Электромагнитная совместимость кабельных цепей. Теория и эксперимент
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
промышленный элек трообогрев Электромагнитная совместимость кабельных цепей. Теория и эксперимент В настоящее время силовые и метить, что с точки зрения обеспечения слаботочные (информационные, электро- и пожарной безопасности ПУЭ контрольные, связи) кабели в оте- допускают совместную прокладку це- чественной и зарубежной практике про- пей до 42 В с цепями выше 42 В, но лишь кладывают раздельно на определенных в разных отсеках одного короба или лот- рекомендованных расстояниях (не ме- ка, имеющих сплошные продольные пе- Б.В. Мальков, руководитель нее 0,125 м), что одновременно обеспе- регородки с пределом огнестойкости направления ООО «Завод КСТ» чивает электро- и пожарную безопас- не менее 0,25 ч из несгораемого матери- ность, а также минимальный уровень ала [6]. Несмотря на многочисленность помех, т.е. электромагнитную совме- публикаций, вопрос о электромагнит- стимость. Вместе с тем проектировщи- ной совместимости при этом остается ки считают неизбежным уже в недале- открытым вследствие практического от- Ю.А. Демидов, кой перспективе их более компактную сутствия расчетных и эксперименталь- директор ООО «Завод совместную прокладку, вплоть до соз- ных данных, которые бы позволили про- КСТ» дания кабелей, содержащих под общей ектировщикам количественно оцени- оболочкой силовую и контрольные или вать ситуацию. информационные цепи, которые назы- Учитывая актуальность вопроса, спе- вают гибридными или комбинированны- циалистами ООО «Завод КСТ» со- А.С. Микаэльян, ми. Это обусловлено тенденцией увели- вместно с ООО «НПФ ЭЛНАП» про- коммерческий чения мощности электроприемников с ведена работа по изучению наводок директор ООО «Завод КСТ» одновременным ростом оснащенности в слаботочных цепях от наиболее оборудования различными датчиками и распространенной трехфазной цепи электронной техникой [1-5]. Следует от- 220/380 В, частоты 50 Гц 34 п р о м ы ш л е н н ы й э л е к т р о о б о г р е в и э л е к т р о о то п л е н и е , № 3 / 2 0 1 4
промышленный элек трообогрев Основы влияния между электриче- точных цепей [1-4]. и наведенное напряжение будет пред- скими цепями При стабильной нагрузке ток в сило- ставлять сумму двух гармонических ко- Физическая сущность процесса наво- вой цепи характеризуется гармониче- лебаний одинаковой частоты, которая док при частоте 50 Гц состоит в том, ской функцией, определяемой источ- также будет гармонической функцией, что токи силовой цепи создают маг- ником, например: но учитывая, что при частоте 50 Гц нитное поле, которое вызывает элек- где: - амплитудное значение тока, А; = 314, первым членом в правой части трическое поле, образующее в сосед- - угловая частота, – ча- уравнения (5) можно пренебречь и, пе- них цепях наведенное напряжение. стота, равная 50 Гц, и – время, с. реходя к действующим значениям, не- Для установления прямой зависимо- Тогда и наве- трудно получить аналог формулы (3) с сти наведенного электрического поля денное напряжение в соответствии с учетом возрастания или затухания то- от токов в соседних цепях на основа- формулой (2), также будет гармони- ков. Таким образом, при гармонических нии 1-го и 2-го уравнений Максвелла ческой функцией с фазовым смеще- колебаниях влияющих токов формула получено следующее соотношение: нием /4. (3) позволяет проводить точные расче- ты наведенного напряжение в замкну- 1 той линии из параллельно уложенных жил при стабильной амплитуде тока и получать достаточно точные значения (погрешность 0,32 %) при колебаниях токов из-за изменений нагрузки. где: – циркуляция вектора на- Формула (2) после замены В режимах короткого замыкания (КЗ) пряженности электрического поля по действующим значением , может возможны различные колебания тока, контуру ; быть приведена к следующему виду: – скорость изменения потока магнитного поля, проходя- 3 щего через контур , вызванного то- ками , протекающими на рассто- яниях Ri от контура. Рассматривая контур как замкнутую где: – действующее значение наве- которые могут быть установлены экс- двухпроводную линию длиной из па- денного напряжения, В; периментально, но можно выделить раллельно уложенных изолированных – действующее значение влияющих общее: быстрые и значительные изме- жил с расстоянием между осями жил , токов, А. нения их значений. Известно, что функ- т.е. с площадью продольного сечения При изменении нагрузки в переходной ции, отражающие такие процессы, при , после интегрирования выра- период изменения тока могут характе- разложении в ряды Фурье могут быть жения (1) по такому контуру, получим: представлены суммой гармонических 2 колебаний различных частот: и ,где -натуральные числа. В связи с этим при КЗ следует ожидать, что токи и наведенные напряжения бу- дут характеризоваться суммами гармо- где: – напряжение, В, наведенное ризоваться функциями возрастающего нических колебаний различных частот в линии токами , А. или затухающего гармонического коле- и их соотношения будут качественно Из формулы (2) следует, что зави- бания по следующей формуле: отличаться от соотношений при гар- симость наведенного напряжения 4 монических колебаниях. Отметим осо- в указанной двухпроводной линии бенность указанных гармонических ко- от магнитного поля внешних токов лебаний, состоящую в том, что функция прямо пропорциональна скоро- и её производная смещены по фазе на сти их изменения, расстоянию меж- /4. Поэтому начало возрастания тока ду осями жил и длине линии. Вместе где: -коэффициент возрастания; соответствуют максимальному значе- с тем оно обратно пропорциональ- -коэффициент затухания; нию производной, т.е. наведенному на- но расстоянию между осевыми ли- В этом случае: пряжению и наоборот. ниями протекания токов влияющей цепи и двухпроводной линии, под- 5 верженной влиянию, что и является теоретическим обоснованием ука- занных выше рекомендаций по раз- дельной прокладке силовых и слабо- п р о м ы ш л е н н ы й э л е к т р о о б о г р е в и э л е к т р о о то п л е н и е , № 3 / 2 0 1 4 35
промышленный элек трообогрев Следует также отметить, что на сум- Рис. 1 6 марное наведенное напряжение в линии существенное влияние оказы- 5 4 вает скрутка жил, при которой век- 3 2 тор нормали площади продольного 1 где: Zт – cопротивление связи, сечения линии на длине шага скрут- мОм/м ки изменяет направление на 180º и Из (6) следует, что чем меньше наве- потокосцепление изменяет знак, что денное напряжение, тем меньше со- приводит к определенной компен- противление связи. сации наведенного напряжения. Из- На рис. 2 показаны осциллограммы вестно, что наиболее высокий уро- тока в силовой цепи и наведенно- вень ослабления наведенного на- го напряжения в скрученных парах пряжения из-за компенсации дости- исследуемого кабеля длиной 73 м гается при симметричной скрутке 1- скрученные пары, 2-экран при включении и работе трехфазно- двух изолированных жил, который 3- внутренняя оболочка, 4- силовые го асинхронного двигателя мощно- жилы, 5-внешняя оболочка может составлять более 1000 раз, т.е. стью 5 кВт. более 60 дБ [7]. Как и во всех последующих осцил- При пучковой и повивной скрутках тить, что конструкция отвечала ука- лограммах по оси абсцисс отсчи- жил, в зависимости от схемы подклю- занным выше требованиям ПУЭ из-за тывалось время измерений (здесь, чения, могут создаваться цепи из ря- наличия металлического экрана, вы- одно деление – 50 миллисекунд), по дом расположенных или из удален- полняющего роль огнестойкой пере- оси ординат – значения тока в сило- ных жил. Поэтому межосевые рас- городки. вой цепи (одно деление 50 А) и на- стояния и наведенное напряжение При измерениях пары с одной сторо- веденного напряжения (одно деле- будут разными в разных цепях. Они ны закорачивались или соединялись ние 20 мВ), которые подавались на тоже будут компенсироваться из-за с резистором 120 Ом. С другой сто- два входа осциллографа А и В и од- изменения знака потокосцепления роны пары подключались к осцилло- новременно фиксировались. В та- при скрутке, но лишь частично, по- графу. Экран заземлялся с двух сто- бличке справа указаны дата, время, скольку участки на длине шага скрут- рон. Четырехжильная силовая цепь цены делений, минимальные и мак- ки будут по разному удалены от сило- позволяла создавать симметричный симальные значения токов и напря- вой цепи и в них, согласно формуле трехфазный и однофазный режимы жений и другие, зафиксированные (3), будут наводится разные напряже- работы. при измерении показатели. ния. В связи с этим уровень ослабле- Для измерений в режиме коротко- Как видно на левой части рис. 2, ния наведенного напряжения будет го замыкания (КЗ) использовалась первые 120 миллисекунд силовая значительно ниже, чем в симметрич- штатное тиристорное испытательное цепь находится под напряжением, ной скрученной паре. устройство Сатурн-М, обеспечиваю- но двигатель не включен. Навод- Все указанные выше теоритические щее программируемый режим КЗ по ки по емкостным связям при 50 Гц положения были проверены экспе- уровню токов и по продолжительно- и заземленном экране практически риментально. сти. равны нулю. При включении дви- Экспериментальное исследова- В результате измерений на образцах гателя пусковой ток возрастал до ние наводок в слаботочных цепях разной длины при гармонических 100 А и максимальное наведенное комбинированных кабелей колебаниях тока была подтверждена напряжение составило 3,7 мВ. При- Для проведения экспериментальных линейная зависимость наведенно- мерно за 50 мс ток уменьшался до исследований был специально изго- го напряжения от силы тока во вли- номинального значения 10 А (пра- товлен образец гибридного кабеля, яющей цепи и длины образца соглас- вая часть осциллограммы), а наве- конструкция которого показана на но формуле (3), что позволяет рас- денное напряжение снижалось до рис. 1. пространять полученные данные на 0,37 мВ и было близко к уровню шу- Слаботочный кабель с четырьмя другие значения тока и другие дли- мов. При этом ток и наведенное на- скрученными парами, с жилами се- ны. Из формулы (3) можно перейти к пряжение изменялись с одинако- чением 0,50 мм2, с общим экраном удельному параметру: сопротивле- вой частотой 50 Гц. Тем самым экс- в виде оплетки из медных проволок нию связи, характеризующее наве- перимент подтвердил указанные и оболочкой располагался парал- денное напряжение в образце дли- выше теоритические положения лельно силовому кабелю в виде че- ной 1 м от тока 1 А, который исполь- о наведенном напряжении при воз- тырех скрученных жил сечением 4,0 зуют для определения уровня защи- растании и убывании (затухании) мм2 и оба кабеля скреплялись общей щенности высокочастотных кабелей токов и справедливость примене- внешней оболочкой. Следует отме- и кабелей связи [8]. ния формулы (3). 36 п р о м ы ш л е н н ы й э л е к т р о о б о г р е в и э л е к т р о о то п л е н и е , № 3 / 2 0 1 4
промышленный элек трообогрев Рис. 2 Включение и работа двигателя мощностью 5 кВт. Рис. 3 Режим нестабильного КЗ, продолжительность 0,8 мс, максимальный ток 212,97 А. Расчет на основе этих данных по ний составляла 0,05 с, т.е. была рав- менты начала КЗ при наибольшей формуле (6) дает значение сопро- на 2,5 периодам частоты 50 Гц. При производной по току наблюдались тивления связи: Zт = 5,1•10-4 мОм/м. этих испытаниях КЗ специально на- импульсы наведенного напряже- Для сравнения отметим, что расчет- чиналось и прерывалось 5 раз, что ния с максимальным значением 12 ное значение этого параметра для позволяло в одной экспозиции пять мВ и длительностью не более 1 мс, нескрученной линии составляет раз наблюдать начало КЗ. что соответствует частотам поряд- Zт = 628•10-4 мОм/м, т.е. скрутка жил На рис. 3 показан режим кратко- ка 1000 Гц. Изменения тока и наве- в пары в испытуемом образце при- временного КЗ продолжительно- денного напряжения происходи- вела к ослаблению наведенного на- стью 0,8 мс, составляющей 1/25 ли с противоположными знаками, пряжения в 123 раза или на 41,8 дБ. часть периода частоты 50 Гц, кото- т.е. согласно формуле (2). Структура На рис. 3–5 показаны осциллограм- рый может происходить при из- наведенного напряжения включала мы токов в силовой цепи и наве- менении переходного сопротив- и низкочастотные составляющие, денных напряжений в скрученных ления в зоне контакта жил (на ос- вплоть до 50 Гц, но их уровень не парах гибридного кабеля длиной циллограмме это повторено 5 раз), превышал 2 мВ. При указанной про- 73 м при разных режимах КЗ. Об- что характерно для наиболее ве- должительности КЗ максимальное щая длительность режима испыта- роятного дугового КЗ [9,10]. В мо- значение тока составило 212,97 А. п р о м ы ш л е н н ы й э л е к т р о о б о г р е в и э л е к т р о о то п л е н и е , № 3 / 2 0 1 4 37
промышленный элек трообогрев На рис. 4 также показан режим кра- чение тока от нуля до максимально- удельного наведенного напряже- тковременного КЗ, аналогичный го значения 721,7 А происходило за ние в кратковременных режимах по представленному на рис. 3, но про- 5 мс (1/4 часть периода). Как и в пре- рис. 3–4 немного больше (не более должительностью около 2 мс (1/10 дыдущих режимах в моменты начала 26,6 %), чем в наиболее длительном часть периода). При этом максималь- КЗ наблюдались импульсы наведен- режиме по рис. 5, что объясняется ное значение тока составило 560,06 А, ного напряжения с максимальным более быстрыми изменениями тока, а максимальное значение наведен- значением 32,169 мВ и низкочастот- т.е. большими значениями произво- ного напряжения - 31,225 мВ. ные составляющие со значениями не дной по току и хорошо согласуется На рис. 5 показан режим, близкий к так более 10 мВ. с формулой (2). Вместе с тем умень- называемому «металлическому КЗ», со Полученные данные показывают, что шение продолжительности КЗ огра- стабильным переходным сопротивле- уровень наведенного напряжения ничивает значения токов и, тем са- нием контакта между жилами, значе- увеличивается с увеличением тока, мым, ограничивает увеличение Zт, ния которого стандартизованы и со- но не прямо пропорционально как что подтверждается полученными ставляют 0,012–0,085 мОм в зависи- при гармонических колебаниях. Рас- данными. Так, уменьшение продол- мости от сечения жил. В этом режи- четные значения Zт по соотношению жительности КЗ с 5 мс до 2 мс приво- ме достигаются наибольшие токи и максимальных наведенных напряже- дит к увеличению Zт а 25,2%, а с 2 мс его принимают за основу при про- ний и токов для режимов по рис. 3–5 до 0,8 мс только на 1,1%. ектировании защитных устройств и составляют соответственно: Поскольку невозможно предвидеть расчетах токов КЗ в различных цепях 7,72•10-4 мОм/м; 7,64•10-4 мОм/м и конкретный режим КЗ, то на основе [9,10]. В нашем эксперименте увели- 6,10•10-4 мОм/м. Поэтому уровни полученных данных для оценочных Рис. 4 Режим нестабильного КЗ, продолжительность 2 мс, максимальный ток 560,06 А. Рис. 5 Режим металлического КЗ 38 п р о м ы ш л е н н ы й э л е к т р о о б о г р е в и э л е к т р о о то п л е н и е , № 3 / 2 0 1 4
промышленный элек трообогрев расчетов наведенного напряжения все жилы силовой цепи были скру- ловыми кабелями разных сечений и при всех режимах КЗ можно при- чены с одним шагом, то рассмотрен- в гибридных кабелях. Результаты рас- нять приближенное значение Zт = ная цепь была эквивалентна одиноч- четов при прокладке на длине 100 м 1•10-3 мОм/м. Следует отметить, что ному проводнику с током, проло- с учетом изменения межосевых рас- данное значение Zт, как и указанное женным параллельно нескрученной стояний между цепями при измене- выше для режима гармонических ко- двухпроводной линии, т.е. реализо- нии сечения жил силовой цепи пред- лебаний, относится к рассмотренно- вывался случай наименьшей защи- ставлены в таблице 1. му выше образцу гибридного кабеля, щенности. Данные 4-й колонки представляют но может быть пересчитано для кабе- На рис. 6 показаны осциллограм- максимальный уровень наводок, ко- лей других размеров. мы тока и наведенного напряжения торый возможен в проводах и кабе- С целью определения наименьше- в паре жил силовой цепи. Качествен- лях с параллельно уложенными жи- го уровня защищенности от наводок но картина совпадает с данными, по- лами, например, в телефонных рас- было проведено следующее специ- казанными на рис. 5. Максимальное пределительных проводах марок альное испытание. По одной из жил значение тока составило 808,6 А, а ТРП и ТРВ, в огнестойких кабелях для силовой цепи пропускался ток, как и максимальное наведенное напряже- пожарной сигнализации КШСнг(А)- выше в режиме металлического КЗ, ние достигло уровня 9,097 В и значе- FRLS и др. а обратным проводом была зазем- ние сопротивления связи составило В телефонных кабелях ТПП; LAN – ка- ляющая цепь, отстоящая от нагру- Zт = 1,54•10-1 мОм/м, т.е. в 154 раз белях (UTP, STP) и современных мон- женной жилы на расстояние более больше, чем в скрученных парах при тажных кабелях для промышленной 1 м. Такой режим называют однофаз- аналогичном режиме изменения автоматики марок КуПе-ИЭ; КуПе-ОЭ, ным КЗ, который нередко происхо- тока по рис. 5. а также в кабелях для цепей управ- Рис. 6 Режим однофазного КЗ и наведенное напряжение в паре жил силовой цепи. дит в реальности, при пробоях фазы Рекомендации по результатам ис- ления и контроля марок КУППнг(А)- на заземленный корпус оборудова- следования FRHF; КУППмнг(А)-HF и КУППмнг(А)- ния. Особенность режима в том, что Для наиболее широко применяемых FRHF, разработанных в 2012 г. и со- при близком расположении прямо- силовых кабелей с пластмассовой стоящих из скрученных пар, наведен- го и обратного проводов магнитные изоляцией стандартизированы допу- ное напряжение будет минимальным поля от их токов частично компенси- стимые токовые нагрузки и допусти- и близким к значениям, указанным руются и суммарное поле получает- мые значения токов односекундно- в колонке 3 таблицы 1. ся меньше, чем поле одного прово- го КЗ, установленные по допустимой Наведенные напряжения в кабе- да. В нашем же эксперименте созда- температуре нагрева кабеля [11]. лях с пучковой и повивной скруткой вался режим наибольшего влияния. На основе этих данных, по получен- жил, например, в отечественных ка- Контур, подверженный влиянию, был ным значениям сопротивления свя- белях управления КГВВ; КУПВ, в гиб- образован двумя соседними жилами зи Zт, можно рассчитать возможный ких кабелях управления HELUCABLE той же силовой цепи с закороткой уровень наведенного напряжения и др. будут составлять промежуточ- с одной стороны и подключением к в скрученной и в нескрученной па- ные значения между указанными ми- осциллографу с другой. Поскольку рах при совместной прокладке с си- нимальными и максимальными. 40 п р о м ы ш л е н н ы й э л е к т р о о б о г р е в и э л е к т р о о то п л е н и е , № 3 / 2 0 1 4
промышленный элек трообогрев Таблица 1 Наведенное напряжение Номинальное сечение жил Допустимые токовые нагрузки Наведенное напряжение в в нескрученной паре при силового кабеля, мм2 / Допустимые токи при скрученной паре при допустимой допустимой токовой нагрузке / односекундном КЗ, кА токовой нагрузке / при КЗ, мВ при КЗ, мВ 1 2 3 4 1,5 0,021 / 0,17 1,35 / 21,54 410 / 3 317 2,5 0,027 / 0,27 1,6 / 31,32 482 / 4 823 4 0,036 / 0,43 1,83 / 43,00 554 / 6 622 6 0,046 / 0,65 2,11 / 58,5 637 / 9 009 10 0,063 / 1,09 2,38 / 80,66 718 / 12 422 16 0,084 / 1,74 2,52 / 102,66 763 / 15 810 25 0,112 / 2,78 2,80 / 136,22 845 / 20 980 35 0,137 / 3,86 3,14 / 174 949 / 26 749 50 0,167 / 5,23 3,24 / 198,74 977 / 30 606 Данные таблицы 1 удобны для срав- шению наведенного напряжения. режимах КЗ. Установлено, что при нения конструкций кабелей в отно- Как показывают результаты расче- КЗ уровни наведенного напряжения шении наведенного напряжения. тов, представленные в таблице 1, могут в десятки раз превышать Вместе с тем стандарт [11] допу- при увеличении сечений с 1,5 мм2 уровни в рабочих режимах. скает пересчет значений допусти- до 50 мм2 допустимый ток КЗ увели- Подтверждено, что парная скрут- мых токов односекундного КЗ для чивается в 31 раз, а наведенные на- ка жил слаботочной цепи приво- других продолжительностей, пу- пряжения в скрученной и нескру- дит к значительной (более 100 раз) тем умножения указанных значе- ченной парах увеличиваются в 9,2 компенсации наведенного напряже- ний на коэффициент, рассчитанный раза. ния по сравнению с нескрученной по следующей формуле: k = 1/ , В слаботочном кабеле увеличе- парой . где τ – продолжительность КЗ, с. Кро- ние сечений жил приводит к уве- ме этого, реальные токи КЗ опре- личению межосевого расстояния Литература: деляют на основе электрическо- и согласно (2) и (3) к увеличению го расчета по стандартным методи- наведенного напряжения. Все это 1. Руководство по устройству электро- кам, исходя из мощности и напря- следует учитывать при выборе ка- установок MKR-CAT – ELGUIDE-09 12/2009; жения источника, а также актив- белей и условий их прокладки. www.schneider-elektric.ru. ных и реактивных сопротивлений Полученные результаты позволя- 2. ГОСТ Р 51317.6.5-2006. Совместимость технических средств электромагнитная. всех элементов цепи и поэтому при ют при решении конкретных задач 3. Силовая и слаботочная проводка. Кру- мощных источниках могут значи- количественно ориентироваться глый стол профессионалов. Журнал се- тельно превышать значения токов в уровне возможных наведенных тевых решений/LAN, № 5, 2008. КЗ, полученных на основе теплово- напряжений, выбирать конструк- 4. Миколаенко В. «Электромагнитная го расчета [9,10]. В наших экспери- ции кабелей и определять допусти- совместимость кабельных систем». ITPartner № 2, 2010. ментах токи в силовой цепи с сече- мость совместной прокладки сило- 5. Гибридный кабель. http://www.icsgroup.ru. нием жил 4 мм2 в течение 5 мс дости- вых и слаботочных цепей. 6. ПУЭ – 7-е изд. М.: Энергоатомиздат, гали 808,6 А и почти вдвое превыша- 2000 г. п. 2.1.16. Выводы: ли допустимое значении 430 А при 7. Дональд Р.Ж. Уайт. Электромагнитная Полученные результаты работы односекундном КЗ. Поэтому в кон- совместимость и непреднамеренные по- позволяют проводить расчеты на- мехи. Выпуск 2. – М: Советское Радио, 1978. кретных случаях значения наведен- веденного напряжения в слаботоч- 8. ГОСТ Р 54429-2011. Кабели связи симме- ного напряжения при КЗ могут, по тричные для цифровых систем переда- ных цепях разных конструкций от крайней мере, в 2 раза превышать чи. ОТУ. токов силовой цепи в гибридных и значения, указанные в таблице 1 9. РД 153-34.0-20.527-98. Руководящие комбинированных кабелях, а также указания по расчету токов коротко- при сохранении соотношений для при совместной прокладке указан- го замыкания. М.: «Издательство НЦ скрученных и нескрученных пар. ЭНАС». 2002. ных цепей при различных изменени- Следует отметить, что увеличение 10. ГОСТ 28249-93. Короткое замыкание ях токов в силовой цепи. сечений жил силовой цепи приво- в электроустановках. Методика рас- Показана возможность точных чета. дит к увеличению межосевых рас- расчетов наведенного напряжения 11. ГОСТ Р 31996-2012 Кабели силовые стояний между цепями (особенно при рабочих режимах силовой цепи с пластмассовой изоляцией на номи- при многопроволочных жилах кру- нальное напряжение 0,66; 1,0 и 3,0 кВ. ОТУ. и оценочных расчетов в различных глой формы) и, тем самым, к умень- п р о м ы ш л е н н ы й э л е к т р о о б о г р е в и э л е к т р о о то п л е н и е , № 3 / 2 0 1 4 41
Вы также можете почитать