Классификация источников помех

На предприятиях чаще всего встречаются передатчики  локальной и мобильной радиосвязи (например, для связи с бригадами  наладчиков). В последнее время  наметилась тенденция к росту  использования радиосредств для обеспечения работы служб единого времени, связи и других элементов систем автоматизированного управления предприятием. Иногда свой вклад в создание радиочастотных помех вносит работа каналов высокочастотной связи по высоковольтным линиям (ВЛ), тяговой сети и трубопроводам . Обычно сигналы ВЧ-связи лежат в диапазоне от десятков килогерц до 1 МГц.

Нужно помнить, что  использование любой части радиочастотного  спектра регулируется соответствующими государственными органами. Поэтому  обычно размещению на энергообъекте любой радиопередающей аппаратуры предшествует процедура получения соответствующего разрешения. Выполнение этой процедуры помогает решить проблему взаимовлияния между различными радиоустройствами, но, к сожалению, не решает ее полностью. Действительно, даже полное разделение рабочих диапазонов частот различных устройств связи не гарантирует отсутствие их влияния друг на друга, например, на промежуточной частоте.

Отдельно нужно  сказать о таком явлении, как  коронный разряд. Он происходит на ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения и визуально проявляется в ночное время как слабое свечение вокруг проводов. В реальности происходит множество мелких разрядов у поверхности провода с длительностью менее микросекунды каждый. Спектр радиочастотных помех очень широк - от сотен кГц до десятков МГц. Существуют нормы (например, ГОСТ 22012-76), обеспечивающие снижение уровня радиопомех от короны при строительстве ВЛ.

Важными для понимания  основ теории радиочастотных полей  являются понятия ближнего и дальнего поля. Свойства электромагнитного поля существенно различаются для  каждой из этих зон. Обычно считается, что источник излучения создает  ближнее поле, если расстояние до него не превышает l¤2p (т.е., примерно одну шестую длины волны). Дальним считается  поле на расстоянии более (2-3)l от источника. Особенностью ближнего поля является то, что в нем волновой импеданс - отношение напряженностей электрического и магнитного полей - определяется природой источника излучения. В дальнем поле волновой импеданс равен волновому импедансу среды (для воздуха и вакуума - 377 Ом). Поэтому для определения параметров дальнего поля достаточно только одной величины. Так, например, для определения магнитного поля (в А/м) на основе данных приведенной таблицы, необходимо разделить значения напряженности электрического поля (в В/м) на 377. В промежуточной области между дальним и ближним полем происходит постепенный переход от одного типа поля к другому.

Если источником излучения является штыревая антенна  или прямой провод, ближнее поле будет в основном электрическим (волновой импеданс E/H велик по сравнению  с 377 Ом). В этом случае электрическая  компонента поля убывает с расстоянием  пропорционально 1/r3 , в то время как  магнитная - пропорционально 1/r2 .

Для рамочной антенны (типа петли с током), ближнее поле является в основном магнитным. В  этом случае уже магнитная компонента поля убывает с расстоянием пропорционально 1/r3 , в то время как электрическая - пропорционально 1/r2 .

В дальнем поле тип  излучателя уже не играет роли; как  магнитная, так и электрическая  компонента убывает с расстоянием  пропорционально 1/r.

Как уже отмечалось выше, сценарий воздействия радиочастотного  поля на аппаратуру зависит от частоты. На сравнительно низких частотах (ориентировочно - до 20 - 30 МГц) превалирует влияние  посредством наводки кондуктивных помех во внешних цепях. Заметную роль могут также играть радиочастотные токи, возбуждаемые в контурах, образованных элементами заземляющего устройства и экранами кабелей. На более высоких частотах опасность представляет также непосредственное воздействие полей на внутренние цепи аппаратуры.

В отличие от импульсных помех, обычно имеющих широкополосный характер, радиочастотные помехи, как  правило, узкополосные. Исключениями являются, пожалуй, лишь атмосферные и космические  радиошумы, шумы от короны, а также  шумы, создаваемые при работе блоков питания аппаратуры. Поэтому влияние  радиочастотных помех на аппаратуру обычно происходит при совпадении частоты помехи и одного из «окон уязвимости» аппаратуры. Наличие последних обычно связаны с рабочими частотами аппаратуры или резонансными частотами тех или иных ее элементов.

Воздействие радиочастотных помех в первую очередь представляет опасность для другой радиоаппаратуры (особенно высокочувствительных приемников). Однако, благодаря усилиям соответствующих  международных и государственных  органов, случаи совпадения рабочих  частот у различных радиосредств редки. Гораздо чаще приходится иметь  дело с ситуациями, когда внешнее  излучение имеет спектр частот, пересекающийся с одним из «окон уязвимости», например – промежуточной частотой аппаратуры. Такая ситуация часто  имеет место, например, когда одна и та же антенная мачта используется различными радиопередающими устройствами.

Сравнительно уязвимой к воздействию радиочастотных помех  является любая аппаратура проводной  связи на высокой частоте. Это  касается, в частности, скоростных цифровых линий связи и магистралей  локальных вычислительных сетей. Традиционная аппаратура высокочастотной связи  по ВЛ обычно использует слишком низкие частоты и высокие мощности, чтобы оказаться подверженной влиянию источников радиочастотных полей. Однако с ростом частот передачи проблема ЭМС становится одной из основных для систем связи.

Сбои цифровой аппаратуры под действием радиочастотных полей  часто связаны с неудовлетворительными  экранирующими свойствами ее корпуса  или неправильной схемой заземления аппаратуры и экранов.

Случаи физического  повреждения аппаратуры под действием  радиочастотных помех сравнительно редки. Обычно такого рода повреждения  наблюдаются у высокочувствительных приемников, по той или иной причине  оказавшихся рядом с мощным источником радиочастотного излучения.

3.7 Низкочастотные  электрические и магнитные поля  силовых электроустановок

Работа любых  силовых электроустановок сопровождается образованием электрических и магнитных  полей, частоты которых определяются промышленной частотой 50 Гц и ее гармониками. Нужно учитывать что, поскольку  длина волны на этих частотах велика, аппаратура и ее кабели всегда оказываются  в ближней зоне, где электрическое  и магнитное поля непосредственно  не связаны друг с другом.

Обычно опасность  представляют наводки промышленной частоты в информационных кабелях. Хотя коэффициент взаимной индукции обычно мал вследствие малости частоты, высокая напряженность электрического и магнитного полей на энергообъектах обеспечивает значительный уровень наводок.

Влияние низкочастотных наводок в кабелях на подключенную к ним аппаратуру аналогично влиянию  аварийных потенциалов на элементах  заземляющего устройства (см. раздел 3.1). Нередко происходит совместное влияние этих двух факторов, что значительно увеличивает уровень помех на входе аппаратуры.

Непосредственное  воздействие низкочастотных электрических  и магнитных полей на аппаратуру сравнительно редко приводит к ее отказу или сбою вследствие малости  коэффициентов индуктивной связи  и, следовательно, малости величин  ЭДС, наводимых во внутренних цепях  аппаратуры. Исключением являются, пожалуй, лишь средства отображения  информации на основе электронно-лучевой  трубки, в первую очередь - мониторы компьютеров. Воздействие значительных магнитных полей часто полностью  искажает изображение на мониторе, причем искажения сохраняются еще  некоторое время после исчезновения породившего их воздействия (за счет остаточной намагниченности элементов  конструкции). В некоторых случаях (например, когда монитор используется для оперативного управления предприятием) такие искажения недопустимы. Нужно  также учитывать, что значительные уровни электромагнитных полей вредны для здоровья.

Уровни электрических  и магнитных полей промышленной частоты существенно зависят  от режима работы силового электрооборудования. Особенно высокий уровень магнитных  полей наблюдается при коротких замыканиях по схеме «фаза-земля». Это  объясняется как большой величиной  протекающих токов, так и значительной степенью несимметрии схемы. Действительно, при протекании даже значительных токов по симметричной схеме (при нормальной работе электрооборудования или при коротком замыкании «фаза-фаза» или «фаза-ноль») поля, создаваемые токами в соседних проводах, векторно складываются. Поскольку эти токи текут в противоположных направлениях, векторная сумма полей от них оказывается, соответственно, мала. При этом она будет тем меньше, чем меньше расстояние между проводами.

В случае, когда  возврат тока происходит по земле, ситуация принципиально иная. Влияние тока земляного возврата на поле над поверхностью земли мало, и потому поле от провода  остается, фактически, нескомпенсированным.

Поля от токов  короткого замыкания обычно бывают кратковременными. Длительность действия такого поля определяется (как и  для аварийного потенциала) временем срабатывания устройства защиты. Обычно это - доли секунды.

Существующие стандарты  предусматривают возможность испытания  аппаратуры на устойчивость к магнитным  полям промышленной частоты. При  этом предусматривается как испытание  на устойчивость к постоянно действующему, так и кратковременному полю. Стандартизованных  методов испытания на устойчивость к действию электрических полей  промышленной частоты нет. Это связано, вероятно, с тем, что электрическое поле промышленной частоты легко экранируется любым заземленным металлическим корпусом аппаратуры.

В противоположность  ему, магнитное поле промышленной частоты  экранируется очень плохо. Это объясняется  тем, что коэффициент экранирования  магнитного поля падает с уменьшением  частоты. Для обеспечения эффективного экранирования магнитного поля промышленной частоты требуется использовать толстые металлические экраны, часто  многослойные. Поэтому в реальности наилучшим способом защиты аппаратуры и персонала от такого поля часто  служит просто вывод аппаратуры и  рабочих мест ее пользователей из области с чрезмерно высоким  уровнем напряженности магнитного поля.

3.8 Электростатический  разряд

Электростатический  разряд (ЭСР) - довольно распространенное явление, и большинство людей  имеет представление о его  разрушительном воздействии на полупроводниковые  схемы. По сути, ЭСР - просто перераспределение  заряда между телами, имеющими различный  электростатический потенциал. Накопление заряда происходит при обычной электризации трением; конкретные величины зарядов  зависят от размеров, формы и электрических  свойств взаимодействующих тел. Условия окружающей среды (особенно влажность) также заметно влияют на величину и время рассеивания заряда.

Рисунок 16 (IEC 1000-2-3) иллюстрирует влияние используемых материалов, а также относительной  влажности воздуха на величину заряда, который может быть накоплен.

Рисунок 16. Зависимость  напряжения ЭСР от относительной  влажности (по оси х) для разных материалов (сверху вниз: синтетика, шерсть, антистатическое покрытие).

Форма кривой тока разряда зависит от электрических  характеристик объекта, несущего заряд. Хотя каждый объект носит индивидуальный характер, Международной электротехнической комиссией (IEC) приняты стандартизованные параметры источника ЭСР: емкость - 150 пФ и внутреннее сопротивление 330 Ом.

Основным механизмом воздействия является протекание тока по металлическим частям аппаратуры (сценарий 4 раздел 2). Поскольку спектр импульса содержит очень высокие  частоты (длительность фронта около 1 нс, следовательно, частоты - порядка гигагерц), влияние через паразитные связи  на внутренние узлы аппаратуры очень  велико. Чаще всего наблюдаются сбои в работе высокоскоростных цифровых узлов, а также цифровых интерфейсных элементов. При подаче на разъемы, клавиатуры, элементы индикации и т.п. возможно физическое повреждение интерфейсных элементов.

Особенно опасно воздействие ЭСР на незащищенные узлы аппаратуры. Поэтому при любых  ремонтных и наладочных работах  нужно соблюдать требования электростатической безопасности. При профессиональной сборке аппаратуры используют антистатические  браслеты (обеспечивающие стекание заряда на землю), антистатические покрытия и т.п. В условиях эксплуатации эти  требования удается выполнить не всегда. Однако минимальные меры предосторожности соблюдать все же стоит: например, перед прикосновением к узлам  аппаратуры следует дотронуться  до заземленных металлоконструкций, что позволит снять избыточный заряд.

3.9 Другие  источники помех

Разумеется, свой вклад  в электромагнитную обстановку вносят не только рассмотренные выше источники  помех. В реальности, к ним добавляются  помехи от электротранспорта, лифтов и  т.п. Особое внимание к рассмотренным  выше видам помех - аварийным потенциалам, коммутационным помехам, низкочастотным возмущениям напряжения питания, МИП, НИП, ЭСР, радиочастотным и низкочастотным электромагнитным полям - уделяется  в силу двух следующих факторов.

Во-первых, эти виды помех являются наиболее распространенными. Обычно именно они вносят решающий вклад в ЭМО на том или ином объекте. Аварийные потенциалы, коммутационные помехи и помехи от молниевых разрядов обычно вносят определяющий вклад в  ЭМО на энергопредприятиях и промышленных предприятиях с высокой энерговооруженностью. Разумеется, бывают и исключения: например, на подстанции, расположенной вблизи мощного радиопередающего центра, значительный вклад в электромагнитную обстановку будут вносить радиочастотные поля, хотя обычно на энергопредприятиях их влияние не столь заметно как, например, коммутационных помех.

Второй причиной особого внимания к перечисленным  помехам является то, что они, в  совокупности, охватывают практически  весь спектр частот и путей возможных  электромагнитных влияний на аппаратуру. Остальные помехи в большинстве  случаев, похожи на один из этих видов  помех или же на их комбинацию.