Системы оперативного тока

Во второй части статьи (первая часть см. [1]) завершается рассказ об исследовании влияния аккумуляторных батарей (АБ) на снижение величины дифференциальной помехи на входах микропроцессорных устройств.
Авторы подробно анализируют, при каких параметрах системы оперативного постоянного тока (СОПТ) достигается максимальный шунтирующий эффект АБ.

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ
Влияние на распространение электромагнитных помех в сети оперативного постоянного тока

Леонид Антонов, ООО «ВЭС», г. Москва
Алексей Ворошилов, ООО «Лиотех»,
Павел Смирнов, НГТУ, г. Новосибирск

ПАРАМЕТРЫ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

Параметры кабелей

Параметры кабелей рассчитываются на стадии проектирования подстанции. Длины кабелей определяются местом расположения оборудования, их сечения – величинами номинальных токов и токов КЗ, величиной падения напряжения в нормальном режиме, а также требуемым временем отключения КЗ. В табл. 1 представлены характерные параметры кабелей с изоляцией из ПВХ.

Таблица 1. Характерные параметры кабелей для СОПТ на подстанции

	Расположение	Тип кабеля	Сечение жилы, мм2	Длина, м
К1	От АБ до ЩПТ	ВВГнг 2х70	70	20
К2	От ШРОТ2 до ЩПТ	ВВГнг 2х16	16	40
К3	От ЩПТ до ШРОТ1	ВВГнг 2х16	16	40
К4	От источника помехи до ШРОТ2	ВВГнг 2х4	4	200

Рассмотрим двухпроводную линию, по которой протекает электрический ток (рис. 9). Как было показано в [2, п. 2.3], справедливо следующее выражение для определения величины погонной емкости кабеля Ck:

, (7)

где:

. (8)

Рис. 9. Схема, поясняющая расчет параметров емкости двухпроводной линии

R – радиус жилы; 2s – расстояние между геометрическими осями жил; 2a – расстояние между электрическими осями жил.

В [3, п. 4.3] показано, что погонная индуктивность двужильного кабеля Lk определяется следующим выражением:

, (9)

где y = 0,25 – для случая, когда ток равномерно распределен по сечению проводника; y = 0 – для случая, когда ток равномерно распределен по поверхности проводника.

Для расчета рассмотрим кабель ВВГнг-Ls 2х6 (рис. 10). Вычисленное значение погонной емкости для него составило 100,5 пФ/м (при ε = 3,5), а погонной индуктивности – 0,54 мкГн/м. Для проверки расчетов были измерены значения погонных индуктивности и емкости реального кабеля, которые оказались равны 100,0 пФ/м и 0,51 мкГн/м соответственно, что с хорошей точностью совпало с вычисленными значениями.

Рис. 10. Геометрические размеры кабеля ВВГнг

b1 = 9,5 мм a1 = 5,5 мм d = 0,8 мм R = 2,76 мм

В табл. 2 представлены вычисленные значения погонных индуктивностей и емкостей для кабелей различного сечения.

Таблица 2. Погонные индуктивности и емкости кабелей

Индуктивные (X_Lk) и емкостные (X_Ck) реактансы, а также активное сопротивление R_k определяются следующими выражениями:

где lk – длина кабеля;
Sk – сечение кабеля;
ρ = 0,0172 [Ом·мм²/м ] – удельное сопротивление меди.

Множитель 2 учитывает вклад в активное сопротивление обеих жил кабеля.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ И КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ПОМЕХИ

Расчет коэффициента подавления помехи

Для определения передаточной функции и коэффициента затухания дифференциальной помехи в схеме, изображенной на рис. 4 в [1], использовались математические пакеты программ Mathcad 14 и Mathlab. Вычисления делались для параметров кабелей, представленных в табл. 1. Использовались значения погонных индуктивностей и емкостей, представленные в табл. 2.

Теоретически рассчитанная зависимость передаточной функции K и коэффициента затухания помехи Kd от частоты для различных R_ДВ и АБ, размещенной по периметру аккумуляторной и подключенной к ЩПТ через кабель с большой индуктивностью, представлена на рис. 11.

Рис. 11. Теоретически рассчитанная зависимость от частоты:
а) передаточной функции помехи с входа к нагрузке K = |U3| / |E0| (в линейном масштабе);
б) коэффициента затухания Kd = 20 · lg |E0| / |U3| (в логарифмическом масштабе). Для Kd значение 20 Дб соответствует ослаблению помехи в 10 раз

Аналогичные расчеты делались для других параметров кабелей. Результаты качественно не изменились. Видно, что при отключенной батарее схема ведет себя как линия, генерирующая реактивную мощность, т.е. LC-фильтр, резонансная частота которого расположена выше рассматриваемой частоты (справедливости ради, нужно отметить, что она выше границы применимости модели с сосредоточенными параметрами). Данная резонансная частота определяется максимальной длиной подходящего фидера:

,

и с увеличением длины кабеля резонансная частота пропорционально падает.

При подключении АБ происходит подавление помехи, но коэффициент подавления невелик (помеха ослабляется в 3–4 раза при нагрузке 50–500 Ом). Это объясняется ослабляющим шунтирующий эффект влиянием индуктивностей кабеля от ЩПТ до батареи и ошиновки АБ, которые включены последовательно с низким внутренним сопротивлением батареи. При нагрузке порядка 500 Ом присутствует выраженный резонанс в районе 160 кГц (имеет место усиление помехи).

Таким образом, можно утверждать, что даже при подключенной АБ в сети возможны опасные перенапряжения, могущие привести к выходу из строя чувствительного оборудования.

Экспериментальная проверка расчета

Для проверки корректности расчетов и определения границ применимости схемы с сосредоточенными параметрами была создана модель сети постоянного тока. В качестве источника помехи использовался генератор сигналов специальной формы GFG-8216A. АБ моделировалась резистивной нагрузкой величиной 0,02 Ом, ее индуктивность – ферритовым дросселем нужного номинала. Для моделирования сети использовались кабели с изоляцией из ПВХ с параметрами, представленными в табл. 3.

Таблица 3. Параметры кабелей, использованных для моделирования сети

	Расположение	Тип кабеля	Сечение жилы, мм2	Длина, м
К1	От АБ до ЩПТ	ВВГнг-Ls 4x10	10	10
К2	От ШРОТ2 до ЩПТ	ВВГнг-Ls 4x16	16	40
К3	От ЩПТ до ШРОТ1	ВВГнг-Ls 5x10	16	17
К4	От источника помехи до ШРОТ2	ВВГнг-Ls 4x6	4	267

Генератор низкочастотных сигналов нагружался на кабель К4 (рис. 1 в [1]). Для измерения коэффициента передаточной функции K и коэффициента подавления помехи Kd измерялась амплитуда напряжения на нагрузке и в точке подключения генератора к кабелю. Напряжение в контрольных точках измерялось двумя калиброванными мультиметрами Fluke 287. Форма напряжения контролировалась при помощи цифровых осциллографов. Результаты измерения представлены на рис. 12.

Рис. 12. Экспериментально определенная зависимость от частоты: передаточной функции K (а), коэффициента затухания помехи Kd (б)

Видно, что и теоретические, и экспериментальные результаты качественно совпадают между собой. Снижение добротности резонанса можно объяснить увеличением потерь в кабеле (из-за скин-эффекта) и в дросселе (из-за увеличения тангенса угла магнитных потерь) на высокой частоте. Имеет место сдвиг измеренных резонансных пиков в сторону высших частот. По-видимому, это объясняется ограничениями, связанными с невыполнением условия (3) в [1] для кабеля длиной больше 160 м на частоте 100 кГц.

Таким образом, на основании анализа схемы сети СОПТ и экспериментальной проверки можно утверждать, что шунтирующий эффект АБ, размещенной по периметру помещения аккумуляторной и подключенной к ЩПТ кабелем с большой индуктивностью, недостаточен для того, чтобы эффективно подавлялась генерируемая в сети дифференциальная помеха.

ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ШУНТИРУЮЩЕГО ЭФФЕКТА БАТАРЕИ

Так как из всех параметров схемы СОПТ основное влияние на снижение уровня помех на нагрузке оказывают индуктивности АБ и кабеля, через который она подключается к ЩПТ, то и основными мероприятиями по усилению шунтирующего эффекта могут быть решения по уменьшению этих индуктивностей, а именно:

• замена голой ошиновки АБ на ошиновку, выполненной кабелем с кислотостойкой изоляцией, чтобы можно было максимально приблизить проводники друг к другу и тем самым уменьшить площадь ее витка;
• размещение АБ непосредственно рядом с ЩПТ, что позволит использовать минимально короткий кабель;
• использование блока выносных предохранителей, что позволит выполнить подключение батареи к ЩПТ не одножильным кабелем, как это было принято ранее на существующих ПС, а кабелем, в котором «+» и «–» батареи находятся под общей оболочкой;
• использование АБ, размещенной в шкафу.

Для оценки эффективности вышеприведенных мероприятий были проведены расчеты зависимости коэффициента подавления помехи от частоты для представленной выше модели с параметрами индуктивности кабеля и аккумуляторной батареи, размещенной в шкафу. Из графиков, приведенных на рис. 13, видно, что при уменьшении индуктивности коэффициент подавления помехи существенно увеличивается в диапазоне частот до 200 кГц и составляет в среднем 20 Дб для нагрузки 50 и 500 Ом. Резонансный пик при высоком сопротивлении нагрузки сдвинут в сторону высоких частот (выше 200 кГц), что снижает его опасность.

Рис. 13. Теоретически рассчитанная зависимость передаточной функции K (а) и коэффициента затухания помехи Kd (б) от частоты для АБ, размещенной в шкафу

Таким образом, можно утверждать, что для усиления подавления помехи целесообразно выполнение вышеприведенных мероприятий, в том числе использование герметичных аккумуляторных батарей.

Анализ схем для различных типов подстанций

Как следует из графиков, представленных на рис. 11–13, коэффициент подавления помехи существенно зависит от сопротивления нагрузки. Ниже анализируется зависимость Kd для трех величин нагрузки, условно соответствующих трем типам подстанций:

• 500 Ом (I_Н = 0,44 А) – распределенная система питания отдельных групп потребителей;
• 50 Ом (I_Н = 4,4 А) – подстанция 110 кВ;
• 5 Ом (I_Н = 44 А) – крупная подстанция 220 кВ и выше.

Расчет делался для трех случаев подключения аккумуляторной батареи. Результаты представлены на рис. 14 а–в. Дадим пояснения к графикам.

Рис. 14. Зависимость Kd от частоты при различных R_дв:
а) R_дв = 500 Ом (распределенный СОПТ);
б) R_дв = 50 Ом (ПС 110 кВ);
в) R_дв = 5 Ом (ПС 220 кВ и выше)

Рис. 14 а: R_дв = 500 Ом. Резонансные пики есть всегда. Подключение АБ приводит к сдвигу резонансной частоты вверх. При подключении классической батареи без использования мероприятий по увеличению ее шунтирующего эффекта в диапазоне частот до 100 кГц, Kd в среднем уменьшается на 10 Дб. При подключении герметичной батареи Kd уменьшается еще на 10 Дб дополнительно.

Рис. 14 б: R_дв = 50 Ом. При отключенной АБ происходит линейное увеличение Kd. При подключении классической батареи в диапазоне частот до 100 кГц, Kd в среднем уменьшается на 10 Дб. При подключении герметичной батареи Kd уменьшается еще на 10–12 Дб дополнительно.

Рис. 14 в: R_дв = 5 Ом. При отключенной батарее Kd в среднем равен 20 Дб в диапазоне частот до 100 кГц. При подключенной батарее в диапазоне частот до 100 кГц, Kd в среднем увеличивается только на 4–5 Дб. При подключении герметичной батареи Kd увеличивается еще на 10–12 Дб дополнительно.

ВЫВОДЫ

1. Для распределенной системы питания не допускается работа без батареи. Требуется использование мер, усиливающих ее шунтирующий эффект. Не рекомендуется использовать длинные кабели. Требуется дополнительная проверка на наличие резонанса на установленном оборудовании.
2. Для небольших подстанций эффективным средством подавления помехи является снижение индуктивности батареи для максимального использования ее шунтирующего эффекта. Такой результат могут дать следующие мероприятия: уменьшение длины кабеля до батареи, расстановка аккумуляторов с охватом наименьшей площади витка (запрет на трассировку шины вкруговую, по периметру аккумуляторной), использование аккумуляторов, установленных в аккумуляторных шкафах, запрет работы СОПТ только от ЗПУ.
3. Для крупных подстанций шунтирующий эффект батареи не имеет существенного значения. Допускается отключение батареи и питание нагрузки только от ЗПУ. Тем не менее по возможности не стоит отказываться от использования шунтирующего эффекта и применения мер, усиливающих его.

В настоящем материале сделана попытка проанализировать влияние различных конфигураций СОПТ на снижение уровня дифференциальной помехи на входах микропроцессорных устройств без применения каких-либо специальных устройств (разрядников, варисторов и т. п.).

Достигнута ли цель, поставленная в работе, зависит во многом от того, насколько корректно были выбраны параметры схемы замещения АБ. Именно по этому вопросу авторам хотелось бы получить ответ от компетентных специалистов по АБ, чтобы в дальнейшем выполнить более детальную экспериментальную проверку параметров аккумуляторных батарей различных типов и схем их подключения к ЩПТ. От этого во многом зависит направление дальнейшего совершен-ствования СОПТ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов Л.Е., Ворошилов А.Н., Смирнов П.Н. Аккумуляторные батареи. Влияние на распространение электромагнитных помех в сети оперативного постоянного тока // Новости ЭлектроТехники. 2015. № 2(92). С. 26–29.
2. Шмелев В.Е., Сбитнев С.А. Теоретические основы электротехники: Курс лекций. М.: Энергоатомиздат, 1987.
3. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. 3-е изд. Л.: Энергоатомиздат, 1986.