Описание амплитудно-временных форм, воздействующих на аппаратуру связи и ее узел электропитания импульсов перенапряжений и токов

 

3.1 Наиболее распространенной аварийной ситуацией в сетях электроснабжения, при которой могут создаваться опасные помехи, являются короткие замыкания (КЗ). Большие (до нескольких десятков килоампер) токи, протекающие по проводам линий электропередачи, шинопроводам и элементам заземляющего устройства (ЗУ) при КЗ способны генерировать кратковременные, но мощные (до нескольких десятков ампер на метр) магнитные поля. Такие поля способны приводить к сбоям в работе и повреждениям аппаратуры. Опасные наводки возникают в проводных цепях (в частности цепях связи) и любых металлоконструкциях, имеющих участки сближения с влияющей высоковольтной линией.

Кроме того при протекании через заземляющее устройство тока КЗ в сетях с номинальным напряжением выше 1 кВвозможно появление на нем потенциала порядка нескольких киловольт (в отдельных случаях – до нескольких десятков киловольт). При этом потенциал обычно распределяется неравномерно, что приводит к появлению опасных перепадов потенциалов как между различными точками на территории подстанции, так и между точками на подстанции и за ее пределами. Особую опасность такие перепады потенциалов представляют для цифровой аппаратуры, размещаемой непосредственно на высоковольтной подстанции.

Протекание по ЗУ значительных токов короткого замыкания в сетях высокого напряжения приводит к возникновению перепадов потенциалов в пределах ЗУ. Средний потенциал ЗУ относительно удаленной земли также повышается. Таким образом, значительные разности потенциалов оказываются приложенными к вторичным кабелям (как проходящим в пределах ЗУ объекта, так и выходящим за его пределы) и соответствующим входам аппаратуры. Кроме того, протекание токов КЗ в силовых ошиновках и по элементам ЗУ создает магнитное поле, амплитуда которого часто составляет сотни ампер на метр. Это поле создает наводки на вторичные кабели в случае их сближения с трассой протекания тока КЗ.

Оба фактора часто действуют одновременно, вызывая значительные перенапряжения, опасные для аппаратуры и даже изоляции кабелей. Магнитное поле при КЗ опасно и для самой аппаратуры, если последняя размещается вблизи ошиновок или пути растекания тока КЗ по элементам ЗУ.

Короткое замыкание в линии электропередач U = 220 кВ. Временную характеристику КЗ построим по выражению:

(1)

где – ток короткого замыкания, по заданию 22 кА;

– постоянная времени сети, равная 0,06 с.

График импульса тока короткого замыкания в ЛЭП представлен на рисунке 6.

 

А

Рисунок 6 – Временная характеристика КЗ в ЛЭП

 

Короткое замыкание в контактной сети постоянного тока. Временную характеристику КЗ построим по выражению:

(2)

где – начальное значение тока короткого замыкания, равное 0,2∙ .

Значение тока короткого замыкания взято из исходных данных , постоянная времени сети = 0,07 c.

Временная характеристика тока КЗ в КС представлена на рисунке 7

Рисунок 7 – Временная характеристика КЗ в КС

 

3.2 Импульсные помехи в сети довольно распространены, они могут возникать во время грозы, при включении/выключении мощных нагрузок (поскольку сеть это RLC цепь, то в ней при этом возникают колебания, вызывающие выбросы напряжения) и многие другие факторы.

Импульсы перенапряжений в сети характеризуются формой волны и амплитудой тока. Форма импульса тока характеризуется временем его нарастания и спада – для стандартов это импульсы 10/350 мкс и 8/20 мкс.

Грозовые разряды – одно из самых распространенных явлений природы. Достаточно отметить, что каждую секунду поверхность нашей планеты поражают в среднем 100 молний. Общеизвестно, что удары молнии представляют значительную опасность для жизни людей и животных, наносят материальный ущерб.

Протяженные воздушные и кабельные линии разного назначения достаточно часто поражаются молнией и являются тем путем, по которому высокие напряжения, создаваемые на проводах молнией, проникают в жилые дома и производственные объекты. Возникающие в результате этого разряды с проводки на землю могут поразить находящихся поблизости людей и воспламенить конструкции здания.

Электромагнитное поле, обусловленное током молнии, оказывает на человека различные вредные воздействия. Помимо этого электромагнитные излучения ухудшают работу радиоэлектронных средств, создавая помехи, нарушают бесперебойность и надежность систем электроснабжения и качество электроэнергии.

Упрощенно изменение тока молнии на различных стадиях грозового разряда изображено на рисунке 8.

 

Рисунок 8 – Изменение тока молнии (одиночного разряда) во времени

 

Лидер является начальной стадией линейной молнии между облаком и землей либо различными частями облака. Лидерная стадия характеризуется заполнением канала зарядами того же знака, что и в облаке. Поэтому лидер развивается толчкообразно и со сравнительно невысокой скоростью, порядка нескольких сотен километров в секунду.

Под воздействием значительной плотности тока канал главного разряда разогревается до температуры от 20 до 35 тыс. градусов и начинает светиться. В результате столь быстрого и сильного нагрева происходит расширение канала молнии, что носит характер взрыва – взрыв канала молнии сопровождается распространением звуковой волны, которая воспринимается как гром.

Главный разряд завершается, когда поток зарядов с земли достигнет облака. Затем наступает период нейтрализации близлежащей области облака. Величина тока молнии снижается, и яркость канала уменьшается. Процесс так называемого послесвечения более продолжительный, он длится тысячные и даже сотые доли секунды, после чего разряд завершается. Длительность одного импульса изменяется в сравнительно небольшом диапазоне и в среднем принимается равной 50 мкс.

В большинстве случаев разряды молнии имеют повторный характер, так как остаточная электропроводность канала первого разряда создает условия для повторных разрядов по этому же пути с более удаленных от земли областей облака. Иногда возникает до десяти и более импульсов, однако токи повторных импульсов обычно ниже тока первого импульса. Считается, что по одному и тому же каналу в среднем протекает три импульса тока молнии.

Главный разряд, или собственно волна тока молнии количественно характеризуется амплитудой , скоростью нарастания или крутизной тока на фронте , длительностью фронта и длительностью волны импульса

При практических расчетах устройств молниезащиты необходимо знать амплитуду I_M (в килоамперах) и длительность фронта волны тока τ_Ф (в микросекундах). Временная характеристика импульса грозового разряда представлена на рисунке 9.

Рассмотрим случай, при котором на устройства связи оказывает влияние грозовой импульс с параметрами:

Амплитудно-временная форма тока молнии / = 15/110 мкс;

Амплитуда тока молнии I_max = 35 кА.

Построим временную характеристику импульса I(t) по выражению:

(3)

где – длительность фронта тока молнии, по заданию 15 мкс;

– длительность спада тока молнии, по заданию 110 мкс.

 

Рисунок 9 – Временная характеристика импульса грозового разряда