Наводки в электрических цепях

Индуктивная наводка представляет собой электрическую связь между двумя или более проводниками: когда в одном из них ток меняется, в другом возникает индуктивное напряжение. Рис 2.26 иллюстрирует, какнаводящий провод (источник шума) через магнитную индукцию создает напряжение в цепи сигнала.

Рис. 2.26. Индуктивная наводка

Меняющееся магнитное иоле наводящего провода создает в сигнальной цепи напряжение, которое пропорционально частоте и величине наводящего тока, площади, занимаемой сигнальной цепью, и обратно пропорционально квадрату расстояния от наводящего провода до сигнальной цепи.

На рис. 2.26 показаны все факторы, необходимые для создания напряжения помех: частота изменения тока, цепь сигнала с заданной площадью и отделение проводников от наводящего сигнала (D1 и D2). Типичным способом снижения эффекта индуктивной наводки является использование в сигнальных цепях скрученных проводников, как показано на рис. 2.27. Расстояние двух сигнальных проводов от наводящего провода приблизительно одинаково, и площадь цепи примерно равна нулю. Уменьшение этой площади практически до нуля снизит наведенное магнитным полем напряжение почти до нуля благодаря одинаковой величине тока, индуцированного в каждом из проводов, поэтому результирующий ток будет около нуля. (Токи создадут на нагрузках напряжения, равные по величине и противоположные по знаку, поэтому они взаимно компенсируют друг друга.)

Рис. 2.27. Снижение индуктивных наводок скручиванием проводов

Использование вокруг сигнальных проводов экранов из ферритовых материалов также может снизить индуктивные наводки. Такие экраны эффективны, поскольку магнитное поле создает в экране вихревые токи, которые продуцируют магнитное поле, противоположное индуцирующему полю. Схема такого способа снижения шума показана на рис. 2.28. Такой тип экрана применяется очень редко и производится лишь по специальному заказу. Иногда используются трубки с высоким содержанием железа, но с ними возникают проблемы коррозии.

Ремонтные бригады довольно часто сталкиваются с проблемой наличия напряжения в разорванной цепи. Такое явление случается на воздушных линиях, нередко в бытовой электросети. Это так называемое наведенное напряжение, появляющееся на отключенных проводах вследствие воздействия электромагнитного поля, от работающих рядом электролиний.

Для лучшего понимания эффективности защитных мер при ремонте воздушных линий электропередач (ВЛ) рассмотрим более подробно физическую сущность наводки. Это поможет лучше понять механизмы защиты от поражения током, образовавшимся на отключенных проводах.

Определение наведенного напряжения

Официальная терминология наведённым напряжением называет потенциал, опасный для жизни, возникающий в результате электромагнитных воздействий параллельной воздушной линии или электричества циркулирующего в контактных сетях. Этот потенциал является паразитным, порождённым влиянием функционирующей параллельной линией электрической сети и прямо не относится к транспортируемому току. Отсюда и название – наведённое напряжение.

В чем опасность явления?

Наличие в проводах потенциала, наведённого переменным током или статическим электричеством часто невозможно предсказать. В этом кроется главная опасность наводки. На наведённое напряжение не реагируют штатные защитные приборы. На электромеханика, попавшего под действие наводки, будет действовать ток, пока он самостоятельно, либо с помощью напарника не высвободит руку или другую часть тела, соприкоснувшуюся с оголенным проводом.

Если в результате короткого замыкания на ВЛ произойдёт срабатывание защиты, отключающее рабочее напряжение, провода могут оказаться под наведённым током. Опасность также возникает при появлении грозовых разрядов, в т. ч. и междуоблачных.

Обратите внимание: штатная защита не реагирует на напряжения срабатывания, возникшие в результате наводки. Поэтому при отключенной ВЛ – следует применять особые схемы заземления, позволяющие создавать точки нулевого потенциала в конкретной зоне, при обслуживании линий.

Опасность обусловлена поведением наведённого тока. Дело в том, что источником тока является наводка от соседних ВЛ, распространяющаяся по всей длине провода не одинаково. Поэтому поведение таких токов отличается от привычного для нас рабочего электричества.

Наличие штатного линейного заземления не гарантируют безопасности, а наоборот, сопутствует появлению электрического тока в отсоединённых проводах. Как видно на рисунке 1, максимальный ток находится в точках заземления, то есть на заземляющих ножах.

Рис. 1. Значение напряжений между заземляющими ножами

В некоторых случаях целесообразно отключить заземления ВЛ, а для защиты использовать переносные заземления, которые устанавливают с каждой стороны от места повреждения, как можно ближе к точке проведения работ.

Причины возникновения

Для начала рассмотрим физическую картину возникновение наводки, а потом выясним причины явления в различных ситуациях:

• на воздушной линии;
• электроустановках;
• в квартире;
• электропроводке.

Если расположить параллельно два длинных проводника и по одному из них пропустить переменный ток, то на втором возникнет напряжение. Причём проявится электромагнитное влияние и действие электростатической составляющей. Величины электрических потенциалов на неподключённом проводнике зависят от длины, расстояния между проводами, а также от тока нагрузки. Подобные явления происходят и в реально действующих линиях энергоснабжения.

На воздушной линии (ВЛ)

Ток, который создаёт электростатическая составляющая, имеет одинаковый потенциал по всему проводнику: U_э = k×U_в, где U_э – наведённое электростатическое напряжение, k является коэффициентом ёмкостной связи, а U_в – рабочее влияющее напряжение. Очевидно, что наведённое напряжение зависит от разницы потенциалов на проводах параллельно расположенной влияющей линии.

Заметим, что электростатическое напряжение является результатом не только действия расположенных поблизости электромагнитных полей фазных проводов. Любое статическое электричество вызывает такой же эффект. Например, в северных широтах статическую наводку может вызвать полярное сияние, а также, упомянутые выше грозовые разряды (показано на рисунке ниже).

Рис. 2. Статическое напряжение от полярного сияния

Для устранения электростатического потенциала достаточно заземлить провод в любом месте.

Компонент напряжения электромагнитной составляющей, сильно отличается от статического. Потенциал возникает вследствие действия электромагнитных полей, образованных токами проводов фазы. На рисунке 3 показана схема образования наведённого напряжения.

Электромагнитная составляющая наведённого напряжения

Важные особенности электромагнитной составляющей:

• её величина пропорциональна рабочем току ВЛ;
• зависит от расстояния до влияющей воздушной линии;
• на наведённый потенциал влияет протяжённость взаимодействующих проводов;
• выраженная зависимость от схемы переносного заземления ВЛ и от сопротивления заземления.

Наведённая ЭДС в этом случае вычисляется по формуле:

Здесь M – коэффициент индуктивной связи, L – протяжённость параллельного участка, I – сила тока влияющей линии.

Как видно из формулы, величина напряжения провода фазы не влияет на ЭДС.

В конкретной точке x наведённое напряжение можно вычислить по формуле:

U = – (E*x)/L+ E/2 , где E – ЭДС, L – длина параллельного следования, x – расстояние от точки вычисления напряжения до начала линии.

Очевидно, что напряжение в точке отсечения (где x = 0) принимает значение: U = + E/2 , в середине линии (x равняется условной единице) U = 0, а в конечной точке U = – E/2. Понятно, что напряжение уже не является константой на всём участке проводов линии. Оно линейно изменяется между заземлениями, образуя нулевой потенциал в определённой точке. Если заземление одно, тогда положение нулевой точки находится в месте входа заземляющего ножа.

На схемах, приведённых ниже (рисунок 4), видно как распределяется наведённое напряжение. Обратите внимание, как перемещается точка нулевого потенциала и как она зависит от выбранного способа заземления.

Рис. 4. Схемы распределения наводимого напряжения в зависимости от расположения точек заземления

Из схематических изображений видно, как работа обслуживающего персонала одновременно в нескольких местах отключённой ВЛ может представлять опасность. Ввиду несимметрии токов наведённое напряжение может распределиться таким образом, что нулевые потенциалы сдвинутся за пределы рабочего пространства людей. Вследствие этого ремонтники могут оказаться под опасным воздействием наведённого напряжения.

В электроустановках

Ввиду того, что стационарные электроустановки неразрывно связаны с ВЛ, существует вероятность попадания наведённого напряжения на токоведущие части оборудования. Чаще всего это случается при обрыве нуля.

Особенность электроустановок в том, что там используются изолированные кабели, в которых плотно уложены провода. Хотя длина такой проводки обычно незначительна, однако, наводка в кабеле может иметь существенный потенциал (из-за плотного размещения проводов). Поэтому при работе с электроустановками необходимо обеспечивать защитные меры по снятию опасного наведённого напряжения, использовать средства индивидуальной защиты, отвечающие классу напряжения. Необходимо придерживаться ПУЭ, выставлять ограждения для соблюдения безопасных расстояний к токоведущим частям электроприборов.

В квартире

Наводка в обычной бытовой сети наблюдается при обрыве нулевого провода на входе или на участке воздушной линии. Если поискать индикатором фазу в розетке – он покажет напряжение на каждом из выходов. В действительности же, рабочее напряжение существует на проводе фазы, а на нулевом – наблюдается ток наводки. При устранении неисправности всё становится на свои места.

Поскольку поиск и ликвидация неисправности в квартире проводится при отключенных предохранителях, то тем самым обеспечивается необходимая защита.

В электропроводке

Электропроводка в доме монтируется с использованием двух-, а иногда трёхжильных проводов. Обычно кабели укладываются в короба, откуда выходят разветвления. Если выключатель разъединяет нулевой провод, то при такой укладке в нём неизбежно появится наводка. Возникает напряжение безопасной величины, однако его достаточно для зажигания диодного освещения (выключенные диодные лампы тускло светятся). Проблема решается просто – необходимо на выключателе поменять местами провода фазы и нуля.

Известны случаи, когда для заземления розетки использовался провод трёхжильного кабеля. На этом проводнике всегда присутствует довольно ощутимое наведённое напряжение. Поэтому для заземления используйте отдельный одножильный кабель большого сечения и прокладывайте его как можно далее от проводки с номинальными напряжениями.

Меры защиты

Учитывая то, что наведённые токи могут достигать предельно опасных значений, особенно на участках ВЛ или в электроустановках, при их обслуживании следует применять меры защиты [ 2 ]:

• использовать сигнализаторы напряжения;
• обеспечивать безопасный уровень напряжения на участках, где предстоит работа;
• использовать защитную одежду, диэлектрические коврики и т.п.;
• пользоваться указателями напряжения, универсальными электроизолирующими штангами для оценки значений токов наводки.
• применять приспособления для снятия напряжений.

Перед проведением работ на линиях с наводкой устанавливайте переносные заземления с двух сторон повреждённого участка ВЛ на небольшом расстоянии. Заземляйте провода с поверхности земли, используя изоляционные штанги. Выдерживайте расстояния срабатывания защиты заземлений.

На рисунке 5 показано как влияет расстояние от заземления на снижение наведённого напряжения.

Рис. 5. Снижение наведённого напряжения

Измерение напряжения проводите в изолирующих перчатках и ботах, а измерительные приборы располагайте на ковриках или подставках. Используйте только те измерительные устройства, которые предназначены для указанных целей и рассчитаны на измерение в соответствующих пределах. Помните, что штатные защитные приспособления для наведённого тока не предназначены. Нельзя проводить измерения в условиях тумана, осадков, а также при сильном ветре.

Всегда проверяйте наличие фазного тока на всех проводах. Если с помощью прибора УПСФ-10 вы определили линейное рабочее напряжение, то использовать переносное заземление запрещается.

В целях безопасности всегда считайте нулевой кабель таким, что находится под напряжением.

Помехи, возникающие в электрическом проводнике, могут иметь различную природу. Обычно помехи вызваны одним из следующих типов связи между их ис­точником и проводником:

Резистивная (или гальваническая) связь между проводником и источником по­мех не зависит от частоты возмущающего сигнала. Напротив, при емкостной или ин­дуктивной связи степень влияния зависит от частоты помех — чем выше частота, тем больше энергии получается от источника возмущений. На практике это означает, что электрические цепи, в которых происходят быстрые изменения тока и/или напряже­ния, могут быть более серьезными источниками помех, чем низкочастотные. Вообще говоря, взаимодействие с источником возмущений редко относится к одному типу, обычно — это комбинация всех трех вышеперечисленных типов. Серьезные пробле­мы с помехами возникают, когда проводники с маломощными сигналами расположе­ны вблизи силовых кабелей. Каждый провод в соединительных цепях датчика с обра­батывающим электронным устройством является потенциальным приемником электрических помех.

Чтобы создать для электронного оборудования среду, максимально свободную от наводок, постоянно проводится множество исследований и разработок. Целью явля­ется достижение электромагнитной совместимости (electromagnetic compatibility — EMC) в рамках электрических цепей, а также между различными цепями и система­ми. Электрический прибор должен, с одной стороны, быть нечувствительным к внеш­ним помехам и, с другой стороны, не должен генерировать помех, которые могут ока­зать влияние на другую аппаратуру.

Когда несколько электронных устройств одновременно имеют общий источник питания и общее заземление, могут возникать взаимодействия резистивного харак­тера. Довольно часто встречающиеся источники помех — плохо заземленные элект­родвигатели и преобразователи частоты с полупроводниковыми вентилями. Один из способов избежать такого типа взаимодействия — обеспечить для чувствительного электронного оборудования выделенный источник питания. Другая возможность — это гальваническая развязка источников питания и аппаратуры. В этом случае пря­мая электрическая связь между различными источниками питания и электрообору­дованием отсутствует.

Пример 3. Переключаемый конденсатор

Переключаемый конденсатор (flying capacitor) — это пример гальваничес­кой развязки (рис. 3). Конденсатор присоединен к источнику напряжения через два переключателя, т. е. он имеет тот же потенциал, что и источник на­пряжения. Подача напряжения на выход обеспечивается с помощью переклю­чателей. Таким образом, источник напряжения никогда не соединяется непос­редственно с последующей цепью, например входом компьютера. Конденса­тор переключает ( "flies") входное напряжение на выходную цепь. Конденсатор заряжается от источника напряжения. После переключения контактов S₁ и S₂ выходное напряжение конденсатора равно напряжению источника. Аналогично, две системы заземления никогда не соединяются.

Между двумя проводниками или между проводником и источником помех почти всегда существует емкостная связь, которая возникает из-за того, что переменное напряжение наводит в проводнике ток i, пропорциональный производной напряжении по времени

где С — величина емкости. Емкостные связи должны быть сведены до минимума. Они уменьшаются с увеличением расстояния между проводниками.

Распространенный способ борьбы с этим явлением — защитный электростатичес­кий экран. Экран должен быть заземлен, чтобы его потенциал равнялся нулю. Такая мера обеспечивает хорошую защиту, хотя на концах кабеля, где проводник присоеди­нен к датчику или к электронным схемам, могут возникнуть некоторые проблемы. Причина в том, что в этих местах экран не­ полностью закрывает и защищает проводник. На небольших, незащищенных оконеч­ных участках могут возникнуть слабые емкостные связи, поэтому важно делать та­кие участки как можно короче.

Индуктивная (магнитная) связь

Проводник с током индуцирует вокруг себя магнитное поле с напряженностью, пропорциональной величине тока. Соответственно, магнитное взаимодействие со­здает серьезные проблемы вблизи силовых кабелей, по которым текут значительные токи. Переменный ток возбуждает переменное магнитное поле, которое в свою оче­редь наводит э.д.с. индукции в другом проводнике, пересекающем поле. По закону индукции при заданной величине взаимной индукции М между проводниками на­пряжение V, индуцируемое в проводнике, есть

где i — ток другого проводника.

Если проводник, в котором наводится э.д.с, представляет собой часть замкнуто­го контура, то в нем будет циркулировать ток. Этот индуктивный ток пропорциона­лен площади, охватываемой проводниками, через которую проходит магнитный поток.

Существует несколько способов уменьшить влияние индуктивных связей. Пло­щадь контура, сцепленного с магнитным потоком, можно уменьшить, используя ви­тые провода; уменьшение этой площади означает снижение индуцируемого напря­жения. Более того, при скрутке "изменяется знак" потокосцепления на каждом витке, так что результирующее потокосцепление становится незначительным. Собственно поэтому применяется кабель на основе витой пары, а не просто состоящий из парал­лельных проводников.

Проводник, по которому передается измерительная информация, должен быть расположен как можно дальше от источников помех. В частности, чувствительные электронные приборы не должны размещаться вблизи трансформаторов и индукторов. Кабели должны располагаться таким образом, чтобы возможные поля помех распространялись вдоль них. Необходимо следовать двум простым правилам: во-первых, низковольтные сигнальные кабели и высоковольтные силовые кабели не должны прокладываться вблизи друг друга в одних и тех же каналах и, во-вторых, сигнальные и силовые кабели должны пересекаться, если это неизбежно, только под прямым углом.

Магнитное поле можно ослабить экранированием. Медный или алюминиевый экран имеет очень высокую проводимость, и, благодаря возбуждению магнитным полем вихревых токов в экране, магнитный поток ослабляется. Экран можно вы­полнить из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из железа. Магнитный экран часто бывает довольно объемным, поскольку для демпфирова­ния магнитного потока требуется достаточная толщина стенок. Поэтому экраниро­вание используется в основном для аппаратуры, генерирующей сильные магнит­ные поля.

Ниже дан перечень некоторых из основных правил для уменьшения влияния электромагнитных наводок на измерительное оборудование (датчики, сигнальные ка­бели и обрабатывающие электронные схемы).

Очевидно, что в первую очередь следует:

— снизить интенсивность источника помех.

Это первый и наиболее важный шаг, поскольку он позволяет резко уменьшить влия­ние помех и, соответственно, ослабить требования к другим защитным мерам.

Другие помехообразующие факторы, влияние которых должно быть сведено кминимуму:

— расстояние до источника помех;

— частотный спектр помех.

Для уменьшения влияние емкостных связей необходимо:

— применять экранированный кабель;

— минимизировать длину неэкранированных участков на концах кабеля.

Влияние магнитных связей уменьшается, если:

— используется витой кабель, так как уменьшается площадь магнитного потока, охватываемая проводником, а ориентация поля постоянно изменяется;

— подключены несколько датчиков, так как для каждого из них используется своя витая пара;

— силовые и сигнальные кабели проложены раздельно; сигнальные кабели распо­ложены на достаточном расстоянии от источников помех;

— низковольтные и высоковольтные кабели пересекаются под прямым углом.

Дата добавления: 2016-04-19 ; просмотров: 2154 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ