Как избавиться от помех в электросети?
Существует два наиболее распространенных вида помех в электросетях: импульсные и высокочастотные. Импульсные помехи бывают техногенного и природного характера.
Каковы причины возникновения помех в электрической сети?
Причиной возникновения сетевых искажений являются: природные явления (гроза, ионизация воздуха сияниями и т. п.); техногенные влияния (аварии на линиях, коммутация мощных устройств и т.
Что такое высокочастотные помехи?
В отличие от импульсных, высокочастотные помехи постоянно присутствуют в сети, и полностью нейтрализовать их невозможно. При этом они передаются не только по проводам, но и по эфиру. Импульсные и высокочастотные помехи отличаются друг от друга по времени воздействия и частоте.
Что такое сетевые помехи?
Под сетевыми помехами в подавляющем большинстве случаев понимаются паразитные высокочастотные составляющие сетевого напряжения, которые на экране осциллографа представляют собой «зазубрины» и «иголки» на 50-ти герцовой синусоиде (иголки – это те же зазубрины, но более высокого спектра).
2.2 Причины высокочастотных помех
Откуда возникают высокочастотные помехи в установке, которая, собственно говоря, работает только с постоянным напряжением или с переменным напряжением сети? На Рис. 8 показаны частотные спектры различных форм сигнала. Каждый не синусоидальный сигнал содержит, кроме своей основной частоты, еще и кратные производные основной частоты, так называемые гармоники. В общих чертах, чем быстрее изменяется амплитуда сигнала, тем выше высокочастотные гармоники этого сигнала.
Рис. 8. Формы сигнала [1] и компоненты спектра сигнала [2], разделенные на основную волну A и высшие гармоники B
Это обозначает, что, например, при каждом процессе коммутации возникают высокочастотные сигналы, которые могут стать причиной помех.
Практика приводной техники – Электромагнитная совместимость (ЭМС) в приводной технике
2.3 Источники помех и их воздействие
В этом разделе рассматриваются различные виды источников помех и поясняется на примерах механизм помех и их воздействие. В следующей таблице перечислены различные источники помех.
Табл. 1. Источники помех
Технические источники помех
установки для дуговой сварки
(компьютеры и т. п.)
Дальнейшее подразделение происходит по ширине полосы частот (узкополосные или широкополосные) и характеристикам помехи, и зависит от предъявляемых к обзору требований.
Двигатель постоянного тока
10 кГц 100 кГц 1 МГц 10 МГц 100 МГц 1 ГГц 10 ГГц
На приведенном выше графике показаны диапазоны частот, в которых активны различные источники помех.
Практика приводной техники – Электромагнитная совместимость (ЭМС) в приводной технике
Рис. 9 показывает, на каких расстояниях действуют связанные с линией и
излучаемые помехи на разных частотах:
В зоне [1] сигналы помех передаются главным образом через соединительный
кабель. Источник и получатель помехи соединены между собой проводами по
которым помеха передается. В зоне [2] сигнал помехи дополнительно излучается
источником помехи и может передаваться получателю помехи через
соединительные провода или через корпус. Прямого соединения между
источником и получателем помехи здесь не требуется.
Рис. 9. Зоны помехи, связанной с линией [1], и излученной помехи [2] в зависимости от
частоты помехи f и расстояния l (l = длина линии, размер преобразователя,
ширина шлица и т. д.)
Практика приводной техники – Электромагнитная совместимость (ЭМС) в приводной технике
Спектр частот: преимущественно в НЧ<диапазоне
Рис. 10. Сетевой выпрямитель с конденсатором
На Рис. 10 показаны характеристики сетевого выпрямителя с последовательно подключенным конденсатором. Так как конденсатор заряжается в те проме< жутки времени, когда напряжение сети выше, чем напряжение на конденсаторе, ток в подводящей линии имеет форму коротких высоких несинусоидальных пиков подзарядки. Они вызывают на полном сопротивлении сети Z падение напряжения. Оно становится ощутимым для других потребителей как искажение напряжения U N . Напряжение перестает быть синусоидальным, т. е. оно содержит высшие волны, так называемые сетевые гармоники.
Присутствие гармоник в токе или напряжении характеризуется суммарным коэффициентом гармоник THD:
= t otal h armonic d istortion (суммарный коэффициент гармоник)
= основная гармоника от тока или напряжения
= n<я гармоника от тока или напряжения
О сетевых гармониках говорят при сетевых искажениях до частоты в 2,5 кГц. Речь идет о помехах в НЧ<диапазоне.
Чем быстрее происходит изменение тока или напряжения, тем больше в сигнале высших гармоник. Большое содержание высших гармоник может привести к пиковым нагрузкам и просадке напряжения в сети, которые сильно отличаются от нормальных значений. Возникающие пики напряжения имеют из<за своей относительно долгой продолжительности до нескольких мс высокое содержание энергии и в экстремальных случаях могут привести к разрушению подключенных приборов. Сетевые гармоники могут возникать постоянно или случайным образом.
Практика приводной техники – Электромагнитная совместимость (ЭМС) в приводной технике
Компенсирующие Гармонические колебания могут вызывать в сети резонансные контуры, которые устройства в критических случаях приводят к значительным перенапряжениям.
Параллельный резонансный контур может образовываться, например, из конденсаторов компенсирующего устройства и основной катушки индуктивности питающего трансформатора. Если частота одной из гармоник близка к резонансной частоте, то при процессе коммутации (обычно при отключении конденсаторов при слабой нагрузке) на напряжение сети может быть наложено опасное колебание напряжения.
Для предотвращения опасности сетевого резонанса изготовители компенси< рующих устройств рекомендуют компенсирующие устройства с дросселем, начиная с составляющей мощности преобразователя примерно 20 – 25 % от общей потребляемой мощности.
Иллюстрация резонансной помехи в сети, вызванной гармониками:
Сеть с частотой 50 Гц была возбуждена 11<й гармоникой (= 550 Гц) вследствие процесса коммутации.
Резонансная частота f Рез составляет для фазы L1 583 Гц и для фазы L2 592 Гц.
Рис. 11. Иллюстрация резонансной помехи в сети
• Устройства плавного запуска, преобразователи частоты, сервопреобразова< тели, регуляторы частоты вращения
• Люминесцентные лампы (в том числе компенсированные)
• Насыщенные магнитные цепи (например, трансформатор и дроссель в насы< щении)
• Бытовые приборы, такие как радио, телевизор, компьютер
Практика приводной техники – Электромагнитная совместимость (ЭМС) в приводной технике
Импульсные и высокочастотные помехи
Сетевые фильтры, прежде всего, решают задачу защиты от импульсных и высокочастотных помех. Эти помехи образуются в электрической сети при включениях и выключениях электрических приборов и устройств. Таким образом, высокочастотные помехи в сети присутствуют всегда. Еще более опасны (они способны вызвать возгорание) импульсные помехи. Величина импульсных помех может достигать нескольких тысяч вольт. Длятся они доли секунды, однако этого времени достаточно, чтобы сжечь всю технику. Помехи вызывают сбои в работе и зависания компьютеров. Все данные на компьютерах, естественно, пропадают. Очень неприятно, когда результат долгой и кропотливой работы уничтожен, а причиной этого являются простые высокочастотные помехи, импульсные помехи. Но еще более неприятно, если вдруг дорогостоящий электроприбор пострадает вследствие больших перегрузок электросети, вызывающих высоковольтные импульсные помехи. Для защиты от этих помех и предназначены сетевые фильтры, фильтр импульсных помех.
Высокочастотные помехи
Сетевые фильтры, обеспечивают сохранность вашей техники. Они включают в себя фильтр высокочастотных помех, защищающий электроприборы от различных сбоев в работе. А также в них есть и фильтр импульсных помех (защита от импульсных помех): таким образом, решаются сразу две проблемы.
Классические сетевые фильтры состоят из блока защиты, содержащего варисторы, а их вторая составляющая — емкостной или индуктивно-емкостной фильтр. Конденсатор совместно с катушкой индуктивности — это фильтр высокочастотных помех. А варисторы создают самый надежный из всех существующих на сегодняшний день фильтр импульсных помех.
Варисторы (полупроводниковое сопротивление) играют роль «ножниц», которые «обрезают» высокочастотные помехи, напряжение на уровне 800-1200 вольт и тем самым сохраняют технику, подключенную в розетки фильтра. Их целью является защита от импульсных помех. Когда импульс очень мощный, варисторы могут разрушиться, но техника не пострадает. Импульсные помехи не будут представлять угрозу для ваших электроприборов, если те подключены в сеть через сетевой фильтр.
Емкостной или индуктивно-емкостной фильтр, состоящий из конденсатора (емкостной фильтр) или конденсатора и катушки индуктивности (индуктивно-емкостной фильтр) защищают от высокочастотных помех, уменьшая их вредное воздействие. Степень уменьшения зависит от величины емкости конденсатора и индуктивности катушки.
Фильтр импульсных и высокочастотных помех
Таким образом, высокочастотные помехи, импульсные помехи могут стать причиной поломки техники или даже возгорания, поэтому относительно простое и дешевое устройство защиты, фильтр высокочастотных помех, является необходимым дополнением любого электронного устройства – будь то компьютерная или офисная техника, телевизоры, проигрыватели и т. п. Чтобы была обеспечена защита от импульсных помех и высокочастотных помех — подключайте технику только через сетевые фильтры.
Сетевые фильтры разных производителей отличаются, часто достаточно серьезно. Об отличительных особенностях фильтров Vektor, лучшей защите от высокочастотных помех, читайте в статье «Преимущества наших фильтров».
По всем вопросам обращайтесь к нам по телефону, а также смотрите продукцию в каталоге.
Какие бывают помехи в электросети и как от них защититься?
Вероятно, каждый читатель этой статьи обратил внимание на то, что большинство электрических приборов, работающих от бытовой сети, рассчитаны на напряжение 220 В/50 Гц. Отсюда вывод – именно такие параметры обеспечивает нам поставщик электроэнергии. К сожалению, это не совсем так. Мы можем предположить, что водопроводная вода совершенно чистая, однако опыт подсказывает, что в ней присутствуют примеси, ухудшающие вкус. Такие же «примеси», в виде дополнительных частот и импульсов, поступают к потребителю электроэнергии. Это и есть помехи в электросети.
Классификация помех
Все сетевые отклонения можно классифицировать по двум признакам: происхождению шумов и виду электромагнитной аномалии.
Причиной возникновения сетевых искажений являются:
- природные явления (гроза, ионизация воздуха сияниями и т.п.);
- техногенные влияния (аварии на линиях, коммутация мощных устройств и т. д.);
- электромагнитные волны природного и техногенного происхождения.
Перечисленные причины могут вызвать серию импульсных помех или волны гармонических искажений, наложенные поверх синусоидального тока.
Наличие импульсных токов в сети очень вредно сказывается на работе современных бытовых приборов, часто насыщенных электроникой. Если не применять приборы защиты, электронные устройства могут выйти из строя, не говоря уже о качестве их работы. Разумеется, чувствительное оборудование разработчики защищают внедрёнными схемами подавления помех, но нередко требуются дополнительные внешние приборы, например, бесперебойные источники питания, сетевые фильтры (рис. 1) и другие.
Рис. 1. Защитные импульсные фильтры
При радиочастотных помехах большинство бытовых приборов могут нормально работать. Но к ним чувствительны радиоприёмники, телевизоры и некоторые медицинские приборы. Впрочем, современная цифровая радиоэлектроника довольно хорошо защищена от таких искажений.
Понимание причин искажений в электрической сети помогает решать проблемы защиты оборудования, осознанно подходить к выбору оптимальных схем подавления шумов.
Источники помех
Искажать синусоиду переменного тока способны как природные явления, так и различные техногенное оборудование. В результате их действия происходят:
-
;
- отклонения от номинальных частотных параметров;
- изменения гармоники электричества;
- колебания амплитуды тока;
- ВЧ шумы;
- импульсные всплески;
- синфазные помехи.
Остановимся вкратце на основных источниках, вызывающих перечисленные отклонения.
Провалы напряжения.
Данное явление является следствием работы коммутационных устройств в энергосистемах. Это случается при возникновении КЗ на линиях, в результате запусков мощных электромоторов и в других случаях, связанных с изменениями мощности нагрузки. Наличие таких кратковременных помех является неизбежностью при срабатывании защитной автоматики, и они не могут быть устранены поставщиком электроэнергии.
Изменения частотных характеристик.
Отклонение от заданной частоты происходит в результате значительного изменения тока нагрузки. В случае если уровень потребляемой энергии превосходит мощность генерируемых установок, происходит замедление вращения генератора, что ведёт к падению частоты. При заниженной нагрузке возрастает частота генерации.
Автоматика регулирует распределение мощностей, вплоть до отключения нагрузок, однако частотные помехи в сети всё-таки присутствуют.
Гармоники.
Источником данного вида искажений является наличие в сетях оборудования с нелинейной вольтамперной характеристикой:
- преобразовательные и выпрямительные подстанции;
- дуговые печи;
- трансформаторы;
- сварочные аппараты;
- телевизоры;
- циклоконвертеры и многие другие.
Причиной гармонических искажений могут быть электродвигатели, особенно если они установлены в конце длинной линии.
Отклонение напряжения
Изменения стабильности потенциала происходит в результате периодических скачков потребляемого максимального тока. Источником изменения нагрузок являются устройства, регулирующие напряжение, например, трансформаторы с РПН.
График, иллюстрирующий кратковременное перенапряжение показан на рисунке 2 (Фрагмент А – изображает импульсный всплеск).
Рис. 2. Перенапряжение в сети
ВЧ помехи.
Создаются влиянием устройств работающих, в высокочастотном диапазоне. ВЧ помехи, вызванные действием приборов, генерирующих сигналы с высоким диапазоном частот, распространяются эфирно или через линии сети.
Импульсы напряжения.
Распространённые источники: коммутационные приборы в сетях и грозовые явления.
Несимметрия трехфазной системы.
Причиной таких помех часто являются мощные однофазные нагрузки как бытовые, так и промышленные. Они вызывают сдвиги углов между фазами и амплитудные несоответствия. Путём отключения питания мощных токопотребляющих устройств можно устранить проблему.
Способы защиты
К сожалению, мы не можем управлять качеством электросети, но защитить бытовую технику вполне реально. В зависимости от того к каким искажениям чувствителен конкретный электрический прибор, выбирают соответствующий способ защиты. Снизить уровни помех помогают различные внешние устройства, встроенные электрические схемы, а также экранирование элементов конструкций и заземления.
Пример подавления помех показан на рисунке 3.
Рис. 3. График, иллюстрирующий фильтрацию тока
Эффективными являются следующие внешние устройства:
- стабилизаторы напряжения;
- ИПБ;
- преобразователи частоты;
- регулируемые трансформаторы;
- сетевые фильтры и фильтрующие каскады (принципиальная схема простого фильтра изображена на рисунке 4).
Особую трудность вызывает подавление высокочастотных импульсных искажений в диапазоне нескольких десятков МГц. Часто для этих целей используют защиту, применяемую непосредственно к источнику помехи.
Использование стабилизаторов напряжений оправдано в случаях наличия регулярных провалов напряжений в домашней сети. При стабильно заниженном или завышенном токе лучше пользоваться трансформатором.
Высоким уровнем защиты компьютеров и другой чувствительной электроники обладают бесперебойники. На рисунке 5 показано фото источника бесперебойного питания для защиты компьютера.
Рисунок 5. ИБП
В этих устройствах реализовано несколько защитных функций, но главная из них – снабжение питанием приборов в течение нескольких минут, с последующим корректным их отключением. С целью достижения максимального уровня защиты логично отдать предпочтение бесперебойному блоку питания.
Методы измерения
Можно ли увидеть сетевые искажения?
С помощью приборов можно не только увидеть наличие помех, но и оценить их величину и определить природу появления. Существуют специальные высокоточные приборы для измерения различных отклонений в сетях. Наиболее распространённым из них является обычный осциллограф.
У прибора имеется дисплей (экран), на котором отображается осциллограмма измеряемого тока. Оперируя различными режимами осциллографа можно с высокой точностью определять характер и уровень шумов.
Пример осциллограммы показан на рисунке 6.
Рисунок 6. Осциллограмма сетевого тока
На осциллограмме видно как основной сигнал окружают паразитные токи, которые необходимо отсекать. Анализируя характер искажений можно выбрать способ их подавления. Часто бывает достаточно применить сетевой фильтр для того, чтобы избавиться от типичных помех, влияющих на работу устройств.
Типовые часто задаваемые вопросы от читателей
Как найти и устранить источник помех в электрической цепи, приводящий к невозможности использовать powerline?
Чтобы вычислить причину плохого сигнала, вам необходимо проанализировать работу powerline адаптера в другой линии или проверить уже подключенные устройства. Для начала проверьте уровень сигнала в сети роутера, возможно ресурсов вашего маршрутизатора недостаточно для перераспределения сети интернет между таким количеством пользователей. Если предоставляемого лимита достаточно для всех комнат и приемников в них, проверьте работу линий, по которым осуществляется передача данных powerline адаптерами.
Следующий вопрос – тип линии, к которой подключен powerline адаптер. Производитель не рекомендует использовать для этого удлинители, отдавая предпочтение стационарной проводке. Но, для проверки существующих линий рекомендую вам временно использовать удлинитель, если сигнал улучшиться, вполне вероятно, что причина в проводке. Если нет, проверьте бытовое электрооборудование, выступающее наиболее мощным источником электромагнитных помех.
К таковым относятся: кондиционеры, стиральные машины, холодильники, зарядные устройства для мобильных телефонов, блоки питания электроприборов.
По возможности powerline адаптер следует перенести как можно дальше от таких приборов, дабы они не вносили свои коррективы в качество передаваемого сигнала. Если такой возможности нет, подключите источники помех к электрической цепи через «сетевой фильтр», который поможет снизить вносимые искажения.
Еще один момент, на который следует обратить внимание – допустимое расстояние между powerline адаптерами. Оно де должно превышать установленную норму, иначе никакие ухищрения не помогут вам добиться должного качества сигнала.