Классификация источников помех

В отдельных случаях  опасность может представлять воздействие  импульсных электрических и магнитных  полей непосредственно на аппаратуру (сценарий 5 раздела 2). Опасность также  может представлять протекание токов  помех по металлическим частям аппаратуры и экранам (сценарий 4 раздела 2).

МЭК и другие организации  произвели изучение молниевого разряда  и приняли следующие параметры  импульса, имитирующего грозовую помеху:

- ширина переднего  фронта импульса - 1.2 мкс,

- общая ширина  импульса - 50 мкс,

- амплитуда - до 6 кВ,

- внутреннее сопротивление  источника очень мало (обычно 2 Ом).

Таким образом, энергия  импульса очень велика (сотни Дж!).

Благодаря высокой  энергии и значительному напряжению импульса, его воздействие на аппаратуру часто оказывается разрушительным (критерий D). Поскольку частоты не очень велики, помехи редко проникают  вглубь аппаратуры. Обычно выводятся  из строя интерфейсные элементы и  блоки питания. Изредка, в случае пробоя защитных элементов или возникновения  перекрытия на внутренние цепи, импульс  проникает в основные узлы аппаратуры, что приводит к практически полному  разрушению последней.

В настоящее время  имеются российские и международные  стандарты, позволяющие провести испытания  аппаратуры на устойчивость к воздействию  молниевых помех в цепях питания  и обмена информацией, а также  к импульсному магнитному полю. При чтении стандартов необходимо учитывать, что устоявшимися наименованиями молниевых помех являются: в русскоязычной литературе - микросекундные импульсные помехи (МИП), в англоязычной - Surge.

3.4 Помехи  от коммутационных операций высоковольтного  оборудования

Высокочастотные помехи и электромагнитные поля, возникающие  при коммутационных операциях высоковольтного  оборудования, имеют частотный спектр от единиц до десятков мегагерц. Примерный  вид такой помехи показан на рис. 13. 

 

Рисунок 13. Коммутационная помеха в информационных цепях

Причинами возникновения  импульсных помех на электрических  станциях и подстанциях чаще всего  являются коммутации основного оборудования выключателями и разъединителями. При работе коммутационного аппарата возникает электрический разряд в промежутке между контактами. При  этом в коммутируемом участке  системы шин развивается высокочастотный  переходный процесс, сопровождаемый повторными пробоями воздушного промежутка. Появляющееся при этом импульсное электромагнитное поле наводит ЭДС в кабелях, проложенных  рядом с местом коммутации, а также  антенных цепях радиоаппаратуры. Коммутации выключателями менее опасны, чем  разъединителями, поскольку выключатель  имеет дугогасящую систему, которая  не позволяет электрической дуге между контактами гореть слишком  долго. При коммутациях разъединителями  многократный пробой промежутка и горение  дуги может продолжаться более 10 секунд. Многократность пробоя обеспечивается изменением полярности питающего напряжения. В этом случае возникает целая  серия затухающих колебательных  помех (типа показанных на рис. 13), следующих  друг за другом через 5 - 15 мс.

Спектр частот помех  существенно зависит от протяженности  коммутируемых участков шин. Частота  бывает тем выше, чем меньше протяженность (и, следовательно, эквивалентная емкость  и индуктивность) коммутируемого участка. В то же время, при коммутации значительных участков шин время горения дуги и, соответственно, длительность пачки  импульсов будет выше. Так, например, в случае коммутации короткого участка  ошиновки длиной несколько метров спектр частот достигает нескольких десятков мегагерц. В случае же коммутации длинного участка (например, обходной системы  шин) основная часть спектра помехи будет лежать в диапазоне сотен  килогерц - единиц мегагерц.

Особняком стоят  коммутационные помехи на элегазовых подстанциях. Поскольку применение элегаза в качестве изолятора уменьшает линейные размеры основных силовых элементов в несколько раз, соответственно возрастают и частоты помех. Они могут достигать сотен МГц и более.

Коммутационные  помехи представляют значительную опасность  для любой электронной аппаратуры, размещаемой на энергопредприятиях и предприятиях с высоким энергопотреблением, имеющих собственные подстанции. Основной сценарий воздействия на аппаратуру - создание кондуктивных помех в цепях передачи информации, питания, а также антенных цепях (сценарии 1-3 раздела 2). Иногда опасность также может представлять протекание токов помех по металлическим частям аппаратуры и экранам (сценарий 4 раздела 2).

Вследствие значительного  разброса частотных характеристик  могут проявляться различные  механизмы воздействия таких  помех на аппаратуру - от физического  повреждения интерфейсных элементов  до искажения сигналов во внутренних цепях аппаратуры. Возможны нарушения  функционирования аппаратуры любой  степени тяжести - критерии В, С, D.

При наличии высокочастотных  коммутационных помех (обычно при коммутации коротких участков ошиновки длиной до 5 м или на элегазовых энергообъектах) опасность представляет также непосредственное воздействие полей на аппаратуру (сценарий 5 раздела 2).

Нужно учитывать, что  энергия коммутационных помех обычно меньше чем молниевых. Поэтому в  реальности в большинстве случаев  аппаратура, успешно выдерживающая  воздействие молниевых импульсов (микросекундных импульсных помех) выдерживает  и воздействие коммутационных помех  с частотами не выше нескольких десятков МГц. Тем не менее, существуют стандарты, предусматривающие испытания аппаратуры на устойчивость к воздействию коммутационных помех.

3.5 Помехи  при коммутациях малой реактивной  нагрузки

Коммутационные  помехи возникают не только при коммутационных операциях на высоковольтных электроустановках. В принципе все, что необходимо для  появления коммутационных помех - это  быстрое включение или выключение реактивной нагрузки.

Например, при включении  емкостной нагрузки типа люминесцентной лампы, к цепи быстро подключается колебательный  контур. Если подключение происходит вблизи пика напряжения сети питания, то возникает затухающий колебательный  процесс с максимальным значением  напряжения примерно равным удвоенной  величине напряжения питания; частота  обычно лежит в диапазоне 5 - 10 кГц.

Отключение индуктивной  нагрузки также производит переходные помехи. Напомним, что напряжение на индуктивности определяется формулой:

Здесь V –напряжение  на зажимах контура (В), L - индуктивность  нагрузки (Гн), dI/dt - скорость изменения тока (А/с).

Когда скорость изменения  тока велика, создается очень высокое  напряжение. Теоретически, если ток  уменьшается от конечного значения до нуля мгновенно, абсолютная величина напряжения оказывается бесконечно большой. В реальности же происходит дуговой пробой, ток которого уменьшает  величину напряжения. Также играет роль паразитная емкость, позволяющая  протекать току утечки.

Многократный пробой контакта приводит к появлению вместо одного пика множества переходных процессов  с резкими скачками напряжения. Рассмотрим цепь на рисунке 14. Если пробоя не происходит (весь ток является током утечки через паразитную емкость), то пиковое  значение напряжения Vc определяется формулой:

Здесь Vc - напряжение, создаваемое на размыкающемся контакте, Io - ток, протекавший в контуре (А), L - индуктивность нагрузки (Гн), C - паразитная емкость контура (Ф).

Если происходит пробой контакта, что определяется приложенным к контакту напряжением  и величиной воздушного промежутка, то появляется резкий всплеск (burst) тока (см. рис. 15).

Отметим, что этот эффект (появление высокого напряжения при коммутации индуктивной нагрузки, вызывающего пробой воздушного промежутка) используется в системах зажигания  двигателей внутреннего сгорания. Поэтому  работа таких двигателей также сопровождается генерацией помех.

Часто заметные импульсные помехи возникают при работе электромеханических  устройств типа реле. Это особенно опасно там, где современную цифровую аппаратуру устанавливают рядом  с устаревшими электромеханическими системами защиты и автоматики.

Еще одним важным источником коммутационных помех является работа щеточных электродвигателей. Поскольку  с помощью щеток происходит многократное включение-выключение обмоток такого двигателя, имеет место типичный случай коммутации индуктивной нагрузки.

Рисунок 14. Генерация  переходных помех на индуктивной  нагрузке.

Рисунок 15. Многократный пробой контакта при отключении.

Обычно коммутационные помехи в цепях низкого напряжения представляют собой пачки импульсов, причем длительность фронта импульсов - несколько наносекунд. Хотя амплитуда  импульсов (по напряжению) может достигать  нескольких киловольт, их энергия, как  правило, невелика. Чтобы отличать такие  помехи от более низкочастотных, но и более мощных помех при коммутациях высоковольтного электрооборудования, их принято называть наносекундными импульсными помехами (НИП, Bursts). Обычно НИП возникают в цепях питания, однако, благодаря своему высокочастотному спектру, они могут порождать электромагнитные поля, создающие, в свою очередь, наводки в других цепях.

Основной сценарий воздействия на аппаратуру - через  цепи питания (сценарий 3 раздела 2), хотя все остальные сценарии также  возможны. Благодаря сравнительно низкой энергии, НИП редко вызывают физические повреждения аппаратуры. Однако благодаря  паразитным емкостным и индуктивным  связям, такие помехи могут легко  проникать во внутренние цепи аппаратуры. Типичным последствием влияния НИП  являются сбои в работе цифровой техники  вследствие искажения сигналов во внутренних шинах обмена данными. Обычно это  проявляется как «зависание»  устройства с последующей автоматической или ручной перезагрузкой (критерии В или С). Иногда все же встречаются случаи физического повреждения отдельных высокочувствительных элементов (обычно - цифровых и аналоговых микросхем) под действием НИП.

Существующие в  настоящее время методы испытаний  позволяют эффективно моделировать воздействие НИП на цепи питания  и передачи информации. Что касается воздействия на аппаратуру электромагнитных полей, создаваемых НИП, то их влияние  частично моделируется при проведении испытаний аппаратуры на устойчивость к воздействию радиочастотных электромагнитных полей.

3.6 Радиочастотные  электромагнитные поля

В зависимости от диапазона частот, электромагнитные поля принято делить на низкочастотные и радиочастотные. Граница между ними по-разному определяется различными стандартами, но обычно в качестве граничной рассматривается частота 150 кГц. Рассмотрим сначала радиочастотные поля.

Выше уже рассматривались  вопросы, связанные с воздействием на аппаратуру полей, создаваемых при  коммутационных операциях и молниевых  разрядах. В этом разделе речь пойдет, в первую очередь, о влиянии радиочастотного  излучения функциональных источников. К таким источникам относятся, в  первую очередь, радио- и телевизионные  передатчики различного назначения и радары. Кроме того, к ним  можно отнести микроволновые  печи бытового и промышленного назначения, различные экспериментальные и  испытательные установки и т.п. В некоторых случаях помехи, аналогичные  помехам со стороны функциональных источников, могут создаваться и  линиями проводной связи, работающими  на высокой частоте.

Иногда существенный вклад в общий уровень помех  в радиочастотном диапазоне вносят атмосферные и космические радиошумы, шумы от короны, а также радиочастотные шумы, создаваемые при работе блоков питания аппаратуры

Использование радиочастотного  спектра зарегистрированными передатчиками  становится все более интенсивным (радиовещание, морские и авиационные  радиосредства, радары и мобильные  передатчики). Частота используемых передатчиков меняется от 10 кГц в длинноволновом диапазоне до гигагерц у радаров, мобильных телефонов и т.п. Напряженность создаваемого электрического и магнитного полей зависит от мощности передатчика и расстояния до него. Так, слабый близкорасположенный источник (например, сотовый телефон) может создавать большее поле, чем удаленный мощный передатчик (например, аэродромный радар).

Приведенная ниже таблица  содержит типовые значения напряженности  электрического поля для основных источников (информация взята из IEC 1000-2-3: 1992-09).

Таблица 3-1. Типовое  распределение радиочастотного  спектра 

 

Источник	Диапазон частот, МГц	Мощность передатчика	Типовое удаление от источника	Расчетное значение напряженности поля, В/м
НЧ станции радиовещания и морской связи	0.014-0.5	2500 кВт	2 - 20 км	5.5 - 0.55
Широковещательные AM-станции	0.2 -1.6	50 - 800 кВт	0.5 - 2 км	12.5 - 0.78
Радиолюбители (ВЧ)	1.8-30	1 кВт	10-100 м	22.1 - 2.21
ВЧ-связь, включая SW –вещание	1.6-30	0,1 кВт	1 - 20 км	0.7 - 0.04
Устройства личной и служебной  радиосвязи	27-58	12 Вт	10-100 м	2.4 - 0.24
Радиолюбители, VHF/UHF	50-52 144-146 432 - 438 1290 -1300	1 –8 кВт 1 – 8 кВт 1 – 8 кВт 1 – 8 кВт	10-500м	63 - 0.44
Стационарная и мобильная  связь,	29-40 68-87 146-174 422 - 432 438 - 470 860 - 990	50-130 Вт 50-130 Вт 50-130 Вт 50-130 Вт 50-130 Вт 50-130 Вт	2 - 200 м	40 - 0.25
Мобильные телефоны (включая  радиотелефоны)	1880-1990	5 Вт  1 Вт	1 -100 м 0.5 - 10 м	15.6 - 1.56 14 - 0.7
Телевидение (VHF)	48-68 174 - 230	100-320 кВт	0.5 - 2 км	8 - 1.11 **
Вещание на FM	88 -108	100 кВт	0.25-1 км	8.9 - 2.2 **
Телевидение (UHF)	470 - 853	500 кВт	0.5 - 3 км	10-1.6**
Радары	1000 - 30000	1 кВт – 10 ГВт	2 - 20 км	350 - 1.6 (пики)
*- Рассчитано по формуле   в предположении, что антенна  ведет себя как полуволновой диполь в свободном пространстве; рассматривается  дальнее поле. **- Указанная напряженность  - только внутри луча, создаваемого  антенной