Проблемы электромагнитной совместимости цифрового электротехнического оборудования на промышленных и бытовых объектах

Проблемы электромагнитной совместимости

УДК: 621.31.002

ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ЦИФРОВОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ

и бытовых объектах

В.А. Корчагин, аспирант, korchaginva@gmail.com,

В.М. Артюшенко, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой,

ФГОУВПО «Московский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва

The increase of electrical facilities results in the problem of electromagnetic compatibility of the equipment with the electromagnetic environment in the workplace. High frequency and low magnitude of signals make the devices sensitive to the electromagnetic surroundings. The author gives recommendations to improve the electromagnetic facilities and the electro-magnetic compatibility of high-frequency equipment.

Keywords: electromagnetic compatibility, electromagnetic environment, noiseproof feature.

В связи с увеличением современного электротехнического оборудования на предприятиях страны остро встает вопрос об электромагнитной совместимости данного оборудования с электромагнитной обстановкой на предприятиях в целом. Высокая частота и низкий уровень величины сигналов, используемых в устройствах, делают их очень чувствительными к электромагнитной обстановке. В статье даны краткие рекомендации по улучшению электромагнитной обстановке на предприятиях и улучшению электромагнитной совместимости используемого, зачастую, высокочастотного оборудования.

Ключевые слова: электромагнитная совместимость (ЭМС), электромагнитная обстановка (ЭМО), помехоустойчивость оборудования.

В настоящее время на промышленных и бытовых объектах страны происходит широкое внедрение современного цифрового электротехнического оборудования, в том числе и оборудования, относящегося к системам телекоммуникаций. В этой связи одной из острейших проблем является необходимость обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) данного оборудования с электромагнитной обстановкой (ЭМО) на модернизируемых промышленных и бытовых объектах.

Актуальность проблемы определяется двумя причинами. Во-первых, высокая частота и низкий уровень величины сигналов, используемых в устройствах современного цифрового электротехнического оборудования, делают их очень восприимчивыми к внешним помехам, особенно высокочастотным. Во-вторых, подавляющее большинство промышленных и бытовых объектов проектировалось задолго до массового распространения цифровой аппаратуры и, следовательно, без должной проработки вопросов ЭМС. Более того, отклонения от проектной документации, старение заземляющих устройств, различ-

ные реконструкции и т.п. часто приводят к дополнительному ухудшению ЭМО.

В результате уровни помех на многих объектах часто превосходят уровни устойчивости цифрового электротехнического оборудования. Рассмотрим вопросы, связанные с контролем и улучшением ЭМО на промышленных и бытовых объектах.

Как правило, оценка ЭМО на действующих объектах проводится путем натурных испытаний и измерений. Она включает: полный контроль сопротивлений оснований электроаппаратов и конструкций, присоединенных к заземляющему устройству (ЗУ); измерение сопротивления растеканию ЗУ в целом; расчетноэкспериментальную оценку потенциалов на элементах ЗУ и помех во вторичных кабелях при коротких замыканиях и грозовых разрядах; измерение уровней помех во вторичных цепях при коммутационных операциях; оценку уровней импульсных и постоянно действующих полей в широком диапазоне частот.

По результатам оценки производится разработка и реализация комплекса защитных ме-

95

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ

роприятий, направленных на приведение ЭМО в соответствие с требованиями современной цифровой аппаратуры: улучшение состояния ЗУ путем прокладки дополнительных заземлителей и восстановления нарушенных связей; защиту цепей вторичных кабелей путем экранирования, изменения схем заземления элементов грозозащиты, прокладки «барьерных» заземлителей, изменение трасс прокладки на отдельных участках и т.п.; оптимальное (по условиям ЭМС) размещение микропроцессорной аппаратуры и рабочих мест обслуживающего персонала; правильную организация заземления и питания цифровой аппаратуры.

Проведение указанных мероприятий позволяет избежать появления помех, превышающих уровни, указанные в действующих стандартах. Однако уровни помех все равно остаются весьма значительными. Для решения проблемы ЭМС современного цифрового электротехнического оборудования требуется как оценка и улучшение ЭМО на самих объектах, так и обеспечение высокой помехоустойчивости самого оборудования. Имеющиеся в настоящий момент технологии позволяют успешно справиться с обеими задачами.

В таблице 1 приведены основные испытания цифрового электротехнического оборудования на устойчивость к внешним помехам.

Таблица 1

Испытания на устойчивость к внешним помехам

Испытание Имитируемое явление Степени жесткости Способ подачи воздействия

1 2 3 4

Устойчивость к микросекунд- Импульсная помеха от грозо- 1 — 0,5 кВ Входы питания

ным импульсным помехам вого разряда 2 — 1 кВ

большой энергии - МИП ГОСТ 3 — 2 кВ Входы и выходы информаци-

Р 50007-92 (ГОСТ Р 51317.4.5 -99, МЭК 1000-4-5-95) 4 — 4 кВ 5 - согласование между заказчиком и производителем онных цепей

Устойчивость к наносекундным Импульсные помехи при 2 — 1 кВ Входы питания

импульсным помехам - работе электроинструментов, 3 — 2 кВ

НИП ГОСТ 29156 (ГОСТ Р коммутациях в электроуста- 4 — 4 кВ Входы и выходы информаци-

51317.4.4—99, МЭК 10004-4—95) новках и т.п. 5/50 нс 5 - согласование между заказчиком и производителем онных цепей

Устойчивость к затухающим Коммутационные помехи, 1 - 0,5 кВ Входы питания

синусоидальным колебаниям непрямой эффект грозового 2 - 1 кВ

(Т = 10 мкс) разряда 3 - 2 кВ 4 - 4 кВ Входы и выходы информационных цепей

Волны с затухающими колебаниями (Т = 1 мкс) ГОСТ 29280 Коммутационные помехи 1 - 0,5 кВ 2 - 1 кВ 3,4 - 2,5 кВ Входы питания Входы и выходы информационных цепей

Устойчивость к динамическим Провалы, прерывания и вы- Провалы (30%) - от 0,2 до 2 с Входы питания

изменениям напряжения сети электропитания ГОСТ Р 5062793 (ГОСТ Р 51317.4.11-99) бросы напряжения питания Прерывания (100%) - от 0,02 мс до 0,2 мс Выбросы (20%) - от 0,2 до 2 с

Устойчивость электростати- Электростатический разряд с 1 - 2/4 кВ Корпус аппаратуры, неза-

ческим разрядам ГОСТ 29191 тела человека или заряженных 2 - 4/6 кВ крытые клавиатуры, разъемы

(ГОСТ Р 51317.4.2-99) предметов контактный/воз-душный) 3 - 6/8 кВ 4 - 8/15 кВ и т.п.

Устойчивость к радиочастот- Работа радиопередатчиков 1 -1 В/м Аппаратура в целом с при-

ным электромагнитным полям в диапазоне 80-1000 МГц (1300-2000 МГц) ГОСТ Р 50008 (ГОСТ Р 51317.4.3-99) различного назначения 2 - 3 В/м 3 - 10 В/м 4 - 30 В/м соединенными кабелями

96 научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2009 / № 4

Проблемы электромагнитной совместимости

Окончание таблицы 1

1 2 3 4

Устойчивость к магнитным Работа силового электрообо- 1 — А/м Аппаратура в целом с при-

полям промышленной частоты рудования в нормальном 2 — А/м соединенными кабелями

по ГОСТ Р 50648-94 (ГОСТ Р режиме/ в режиме КЗ 3 — А/м

51317.4.8-99) 4 - 400 А/м

5 - 600 А/м

Устойчивость к импульсным Поля при грозовом разряде 1 — А/м Аппаратура в целом с при-

магнитным полям в соответ- 2 — А/м соединенными кабелями

ствии с ГОСТ Р 50649-94 (ГОСТ 3 - 100 А/м

Р 51317.4.9-99) 4 - 400 А/м

5 - 600 А/м

Классификация типичных отказов цифрового электротехнического оборудования при испытаниях ЭМС представлены в табл. 2.

Таблица 2

Классификация типичных отказов

Микросекундные импульсные помехи Перегорание плавких предохранителей Разрушение интерфейсных элементов (трансформаторов, оптронов, преобразователей т.п.) Перекрытие между цепями ввода-вывода и внутренними цепями аппаратуры, приводящие к выходу из строя основных логических элементов

Наносекундные импульсные помехи Ложное срабатывание индикаторов из-за изменения состояния соответствующих логических схем под действием помех Перезагрузка из-за срабатывания сторожевых таймеров и других средств самоконтроля «Зависание» аппаратуры из-за появления фатальных ошибок в программных данных Временный (до 3-5 мин.) выход из строя схем на основе КМОП-логики Невосстанавливающееся повреждение интегральных схем

Электростатический разряд Перезагрузка из-за срабатывания сторожевых таймеров и других средств самоконтроля «Зависание» аппаратуры из-за появления фатальных ошибок в программных данных Временный (до 3—5 мин.) выход из строя схем на основе КМОП-логики Невосстанавливающееся повреждение интегральных схем

Магнитные поля промышленной частоты Нарушение работы электронно-лучевых дисплеев

Импульсные магнитные поля Нарушение работы электронно-лучевых дисплеев

Основные методы повышения помехоустойчивости цифрового электротехнического оборудования, представленные в табл. 3.

Таблица 3

Методы повышения помехоустойчивости цифрового электротехнического оборудования

Оптимизация конструкции электронных узлов 1. Учет требований ЭМС при выборе элементной базы 2. Раздельное размещение цифровых блоков, чувствительных аналоговых цепей, интерфейсных элементов и блоков питания 3. Минимизация длины скоростных цифровых шин и площади образуемых ими контуров

Оптимизация схемы заземления узлов аппаратуры 1. Использование заземляющей плоскости для высокочастотных и цифровых блоков 2. «Земли» на плате объединяются в одной точке 3. «Земли» разных плат присоединяются к общей точке на корпусе

Организация электропитания 1. Питание аппаратуры, используемой системами РЗА, без ИБП запрещается 2. Входы питания следует защищать с помощью устройств ограничения перенапряжений и дополнительных фильтров

97

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ

Окончание таблицы 3

Требования к корпусу аппаратуры 1. Аппаратура должна быть снабжена экранирующим корпусом из связанных друг с другом металлических панелей 2. Площадь и размер отверстий в экранирующем корпусe должны быть минимальны 3. Все неиспользуемые при нормальной работе клавиатуры, разъемы, индикаторы и т.п. закрываются специальной крышкой или заглубляются в корпус аппаратуры

Цепи ввода-вывода 1. Требования к подключению и защите цепей ввода-вывода ставятся в зависимость от назначения цепей. 2. В зависимости от назначения цепей, используются различные методы борьбы с помехами, в их числе: устройства ограничения перенапряжений, оптронные развязки, фильтры и т.п.

Мониторинг состояния аппаратуры 1. Аппаратура должна быть снабжена встроенными средствами самодиагностики 2. Данные мониторинга аппаратуры должны немедленно записываться в энергонезависимую память с указанием точного времени

Резервирование 1. С точки зрения ЭМС, эффективным является резервирование путем параллельного включения неидентичных каналов, при этом резервный канал может реализовывать более примитивный алгоритм

Программные средства повышения помехоустойчивости 1. Использование точек самоконтроля в программах 2. Переход на незанятый адрес или неиспользуемое прерывание должен приводить к вызову программы обработки ошибок 3. Проверка программ и данных при считывании 4. Контроль диапазона допустимых значений данных 5. Цифровая фильтрация 6. Использование стандартизованных протоколов с коррекцией ошибок для обмена информацией с другими устройствами

Что касается экономической стороны, то затраты на обеспечение ЭМС обычно оказываются заметными, однако не определяющими стоимость производства изделия или реконструкции объекта. Существует целый ряд способов, позволяющих снизить суммарные издержки: учет вопросов ЭМС должен закладываться на самых ранних стадиях проекта строительства или реконструкции промышленных и бытовых объектов; проведение оценки ЭМО до проведения каких-либо работ по реконструкции; использование апробированных типовых проектных решений.

При проектировании и производстве цифрового электротехнического оборудования должны выполняться такие мероприятия как: широкое использование унифицированных узлов с доЛитература

стоверными данными по характеристикам ЭМС (особенно это касается корпусов, средств подавления помех, интерфейсных элементов, блоков питания и т.п.); применение апробированных проектных решений; совмещение исследовательских и сертификационных испытаний; использование модульной структуры.

Опыт показывает, что для решения вопросов ЭМС нередко требуется привлечение технических специалистов специализированных организаций, в процессе такого взаимодействия происходит повышение квалификации собственного персонала. В итоге результатом затраченных усилий на обеспечение ЭМС является высокая надежность работы цифрового электротехнического оборудования, что компенсирует все затраченные усилия.

1. Guide on EMC in Power Plants and Substations CIGRE Publ. 124, 1997.

2. РД 34.20.116-93 «Методические указания по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от импульсных помех», готовится новая редакция. М.: РАО «ЕЭС России».

3. Электромагнитное загрязнение окружающей среды и здоровье населения России. М.: Российская ассоциация общественного здоровья, 1997.

98 научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2009 / № 4