами, а также для того, чтобы обеспечить развязку помехосодержащих и чувствительных к помехам проводов при их прокладке в общих кабельных трассах, каналах или жгутах, если это необходимо по каким-либо внешним условиям.

Кабельные экраны из хорошо проводящих материалов (медные или алюминиевые оплетки) позволяют ослабить эти напряжения, однако при этом существенную роль играет заземление экрана. Если экран заземлен только с одной стороны, то снижается поперечное напряжение, вызванное полем , вследствие безопасного действия экрана ( ). На первый взгляд, все равно, заземлен ли экран слева или справа (рис. 4, б). При двустороннем заземлении экрана (рис. 4, в) возникает замкнутый контур, в котором при изменении магнитного поля во времени индуктируется ток . Продольное напряжение при этом уменьшается( , где - комплексное полное сопротивление связи экранированного кабеля).

Если затухание в одном экране недостаточно, используют два экрана, наложенные друг на друга и изолированные один от другого.

При двустороннем заземлении продольное напряжение,

(9)

а при одностороннем заземлении

(10)

В этих уравнениях представляет собой индуктивность соединения, а – емкость между экранами и – комплесные полные сопротивления внутреннего и внешнего экранов соответственно.

Сравнение (9) и (10) позволяет сделать следующие выводы. Двусторонне заземленный внутренний экран при низких частотах не оказывает сильного экранирующего действия, так как практически параллельно соединены лишь и . Напротив, при высоких частотах ( ) имеет место значительно лучшее экранирование, чем при одном экране. При одностороннем заземлении внутреннего экрана картина обратная.

Для того чтобы полностью использовать возможности кабельных экранов, необходимо соблюдать следующие правила:

- обычные экраны и внешние оболочки двойных экранов должны иметь на обоих концах хорошие контакты с корпусами приборов;

- внутренний экран в зависимости от частоты поля помехи следует и заземлять с одной стороны или с обеих сторон;

- внешний экран нельзя вводить внутрь прибора или там заземлять, так как при этом могут частично утрачиваться экранирующие свойства корпуса

Отметим, что экранирование кабелей служит и для того, чтобы снизить влияние разности потенциалов между точками заземления корпусов приборов, связанных кабелями. Отсюда вытекают дальнейшие требования по экранированию и прокладке, например силовых кабелей.

Расчет напряженности электрического поля ЛЭП

Общие сведения

Помимо естественных электрического, магнитного и высокочастотного электромагнитного полей, генерируемых в атмосфере Земли, высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП) порождают электромагнитные поля искусственного происхождения, в ряде случаев оказывающих существенное влияние на технические и природные объекты.

В последнее время негативное влияние этих полей на окружающую среду, а также технические объекты и системы (такие как волоконно-оптические кабели, высокочувствительные электронные приборы, средства связи) серьезно усиливается. Это связано с высокой концентрацией на сравнительно малой территории, сетевых источников разнообразных полей, которые находятся вблизи этих объектов. Источниками полей являются множество технических средств системы электроснабжения, особого внимания заслуживают высоковольтные ЛЭП.

Контролируемыми параметрами электромагнитных полей, создаваемых элементами энергетических систем при оценке их воздействия на окружающую среду, являются:

- напряженность электрического поля (Е, В/м);

- напряженность магнитного поля (Н, А/м).