Author: Хабигер Э.
Tags: электротехника механика электрооборудование электромагнетизм радиоэлектроника
ISBN: 5-283-02547-0
Year: 2010
Text
ЭХабигер. ЭЛЕКТРО
МАГНИТНАЯ
СОВМЕСТИМОСТЬ
Основы
ее обеспечения
в технике
Перевод с немецкого
канд. техн. наук И.П. КУЖЕКИНА
Под редакцией
доктора техн. наук, проф.
Б.К.МАКСИМОВА
МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1995
DjVued by Evgeny Chemodanov
2010
ББК 22.2.1
Х12
УДК 621.3
Ernst Habiger
Elektromagnetische Vertraglichkeit Grundztige ihrer Sicher-
stellung in der Gerate - und Anlagentechnik
(Heidelberg: Hlithig Verlag, 1992)
und Kapitel 21 aus Habiger, E (Hrsg)
Elektromagnetische Vertraglichkeit,
Grundlagen, Massnahmen, Systemgestaltung
Berlin, Miinchen: Verlag Technik 1992
mit freundliche Genehmigung des Verlags Technik
Хабигер Э.
X 12 Электромагнитная совместимость. Основы ее
обеспечения в технике: Пер. с нем. / И.П. Кужекин; Под ред.
Б.К. Максимова. -М.: Энергоатомиздат, 1995.- 304 с: ил.
ISBN 5-283-02547-0
Системно изложены вопросы обеспечения электромагнитной
совместимости устройств автоматики. Рассмотрены основные виды
помех, пути их проникновения в устройства, способы и средства
защиты от помех, испытания устройств на помехоустойчивость.
Приводятся нормативные документы по обеспечению электромагнитной
совместимости устройств автоматики.
Для инженерно-технических работников, занимающихся
проектированием, созданием, монтажом, наладгсой изделий и испытаниями
их на электромагнитную совместимость. Будет полезна научным
сотрудникам, преподавателям вузов, аспирантам и студентам
электротехнических, электроэнергетических, радиоэлектронных
специальностей.
ISBN 3-7785-2092-Х (нем:) © Habiger, "92
ISBN 5-283-02547-0 (рус.) €> п реводчик, 1995
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ПЕРЕВОДУ
В последнее десятилетие в электроэнергетике все активнее
используется электронная аппаратура в системах релейной
защиты, режимной и противоаварийной автоматики
электроустановок высокого напряжения. Однако электронная
аппаратура, как правило, весьма чувствительна к помехам,
появляющимся во вторичных цепях подстанций, источниками которых
являются коммутации выключателей и разъединителей
высокого напряжения, удары молний, а также большие токи
замыкания на землю. Аналогичная ситуация складывается и при
внедрении электронной аппаратуры в других отраслях
промышленности.
В связи с указанными обстоятельствами появилась
необходимость решения сложной задачи электромагнитного
сосуществования электронных и электротехнических систем. Возникло
новое актуальное научно-техническое направление -
обеспечение электромагнитной совместимости электронных систем.
При этом под электромагнитной совместимостью любой
электронной системы подразумевается ее способность нормально
функционировать совместно с другими техническими
системами, например с установками высокого напряжения в условиях
возможного влияния случайных электромагнитных помех,
не создавая при этом недопустимых помех другим средствам.
Надежная работа электронной аппаратуры является
актуальной частью проблемы обеспечения электромагнитной
совместимости электрооборудования. Бе значение непрерывно
возрастает в связи с развитием новых технологий, приведших
к широкому распространению полупроводниковых,
микроэлектронных и микропроцессорных систем автоматического
управления во всех сферах человеческой деятельности, включая
электроэнергетику.
Предлагаемая российскому читателю книга посвящена
широкому кругу вопросов, связанных с воздействием на
электронные приборы и устройства автоматики электромагнитных
з
помех различного происхождения (грозовой разряд, ядерный
взрыв, технические электромагнитные процессы, аварийные
режимы в сетях, разряды статического электричества и др.).
Написанная известным специалистом в области
электромагнитной совместимости Э. Хабигером, профессором Дрезденского
технического университета (Германия), книга содержит
разнообразный и исключительно важный материал по основным
аспектам рассматриваемой проблемы.
Систематизированы и в доступной форме в книге
проанализированы виды и источники электромагнитных помех, пути их
проникновения в устройства автоматики, способы и средства
ослабления и подавления помех. Рассматриваемые в книге
электромагнитные помехи охватывают широкую полосу
частот и в большинстве случаев обладают достаточной энергией
для создания нарушений в работе электронных устройств.
Предотвращение опасных последствий нарушения работы
электронных устройств автоматизации в настоящее время
обеспечивается как техническими мероприятиями, так и
средствами математического обеспечения (распознание помех,
создание логических барьеров, выбор оптимальных режимов
работы системы при воздействии помех и т.д.).
Важное значение приобретает и испытание электронных
устройств на воздействие нормированными помехами,
экспериментальное подтверждение помехоустойчивости. Все эти
вопросы достаточно подробно и глубоко изложены в книге.
Предлагаемая книга представляет интерес потому, что в
нашей стране, испытывающей недостаток в литературе по
рассматриваемой проблеме, до сих пор не было издано работы, в
которой в доступной форме были бы обобщены и
систематизированы материалы по электромагнитной совместимости так,
как это сделано Э. Хабигером. Достоинством книги является
также обширная библиография по основной тематике и
специальным вопросам, что будет способствовать расширению круга
ее читателей.
Член-корреспондент РАН
доктор техн. наук, проф. А.Ф. ДЬЯКОВ
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА
Научно-технический прогресс привел к повсеместному и
бурному переходу на интегральную технологию изготовления
целого ряда электротехнических устройств, включая
вычислительную технику и микропроцессорные системы различного
назначения. Эти устройства, имея рабочие напряжения
несколько вольт, слабо защищены от внешних электромагнитных
помех без применения специальных мер защиты, которые
должны обеспечить их электромагнитную совместимость. За
рубежом достигнуты заметные успехи во внедрении
микропроцессорных систем автоматического управления даже в такой
трудно осваиваемой отрасли, как электроэнергетика. Масштабно
ведутся и теоретические исследования в области обеспечения
электромагнитной совместимости.
Россия отстает в развертывании подобных работ. В нашей
стране не изданы книги, которые в доступной и
систематизированной форме отражали бы последние достижения по
проблеме электромагнитной совместимости.
Переведенная на русский язык книга известного ученого,
профессора Э. Хабигера в определенной мере восполняет этот
пробел. Несмотря на небольшой объем она охватывает и
систематизирует широкий круг вопросов современной проблемы
электромагнитной совместимости. Благодаря общности
подхода к проблеме она должна представить интерес для
специалистов различных отраслей промышленности и сферы
обслуживания, соприкасающихся с задачами обеспечения надежной
работы электротехнических изделий в условиях
непреднамеренного воздействия электромагнитных помех.
Приведенные материалы составляют представление о
внутренних и внешних источниках помех и диапазонах
изменения их параметров; о помехоустойчивости различных устройств
автоматики, о механизмах электромагнитных влияний и
мероприятиях по их снижению, что в итоге позволяет оценить
вероятность ложного срабатывания или полного отказа устройств
5
автоматики. При работе различных электронных устройств
важно не только оценить опасность превышения порога
устойчивости в результате воздействия электромагнитных помех,
но и определить способы защиты от проникновения помех,
или электромагнитной энергии, во внутренние цепи
аппаратуры. Среди способов защиты автор выделяет применение
фильтров, ограничителей перенапряжений, экранов и
разделительных элементов.
На основе системного подхода автор рассматривает
мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости
приборов и устройств. Анализируются схемные решения,
конструктивные мероприятия и методы ослабления влияния помех,
связанные с математическим обеспечением. Особое внимание
уделяется рациональному выполнению заземления систем
опорного потенциала. Автор исходит из того, что возникающие
помехи, обусловленные грозовыми, коммутационными
перенапряжениями и внешним электромагнитным излучением,
следует ограничивать и подавлять специальными мерами как
со стороны высокого напряжения, так и в системах
электропитания со стороны низкого напряжения.
Электромагнитная совместимость различных устройств
должна быть подтверждена экспериментально и определены
количественные показатели помехоустойчивости. Значение
техники испытаний и измерений трудно переоценить, и поэтому
автор уделяет данному аспекту достаточное внимание,
анализируя способы подтверждения собственной
помехоустойчивости и методам испытаний на устойчивость к внешним
электромагнитным воздействиям. При этом разделяются
испытания и измерения, позволяющие определить устойчивость
к помехам, поступающим по проводам и вызываемых полем.
Методики испытаний и измерений базируются на
использовании действующих стандартов Международной
электротехнической комиссии (МЭК) и Международного специального
комитета по радиопомехам (СИСПР).
Не все положения книги, в частности организационные
мероприятия, могут быть использованы в России, однако они
несомненно представляют познавательный интерес и поэтому
для сохранения единообразия в изложении материала при
переводе полностью сохранен авторский текст.
Книга дополнена гл. 10, (автор доцент, доктор Г. Бауер),
посвященной обеспечению электромагнитной совместимости
микроэлектронной техники на подстанциях высокого напря-
6
жения, что сделано с любезного согласия Э. Хабигера. Эта
глава представляет собой перевод соответствующей главы 2-го
немецкого издания справочной книги "Электромагнитная
совместимость. Основы, мероприятия, системный подход",
вышедшей под редакцией Э. Хабигера в 1992 г. (Handbuch Elek-
tromagnetische Vertr&glichkeit: Grundlagen, Mapnahmen, System-
gestaltung / Hrsg.: Habiger. Berlin; Munchen: Verl. Technik, 1992).
Кроме гл. 10 в книгу для удобства читателей включены
приложения, содержащие в систематизированном виде перечень
основной зарубежной и отечественной
нормативно-технической документации в области электромагнитной совместимости.
Авторский раздел-перечень книг и брошюр, относящихся к
проблемам электромагнитной совместимости, дополнен списком
книг в хронологическом порядке, изданных на русском языке.
Доктор техн. наук, проф. Б.К. Максимов
ПРЕДИСЛОВИЕ
Разработчики, конструкторы и проектировщики, а также
изготовители, монтажники и наладчики, специалисты в области
сервисного обслуживания все чаще сталкиваются с
различными явлениями электрических помех, с проблемами
электромагнитного взаимодействия устройств электроснабжения и
электронных информационных приборов и систем в связи с
быстро расширяющимся проникновением электронных
элементов и приборов в системы автоматизации в
промышленности и в сфере обслуживания. Перечисленные специалисты в
настоящее время и в будущем обязаны обеспечить надежное
и безотказное функционирование создаваемых систем в
условиях постоянного снижения уровня полезных сигналов в
устройствах переработки информации и непрерывного повышения
интенсивности помех.
Разрешение этой проблемы требует глубоких
принципиальных и специальных знаний, а также использования
теоретических проработок и практического опыта, что и представлено
в специальной дисциплине "Электромагнитная
совместимость".
В книге предпринята попытка представить эту
разностороннюю область знаний широкому кругу читателей.
Книга содержит:
введение с пояснением важнейших понятий и практических
аспектов, относящихся к видам и интенсивности ожидаемых
помех, а также к стойкости аналоговых и цифровых систем к
электромагнитным воздействиям;
сведения о важнейших механизмах электромагнитного
влияния на основе наглядных модельных представлений и о
вытекающих из них мерах по снижению этого влияния;
рекомендации по описанию, измерению, имитации помех и
испытанию приборов на стойкость к помехам;
описание важнейших помехоподавляющих и защитных
компонентов;
8
стратегию экономически эффективного разрешения проблем
электромагнитной совместимости на стадиях проектирования
продукции*
Всем, кто принимал активное участие в создании этой
книги, высказываю сердечную благодарность. Это относится
прежде всего к госпожам С. Линден, М. Петри, X. Хешель и к
господину инженеру Ю. Хешелю за большую и кропотливую работу по
оформлению материала книги, а также к сотрудникам
издательства "Хютхиг" за приятное и конструктивное
сотрудничество.
Дрезден, декабрь 1991 г. Эрнст Хабигер
ВВЕДЕНИЕ
Приборы и устройства автоматики предназначены для того,
чтобы при определенных условиях эксплуатации в течение
срока их использования реализовать требуемую функцию
а«Ор[е],
т.е. осуществлять взаимосвязь между несущими информацию
входными
и выходными,
а-(а19а2...)
величинами (рис. В.1).
При этом, с одной стороны, они постоянно подвергаются
электрическим и неэлектрическим воздействиям (входным
влияющим величинам za), обеспечивающим стабильное функ-
| Входные величины \ \?ун*ЛЩ$1!Ш1В ] | Выходные величины \
Устройство автопатизаи, ии
Функционально обусловлен-
Воздействия при эксплу- ,
а тещ и и **а
Не электрические
• Климатические
• Биологические
• Химические
• Механические
пезлектрическ
жаюише уел
злектромагнитная
обстановка
Расчетная функция
Ш
Реальная функция
па Сопутствующие воздей
ствия
*Лап //е^лектрические
• Термические
• Механические
• Акустические
• Химические
Рис. В.1. Взаимодействия внешней среды и устройства автоматизации
10
ционирование, и, с другой стороны, сами оказывают
электрическое и неэлектрическое воздействие па на окружающую среду,
которое должно оставаться в допустимых пределах.
Пригодность к определенным условиям эксплуатации, в том
числе и климатическим (согласно классификации [В.1] или
маркировки [В.2]), подтверждается в паспортных данных
указанием вида защиты [В.З] и допустимых пределов изменения
вспомогательных энергетических параметров (напряжения,
частоты, наличия высших гармоник) [В.4, В.5]. В последнее время к
этому добавляется, особенно для электронного оборудования
промышленного назначения, степень защищенности от
воздействий zae (рис. Вл) внешнего электромагнитного поля,
характеризующая пригодность использования оборудования в тех или
иных условиях электромагнитного влияния.
Для того чтобы воздействие па на окружающую среду не
превышало допустимого уровня, не оказывало вредного влияния
на обслуживающий персонал и не вызывало иных
нежелательных последствий, устройства автоматики должны
удовлетворять ряду требований по виду [В.З], классу защиты [В.6],
безопасности работы, пожаро- и взрывобезопасности, а также
требованиям техники безопасности, содержащимся в
рекомендациях, инструкциях, нормах [В.7-В.12]. При этом необходимо
соблюдать установленные требования по подавлению искрения
[К.31] и в отношении точек присоединения сетевого питания
[В.13-В.15].
При соблюдении этих и других требований и норм при
проектировании, изготовлении, хранении, транспортировке и
эксплуатации устройств автоматизации практически
гарантируется их совместимость с окружающей средой.
Низкий энергетический уровень современных электронных
коммутационных цепей, прогрессивно возрастающий
электромагнитный фон окружающей среды, особенно при широком
внедрении обеспечивающих безопасность и надежность в
индустрии многофункциональных электронных систем в
условиях непосредственной близости к сильноточным
электроэнергетическим устройствам и коммуникациям, приводят к тому,
что все большее значение приобретают проблемы
электромагнитной совместимости электронного оборудования и
окружающей среды.
Электромагнитная совместимость характеризуется не
только взаимодействием устройств автоматики с окружающей
средой, но и взаимодействием их элементов Ех - Eq (см. рис. В.1)
и
между собой. Следовательно, электромагнитную
совместимость, независимо от рассматриваемых объектов, можно
определить как способность электрической установки, или
элемента, группы элементов, прибора или иного устройства,
функционировать в заданной электромагнитной обстановке так, чтобы
не вызывать недопустимого электромагнитного воздействия
на окружающую среду [В. 16-ВЛ8].
В соответствии с рис. В.1 она представляется как
комплексная характеристика качества устройства автоматики с учетом
объективных внешних и внутренних аспектов совместимости,
которые количественно можно характеризовать тремя
величинами: SE, SfhE.
При этом
представляет собой степень устойчивости функционирования
рассматриваемого объекта при внутренней электромагнитной
помехе zie (см. рис. В.1), которая вызывается элементами самой
системы и влияет на другие элементы через паразитные или
функционально необходимые связи. Степень устойчивости SE
является мерой внутренней совместимости системы и
предпосылкой того, что система может нормально функционировать.
Стойкость к внешним воздействиям
SF-(SFl9...,SFi,...,SFm) (B.2)
является критерием способности функционирования
рассматриваемого объекта в условиях внешнего электромагнитного
воздействия zae на систему (рис. В.1), передаваемого по
проводам или полем (например, от молнии, разрядов статического
электричества, радиопередатчиков, переносных
радиопереговорных устройств, переходных процессов в расположенных
поблизости устройствах и т.д.). При достаточной интенсивности
эти внешние воздействия могут вызвать временные нарушения
функционирования или даже повреждения рассматриваемого
устройства.
Величина
Б-(Б19...9Ек9...,Еп) (В.З)
представляет собой электромагнитное воздействие
рассматриваемого объекта (пае на рис. В.1) на другие объекты, для
которых это воздействие является помехой.
12
Компоненты SEi (i = 1,2,..., I), SFj (j = 1, 2,..., m) и Ek (k = 1, 2,...
..., п) в уравнениях (В.1)-(В.З) отражают конкретные формы
помех с учетом их возникновения и точек воздействия на
объект, что подробнее будет объяснено в п. 3.4.1.
Бели электромагнитная совместимость не гарантирована в
устройствах автоматического регулирования, т.е. степень
устойчивости при внутренних помехах SE отдельных элементов
не задана или же устойчивость SF к внешним воздействиям не
возрастает при воздействии, то могут иметь место:
функциональные нарушения часто с тяжелыми
экономическими последствиями или нарушения безопасности
эксплуатации (брак продукции, непредусмотренные простои машин и
оборудования, повышенная опасность несчастных случаев,
дорогостоящие восстановительные работы и т.д.);
повреждения или нарушения отдельных элементов и
приборов;
повреждения противопожарной защиты в установках;
ухудшение показателей качества электроэнергии,
потребляемой для производственных целей;
обострения электромагнитной обстановки в окружающем
пространстве;
поражения обслуживающего персонала (далеко не
последнее по значимости обстоятельство).
Другими словами, необеспечение электромагнитной
совместимости в любом случае приводит к непосредственным или
косвенным экономическим потерям. Предпосылкой для этого
являются неучтенные электромагнитные помехи или помехи,
защита от которых не предусмотрена.
В последующих главах рассматриваются основные понятия
электромагнитной совместимости, физико-технические и
организационные основы возникновения, распространения и
подавления помех.
Глава первая. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.
ТЕХНИЧЕСКИЕ, ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
1.1. Основные понятия, определения
Дальнейшее рассмотрение проблем электромагнитной
совместимости требует более подробного определения основных
понятий.
Прежде всего поставим вопрос: что такое электромагнитные
помехи? С учетом уже сказанного и рассматривая эту
проблему с позиций системотехники, получим ответ:
электромагнитные помехи - случайные электромагнитные
воздействия отдельных элементов друг на друга (zie на рис. В.1)
или сторонней системы на рассматриваемую (zae на рис. В.1)
через паразитные или функциональные связи. При этом механизм
мешающего воздействия предполагает наличие по крайней
мере одного источника Q, от которого исходят помехи, и одного
чувствительного к помехам элемента 5, через который помехи
могут причинить вред. Оба эти компонента взаимодействуют
друг с другом через механизм связи К (рис. 1.1).
Связь между источником помех и чувствительным к помехам
элементом во многих случаях, в частности в рамках
качественных оценок воздействия, может быть принята как не
обладающая обратным влиянием. Олнако этот упрощенный подход
часто недопустим при точном анализе проблем воздействия, и
обратное влияние чувствительного к помехам элемента S на
источник помех Q требуется учитывать. Особенно важно это для
энергетических систем.
В зависимости от того, находится ли источник Q помех и
слабое место S в рамках рассматриваемого единства
(замкнутого функционального или конструктивного единства ВЕУя
рис. 1.2, а) или они разделены (например, ВЕ1, ВЕ2 на рис. 1.2,6),
подразделяют помехи на внутренние и внешние по отношению
к системе. Оба вида помех при практической реализации элек-
14
BE2
Рис. 1.1. Элементарная
модель влияний:.
1 - помехи; 2 - обратное
влияние
Рис. 1.2. Внутренние (а) и внешние (б)
взаимодействия
тромагнитной совместимости разрабатываемых приборов
требуют разной стратегии, что будет показано позднее.
Далее дадим важнейшие определения, относящиеся к
проблемам электромагнитной совместимости и уже вошедшие в
нормативные документы [В.13-В.17].
Электромагнитная обстановка - совокупность
электромагнитных явлений, существующих в рассматриваемом пространстве.
Описывается характеристиками источников помех и
параметрами их воздействия, особенностями установленного
оборудования, реализованными и нереализованными
мероприятиями по повышению электромагнитной совместимости, а также
неэлектрическими характеристиками окружающей среды,
влияющими на электромагнитную совместимость (влажность
воздуха, наличие поблизости материалов с трибоэлектрическими
свойствами и т.д.).
Источник помех - причина появления помехи (прибор или
физический процесс). В соответствии с рис. 1.2 применительно к
электроустановкам различают внутренние и внешние
источники помех.
Помеха - электромагнитная величина, способная вызвать
в электрическом устройстве нежелательный эффект
(нарушение функционирования, старение, разрушение и т.п.). Она
определяется разностью
XS~ X~XN9
где х - рассматриваемая электромагнитная величина; xN -
содержащийся в величине х полезный сигнал.
Помехой xs может быть напряжение, ток, напряженность
поля и т.д.
В зависимости от источника помехи появляются
периодически или нерегулярно в форме случайно распределенных
импульсов, поступающих по проводам или полевым путем (гм.
is
п. 3.4.1). При превышении определенного граничного значения
уровень вредного сигнала может оказаться опасным для
жизни человека [К.6, К.24, К.25].
Испытательная помеха - электромагнитная величина,
имитирующая реальную помеху и служащая для испытаний на
устойчивость к помехам трактов распространения помех
(чувствительным к помехам элементов).
Эмиссия, излучение помех - излучение возмущения или
электромагнитной помехи.
Механизм связи - физический механизм воздействия
источника помехи на чувствительный элемент или механизм
передачи энергии электромагнитных процессов от источника к
чувствительному элементу.
Чувствительный к помехам элемент - электрическое
устройство (элемент, группа элементов, прибор, часть устройства),
функционирование которого может быть нарушено
воздействием помехи.
Уровень совместимости - установленное значение помехи,
при которой с наибольшей вероятностью гарантируется
нормальное взаимодействие всех элементов системы. Он служит,
с одной стороны, в качестве основы при формулировке
требований по помехоустойчивости и, с другой стороны - в качестве
исходного пункта для установления допустимого уровня
излучения помех вводимых в эксплуатацию устройств.
Установление уровня совместимссти осуществляется в соответствии с
существующим или ожидаемым видом и значением помех и с
возможным изменением электромагнитной обстановки
объектом на стадии его проектирования с учетом
технико-экономических аспектов.
Стойкость к повреждению - допустимое граничное
воздействие на чувствительный элемент, превышение которого
вызывает частичное или полное повреждение, а следовательно, и
необратимое нарушение функционирования объекта. Вое- *
становление функционирования требует, во всяком случае,
применения технических средств, т.е. ремонта, замены
элементов или группы элементов рассматриваемого устройства.
Помехоустойчивость - свойство чувствительного элемента
нормально работать при воздействии помехи. Количественно
помехоустойчивость рассматриваемого объекта задается в
виде допустимого воздействия в форме амплитуды импульса
напряжения, напряженности поля, граничной энергии,
стандартизированного испытательного воздействия и т.д. Если при
16
воздействии, превышающем предел помехоустойчивости, не
происходит разрушения объекта, то наблюдается обратимое
нарушение функционирования. После исчезновения помехи
или после повторного включения рассматриваемое устройство
может работать нормально, ему не требуется ремонт или замена
деталей или группы элементов.
Критерии нормального функционирования, лежащие в
основе объективного определения помехоустойчивости, зависят от
назначения объекта, и поэтому они всегда специфичны для
разных объектов.
Пороговое значение опасной помехи - определенный
интервал значений помехи, вызывающий нарушение
функционирования чувствительного элемента.
Нарушение функционирования - кратковременное или
длительное недопустимое отклонение функций системы от
нормальных. Далее рассмотрим подробнее некоторые из
нарушений.
1.2. Нарушение функционирования в системах
Каждое устройство автоматизации, как уз£е отмечалось,
имеет определенную внешнюю функцию
(1.1)
предназначенную для реализации заданной взаимосвязи
между входной е и выходной а величинами (см. рис. В.1).
Например, температурный датчик дает линейную связь между
измеряемой температурой и выходным напряжением;
аналоговое регулирующее устройство дает фиксированную связь
между аналоговыми входным и выходным сигналами; цифровое
устройство с запрограммированной памятью обеспечивает
управление с заложенной в программе определенной
зависимостью бинарных входных и выходных последовательностей.
В уравнении (1.1), в общем виде описывающим функцию
устройства автоматизации, оператор Ор [...] обозначает
правила, законы преобразования входной величины е в
выходную д. При этом речь может идти о любом законе
преобразования, а сами правила преобразования могут зависеть от
предыстории, т.е. от внутреннего состояния системы и входных
величин. Технически они реализуются в приборах автоматизации в
виде структур либо с программными связями, либо с
программируемой памятью. В зависимости от чувствительности
17
структурных элементов к электромагнитным и
неэлектрическим влияющим величинам законы обработки информации
постоянно в той или иной степени зависят от внешних и
внутренних воздействий [za - (zan, zae) и z( - (zin, zie) на рис. B.I].
Если исходить из того, что расчетная функция прибора
описывается соотношением
где Ор1 - идеальный оператор, то реальная функция прибора
выражается как
£г = ррг[£], (1.3)
где Oj? представляет собой реальный оператор, подверженный
влиянию как внешних za, так и внутренних zi факторов.
В этом случае, очевидно, наступит нарушение
функционирования, или недопустимое отклонение от нормального
режима, если в области определения е разность
Да«вг-О| (1.4)
между реальной и идеальной выходной величинами [в
соответствии с (1.2) и (1.3)] достигнет или превысит установленное в
зависимости от условий в качестве допустимого значение
величины е.
При этом существуют критерии:
для нормально работающей системы
¥е[(еб£):(До<£)]; (1.5)
для системы, работающей с нарушением,
3£[(e«J?):(Ae>e)], (1.6)
где £ - область определения параметра е.
Применительно к проблемам электромагнитной
совместимости это означает, что нарушение функционирования
происходит, если в пределах допустимых неэлектрических
воздействий zan и zin (рис. В.1) из-за влияния zae и (или) zie в
аналоговых системах реальная выходная величина аг (1.3)
отклоняется от идеальной,ta, (1.2) за пределы установленных для
данного случая границ, а в цифровых системах фактическая
связь между входными £ и выходными ат параметрами не
соответствует описываемой уравнениями (1.3) и (1.2).
18
Конкретно в системах автоматизации это означает
следующее. Происходит скрытое нарушение программы или не
предусмотренное программой прохождение сигналов управления,
изменение функций приборов, периферийных устройств,
например включение и отключение регистрирующих приборов и
исполнительных механизмов, спонтанное изменение частоты
вращения регулируемых приводов, беспричинное срабатывание
устройств сигнализации.
Практически при вводе в эксплуатацию или при сервисном
обслуживании возникают существенные трудности
доказательства причастности электромагнитного влияния к нарушению
функционирования, так как множество других причин
вызывают такое же или аналогичное действие. .
Рассмотрим некоторые причины нарушения
функционирования.
Дефекты математического обеспечения: сбои в работе
системы; ошибки в работе исполнительных органов программ.
Дефекты в функциях элементов: ошибки в комплектации
элементов: отсутствие элемента на предусмотренном месте,
использование элемента иного типа, неправильное
(перевернутое) расположение элемента, наличие логических
элементов с ошибочным содержанием (накопителей постоянных
величин, сменных матриц, программированной логики и т.д.).
Дефекты элементов: обрывы, короткие замыкания,
изменения характеристик.
Неидеальностъ свойств элементов: вибрации в контактах,
поверхностный эффект, задержки, отражения, пьезоэффект,
разброс времени коммутации, переходные сопротивления,
термо- и химоэлектрические эффекты в местах соединений.
Дефекты соединений между элементами: нарушения,
обрывы соединений, неправильные соединения, мостики утечек и
припоя, дефекты контактов.
Электромагнитные воздействия zae и zie: появление ложных
сигналов, исчезновение или искажение вспомогательных
энергетических параметров, деформации или искажения функций
элементов.
Случаи нарушения функционирования могут быть
обусловлены непосредственным электромагнитным влиянием и
вызванным им искажением полезных сигналов и
вспомогательных энергетических параметров, дефектами структуры
рассматриваемой системы, неправильным функционированием ее
19
элементов и системы программирования, а также дефектами
математического обеспечения.
Типичные для проявления нарушений функционирования
является случайная картина их появлений: моментов
наступления, продолжительности, формы проявления, степени
повторяемости и интенсивности. Как и помехи, они точно не
определены и непредсказуемы. Это объясняется, с одной
стороны, разнообразием механизмов появления помех, с другой
стороны - статистическим характером помехоустойчивости
большинства средств автоматизации. Например, поступающие из
сети помехи (перенапряжения, провалы напряжения) имеют
абсолютно случайный характер, так как зависят от коммутаций,
аварий, разрядов атмосферного электричества. При отключении
индуктивной нагрузки в цепях переменного тока
перенапряжения зависят от момента коммутации и также являются
случайными величинами. Может происходить нарушение
функционирования и в результате случайного наложения нескольких
влияющих величин, каждая из которых недостаточна для
нарушения. Например, интенсивность взаимного влияния в
линиях передачи данных по своей природе случайна.
Случайные нарушения функционирования могут быть
вызваны также неидеальными характеристиками элементов,
например вибрационными процессами в контактах,
отражениями сигналов в соединительных линиях, дрейфом параметров
элементов, периодическими нарушениями контактов и
соединений, например вследствие коррозии или загрязнения
контактов или мостиков припоя, появления тонких трещин в
проводящих платах, которые вызывают изменения переходных
сопротивлений, зависящих от температуры и напряжения,
а также дефектами математического обеспечения. Поэтому
на практике определение причин повреждения, как и
получение надежной статистики повреждений, крайне
затруднительно.
В какой степени нарушение функционирования системы
из-за электромагнитной несовместимости опасно или
неопасно, допустимо или недопустимо, зависит от конкретных
обстоятельств. В необходимых случаях при осуществлении
автоматизации в целях обеспечения безопасности эта ситуация
поясняется в рамках анализа степени обеспечения
безопасности. При этом основой оценок является степень риска в
отношении объема и тяжести вызываемых повреждением
возможных ограничений функционирования, воздействий на
20
Нарушение
функционирования
Ыдопустим*
Граница
риска
Рис. 1.3. Соотношения нарушений функционирования и степени
риска
окружающую среду, иных вредных последствий, опасности и
связанными с этим затратами. Грань между опасными и
неопасными нарушениями функционирования определяется в
каждом конкретном случае установлением границы риска
(рис. 1.3). Критерием здесь может быть взвешенное решение,
принимаемое разработчиком или же службой надзора,
законодательными органами в зависимости от обстоятельств
поражения, эксплуатации.
Понятия и критерии техники безопасности, как и методы
анализа степени безопасности, количественной оценки
надежности системы, необходимые для практической работы,
можно найти в ряде литературных источников и нормативных
документов, например в [В.10-В.12,1.1-1.4].
1.3. Цели и основное содержание работ в области
электромагнитной совместимости
Комплексная цель рациональных работ по
электромагнитной совместимости при проектировании, изготовлении и
использовании средств автоматизации состоит в том, чтобы
устранить указанные ранее возможные недостатки, обусловленные
электромагнитной несовместимостью, т.е. путем
организованного применения технически реальных мер при оправданных
затратах достичь удовлетворительной совместимости,
возможности измерения степени совместимости и испытания на
совместимость и тем самым гарантировать объективное сравнение
вариантов.
Первое доказательство того, что электромагнитная
совместимость можекг быть достигнута, дает уже элементарное
представление о влиянии (см. рис. 1.1).
Принципиальными мероприятиями по повышению
электромагнитной совместимости могут быть:
подавление возникновения помех путем воздействия на
источник помех;
21
подавление или ослабление помех в тракте распространения;
повышение помехозащищенности и устойчивости слабого
зве^а путем осуществления мероприятий, влияющих на
условия проникновения помехи и интенсивность воздействия
проникшей помехи;
разделение во времени режимов появления помехи и
функционирования чувствительного элемента.
Практически используют эти возможности отдельно или
комплексно. Технически реализуемы различные мероприятия:
схемные, конструкторные, соответствующее математическое
обеспечение, а также организационные.
1.4. Экономические и организационные аспекты
Электромагнитная совместимость изделия наиболее
эффективно достигается с учетом эксплуатационных и
экономических условий путем планомерной и непрерывной работы на
стадии проектирования изделия [1.5-1.7]. Электромагнитная
совместимость рассматривается наряду с другими
параметрами как комплексная характеристика качества создаваемого
изделия, и ее реализация прослеживается при изготовлении
изделия системой контроля качества. Это означает по
существу гарантию обеспечения собственной помехоустойчивости
[SE в уравнении (В.1)], т.е. по возможности исключение
внутреннего электромагнитного воздействия в системе (zie на
рис. 1.2, а), а также обеспечения помехоустойчивости к
внешнему воздействию [SF в уравнении (В.2) или zae на рис. 1.2, б] при
обоснованных затратах и реализацию оправданных мер,
направленных на то, чтобы влияние Е изделия на окружающую
среду не выходило за пределы установленных норм. При этом
понятие "обоснованные затраты" при возможных внешних
воздействиях не следует понимать с позиции достижения
абсолютной устойчивости любой ценой. Прежде всего
необходимо добиться минимизации общей стоимости KG,
обусловленной стоимостью потерь KF вследствие работы системы с учетом
влияния электромагнитной несовместимости и стоимостью
дополнительных мероприятий КЕ по повышению
электромагнитной совместимости. Это означает, что процесс повышения
надежности в отношении электромагнитной совместимости
требует все больших затрат (область левее точки Popt на рис. 1.4).
Однако практически трудно определить зависимости KF (b/F)
и КЕ (WF), т.е. результирующую зависимость KG (WF). Из [К.7] из-
22
Рис. 1.4. Зависимости стоимости
затрат К от вероятности нарушений
функционирования Wp вследствие
недостаточной электромагнитной
совместимости
. WF
вестны затраты на обеспечение совместимости для различных
объектов. Они составляют от 2 до 10% стоимости разработки, и
эти цифры могут быть приняты в качестве первого
приближения представляющей интерес оптимальной стоимости КЕ opt
(рис. 1.4). Если правильно и своевременно учесть проблемы
электромагнитной совместимости в процессе проектирования
продукции, то возможно снизить дополнительные расходы на
проектирование мер обеспечения электромагнитной
совместимости до 1% стоимости заказа [1.5].
1.5. Нормы и рекомендации по электромагнитной
совместимости
Рассматривая электромагнитную совместимость как
показатель качества продукции, необходимо на различных этапах
ее создания (планирование, испытания, оценка качества)
соблюдать целый ряд рекомендаций и норм, охватывающих
комплекс непрерывно совершенствующихся вопросов
электромагнитной совместимости. Некоторые из них содержатся в
[1.6-1.12]. В каждой стране существуют национальные
комитеты, институты и т.д., разрабатывающие национальные нормы
по электромагнитной совместимости. Они обычно тесно
связаны с такими международными организациями, как
Международная конференция по большим энергетическим системам
(СИГРЭ), Международная совещательная комиссия
телеграфной и телефонной службы (CCITT), Международный союз по
производству и распределению электроэнергии (UNIPEDE),
технический комитет ТК 77 и другие комитеты Международной
электротехнической комиссии (МЭК), Европейский комитет по
нормированию в области электротехники (CENELEC),
Специальный международный комитет по радиопомехам (СИСПР) (рис. 1.5).
СИГРЭ занимается проблемами техники связи,
телемеханики, распределительных устройств, вторичной коммутации»
23
национальные
Интерна-
циониль -
ные
Национальные организации
(комитеты, комиссии, общества)
I (сигрз) (штг) (uwm) J^7\
нционн
Шние,, _
тац ионные
rpoacm0a,s
ричяые uenu.i
биологическое
влияние
Техника
связи
Европейские нормы
Л{страныЕВропейс-
\Оо~ратнае\ Отдельные при-\Радиослу^ кого содружества)
1воздепст- dopt/и систе- жо~а
воздейст-
виепотре-
Жителей
на сеть
(Горы и систе-,
мы для сетей
электроснабжения и
сетей данных
Ради
жс~а
Рис. 1.5. Важнейшие организации, занимающиеся нормированием
электромагнитной совместимости
биологического влияния высоких напряжений. Основная
тематика CCITT -техника связи. Вопросы влияния потребителей
на сети электроснабжения - компетенция UNIPEDE и МЭК.
Последняя рассматривает также различные электротехнические
устройства и системы, сети электроснабжения, линии
передачи данных. Технические комитеты CENELEC и СИСПР
анализируют проблемы искрения, разрабатывают европейские и
мировые рекомендации и нормы по электромагнитной
совместимости.
Содержание работ по стандартизации электромагнитной
совместимости. Целевыми объектами работ в области
электромагнитной совместимости, относящимися к электроэнергетике
и технике автоматизации процессов, являются:
терминология, т.е. точно сформулированные понятия и
определения, необходимые для осмысленных разработок и
использования норм;
уровень электромагнитной совместимости и классификация
окружающей обстановки по значениям помех, служащих в
качестве основы при установлении требований по
помехоустойчивости промышленных средств и в качестве меры
допустимого излучения помех;
допустимые значения излучения помех и обратного
действия, вызываемого приборами определенных классов;
классы помехоустойчивости промышленных средств при
определенных электромагнитных воздействиях;
способы и устройства для измерения помех и иных
параметров, относящихся к электромагнитной совместимости;
24
способы испытаний и устройства для тестирования;
отображение в технической документации помех,
помехозащищенности и излучения помех промышленными
средствами;
указания по хранению, транспортировке и обращению с
электронными компонентами, деталями и приборами, например, в
целях предотвращения их повреждений из-за разрядов
статического электричества;
правила оформления разработки и конструкции приборов с
учетом их электромагнитной совместимости;
инструкции по оснащению и сооружению устройств и зданий,
обладающих электромагнитной совместимостью;
программное содержание работ по электромагнитной
совместимости, т.е. рекомендации по отдельным этапам работы на
стадиях проектирования продукции или проработки проблем
электромагнитной совместимости;
параметры специальных деталей и материалов,
используемых при разрешении проблем электромагнитной
совместимости (разрядники, помехоподавляющие элементы, фильтры,
экранные и непроницаемые для высоких частот материалы,
проводящие лакокрасочные покрытия, материалы для полов
и т.п.).
Далее в качестве конкретного примера приведем основную
концепцию публикаций комитета ТК 77 МЭК
"Электромагнитная совместимость электрооборудования, включая сети" и
основную концепцию этих публикаций по вопросам
стандартизации электромагнитной совместимости, вытекающую из ее
оглавления:
Часть 1. Общие вопросы: общее рассмотрение, определения
терминология.
Часть 2. Электромагнитная окружающая обстановка:
описание окружающей электромагнитной обстановки,
классификация окружающей обстановки, уровни электромагнитной
совместимости.
Часть 3. Допустимые значения: допустимые значения
излучения помех, допустимые значения помехоустойчивости.
Часть 4. Способы испытаний и измерений: способы
измерений, способы испытаний.
Часть 5. Рекомендации по оснащению устройств и защитные
мероприятия: рекомендации по оснащению, защитные
мероприятия и устройства.
Часть 9. Разное.
В остальном ТК77 МЭК занимается общими аспектами
электромагнитной совместимости. Главной его задачей
является разработка базисных документов применительно к
электрическим сетям, системам автоматизации и представляющим
для них интерес приборам и устройствам, в которых
необходимо учитывать специфические процессы, связанные с
электромагнитной совместимостью.
По таким проблемам, как подавление искрения (немецкие
индустриальные нормы Союза немецких электротехников
DIN VDE 0871-0879), воздействие на информационные
системы сильноточных устройств (DIN VDE 0228), в настоящее время
для практического использования инженерами существует
ряд национальных стандартов, норм, рекомендаций. Приведем
лишь частичный перечень (более полные сведения
содержатся в [К.32-К.34]).
Гражданские нормы по электромагнитной совместимости
Е DIN VDE 0839
DIN VDE 0843
DIN VDE 0846
DIN VDE 0847
DIN VDE 0848
DIN VDE 0870
DIN 40839
GL
VdS2110/Form3037
26
электромагнитная совместимость,
электромагнитная совместимость
измерительных, управляющих и
регулирующих устройств в индустрии
(идентично нормам МЭК 801).
измерительные устройства для
определения электромагнитной
совместимости.
методы измерений электромагнитной
совместимости.
опасное воздействие
электромагнитных полей.
электромагнитное влияние,
электромагнитная совместимость
автомобильного транспорта,
электромагнитная совместимость:
рекомендации по электромагнитной
совместимости электрооборудования
судов (GL - Немецкая служба Ллойда,
рекомендации и нормы),
рекомендации по устройствам,
сигнализирующим об опасности,
электромагнитная совместимость, требования
и методы испытаний (VdS - Союз
отраслевого страхования,
рекомендации).
Военные нормы по электромагнитной совместимости
[КЗЗ, 1.9]
VG 95370 - 95378 - электромагнитная совместимость.
VG 96900 - 96903,96907 - защита от электромагнитных
импульсов ядерного взрыва и молнии.
Европейские нормы по электромагнитной совместимости
[1.13-1.15]
Для того чтобы гарантировать свободное передвижение
электрических и электронных приборов и систем на
внутреннем европейском рынке в рамках Европейского
Экономического Сообщества, с 1992 г. вступили в действие принятые
всеми странами законодательные акты в отношении
электромагнитной совместимости. Для этого потребовалось создать
Европейские нормы по электромагнитной совместимости и
привести в соответствие с ними национальные нормы. В основу
Европейских норм положены согласованные в 1989 г.
рекомендации [1.13, 1.14]. Эти рекомендации представляют собой
базис как настоящего, так и будущего регулирования в области
электромагнитной совместимости в Европе. Их действие
распространяется на все без исключений электрические и
электронные приборы, которые создают и излучают помехи или же
функционирование которых может быть нарушено из-за помех.
Перечень основных положений этих рекомендаций следующий:
обязательство всех стран-членов сообщества следить за тем,
чтобы на рынок поступали лишь приборы, удовлетворяющие
требованиям;
регламентации по защитным мероприятиям в отношении
излучения помех и помехоустойчивости;
запрет или воспрепятствование импорту продукции, не
соответствующей нормам;
допустимые специальные мероприятия, например
направленные на предотвращение опасности электромагнитной
несовместимости;
критерии, которыми должны руководствоваться при
определении соответствия изделия нормам;
рассмотрение спорных вопросов при согласовании норм;
предусмотренные санкции, если прибор, не
удовлетворяющий требованиям, попадает на рынок;
лицензии и маркировка приборов;
сроки изъятия необходимых национальных правовых и регу-
27
лирующих предписаний, чтобы ввести с 1992 г. европейские
нормы по электромагнитной совместимости.
Изделия удовлетворяющие этим нормам, могут находиться
во всех странах сообщества в неограниченном обращении.
Однако следует иметь в виду, что изделия, не в полной мере
соответствующие требованиям, могут попадать на рынок
малых стран Европы. Чтобы иметь возможность определить
соответствие требованиям норм [1.13], нужно сравнить показатели с
действующими нормами. Эти нормы в отношении
электромагнитной совместимости разрабатываются под контролем
Европейского комитета по стандартизации в области
электротехники CENELEC. Специально для согласования основных норм
в отношении электромагнитной совместимости образован
технический комитет ТК ПО. Под его управлением
разрабатываются три типа стандартов [1.15], а именно:
базисные стандарты, которые независимо от продукции
включают вопросы измерений и испытаний на электромагнитную
совместимость, классификацию окружающей среды, общие
вопросы комплектования и защитных мероприятий;
общие стандарты, конкретизирующие требсвания к
приборам по электромагнитной совместимости применительно к
специфической электромагнитной обстановке, например в
хорошо защищенных помещениях (компьютерных залах), домашних
условиях, конторских помещениях, индустриальных цехах,
медицинских предприятиях, применяющиеся в ситуациях,
когда отсутствуют специальные стандарты;
стандарты на продукцию в части электромагнитной
совместимости, подразделяемую на семь видов и включающую около
50 видов изделий.
Стандарты на продукцию имеют приоритеты над общими
стандартами.
Принципиально возможно непосредственно или в
переработанной форме использовать в качестве Европейских норм
имеющиеся публикации СИСПР и МЭК.
Приведем европейские нормы, действующие до 1990 г. [1.14].
Они базируются на публикациях СИСПР и касаются прежде
всего излучения помех:
prEN 55011- подавление искрения в устройствах
индустриального, хозяйственного, медицинского и других назначений;
рг EN 55013 - излучение помех радиоприемниками и
подключенными приборами;
28
EN 55014-электроприборы домашнего пользования, ручной
электроинструмент и аналогичные приборы;
EN 55015 - люминесцентные лампы и светильники;
EN 55020 - помехоустойчивость радиоприемников и
включенных приборов;
EN 55022 - информационно-технические устройства.
Спустя некоторое переходное время в Европе будут
действовать единые требования в отношении электромагнитной
совместимости, единые границы допустимого излучения помех,
помехоустойчивости и единые процедуры тестирования и
паспортизации, так как государства Европейского Сообщества
в рамках римского договора 1957 г. обязались согласовывать
национальное право с европейскими нормами.
1.6. Европейский рынок средств электромагнитной
совместимости
Объем реализации продукции на западноевропейском
рынке, связанной с электромагнитной совместимостью (страны
Европейского Содружества и Европейского Экономического
Сообщества) в 1989 г. составил 380 миллионов долларов [1.16] и
возрос к 1994 г. до 780 миллионов долларов благодаря
открытости рынка и введению основных рекомендаций по
электромагнитной совместимости в действие [1.13]. Это соответствует
ежегодному приросту 15%. Процентное распределение объема
торговли по отдельным странам и десяти важнейшим категориям
продукции, а также по основным областям использования
продукции представлено на рис. 1.6-1.8 [1.16]. В основном такие
же распределения сохранятся и далее; лишь в авиации,
космонавтике и военной области ожидается процентное
снижение.
Территориальное распределение (рис. 1.6) является
отображением уровня индустриального развития стран,
одновременно и показателем развития работ в этих странах по
нормированию.
Поставщиками продукции на западноевропейском
рынке являются примерно 270 местных фир^-производителей
посредников, а также около 400 сбытовых обществ.
29
Рис. 1.6. Распределение рынка товаров по странам
Европы, связанных с электромагнитной совместимостью:
I - ФРГ; 2- Великобритания; 3 — Франция; 4 —
Швейцария; 5- Италия; 6— страны Бенилюкса; 7 -
скандинавские страны; 8 - остальные страны
О 10 20 30 40 %
Рис. 1.7. Распределение рынка по 10 важнейшим
категориям продукции:
i -фильтры и другие помехозащитные средства;
2 - экранированные кабины и помещения; 3 —
проводящие покрытия; 4 - испытательные приборы; 5 — гра-
дуировочные, калибровочные приборы; 6 -
проводящие уплотнения; 7 — проводящие полимеры; 8 -
соединительные разъемы; 9 — служба, связанная с
совместимостью; Ю - проводящие наполнители
10 20 30 40 %
О 10 20 30 40 %
Рис. 1.8. Распределение рынка по важнейшим отраслям:
1 — авиационно-космическая и военная техника;
2 - электронная и вычислительная техника; 3 -
промышленность, медицина; 4 — автотранспорт, бытовая
техника; 5 - гражданская связь
1.7. Симпозиумы, конференции по электромагнитной
совместимости
Обмен опытом по актуальным проблемам
электромагнитной совместимости осуществляется на многих периодически
проводимых мероприятиях, как правило, сопровождающихся
деловыми контактами, лекциями, проблемными семинара-
30
ми и выставками продукции. Приведем некоторые из них,
имеющих наибольшие значения для рассматриваемых в
книге проблем:
Интернациональный симпозиум по электромагнитной
совместимости, IEEE, США, с 1959 г., ежегодно;
Вроцлавский симпозиум по электромагнитной
совместимости, Польша, с 1972 г., по четным годам;
Международный Цюрихский симпозиум по
электромагнитной совместимости, Швейцария, с 1975 г., по нечетным годам;
Международная конференция по электромагнитной
совместимости, Великобритания, с 1978 г., по четным годам;
Электромагнитный импульс ядерных взрывов, США, с 1978 г.,
по четным годам;
Семинар по электромагнитной совместимости ESTEC,
Нидерланды, с 1978 г., нерегулярно;
Национальный коллоквиум по электромагнитной
совместимости, Франция, с 1981 г., по нечетным годам;
Международная конференция по электромагнитной
совместимости, электромагнитным импульсам, Индия, с 1983 г.,
по нечетным годам;
Выставка по электромагнитной совместимости, США,
с 1986 г.;
Конгресс по электромагнитной совместимости, ФРГ,
Карлсруэ, с 1988 г., каждые два года.
Глава вторая. ИСТОЧНИКИ И ЗНАЧЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ,
КЛАССИФИКАЦИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
2.1. Обзор
Электромагнитная обстановка, в которой работают средства
автоматизации, обусловлена наличием большого числа
отдельных источников помех. При систематизации помехи можно
разделить на две большие группы: естественные источники,
обусловленные природными электромагнитными явлениями,
и искусственные, образованные электромагнитными
процессами в технических устройствах (рис. 2.1). Среди известных
естественных источников для средств автоматизации важны раз-
31
Внешние источники помех
Естественные
Атмосферные
разряды
Разряды
статического
электричества
Искусственные
Электромагнит -
ныв процессы в
технических
системах
Ядерные
взрыВы
Рис. 2.1. Внешние и внутренние источники помех, виды поступающих в
устройство и исходящих из него помех:
1 - сеть электропитания; 2 - разряды статического электричества; 3 — прибор
автоматизации; 4 — внутренние источники; 5 — информационные входы; 6 —
информационные выходы; 7 — заземление; 8 — электромагнитная обстановка
ряды атмосферного электричества при локальной грозовой
деятельности в виде молний, а также возможные разряды
статического электричества между телами, получившими
заряды разной полярности. Все другие естественные источники -
глобального, солнечного и космического происхождения и
вызванные ими помехи в виде атмосферных шумов, геомагнитных
и геоэлектрических полей, солнечного и космического
излучений играют для рассматриваемой области слабую роль.
В качестве искусственных источников электромагнитных
помех рассматривают все процессы при нормальных рабочих и
аварийных режимах приборов, машин, электроэнергетических
установок, устройств информационной техники, находящихся
вблизи средств автоматизации. К ним же относится
электромагнитный импульс, возникающий при внеатмосферных ядерных
взрывах.
Электромагнитные помехи, излучаемые различными
источниками воздействуют на приборы, линии сигналов или данных,
32
а также на системы электропитания, заземления устройств
автоматизации отдельно или комбинированно при случайном
наложении во времени. Внутрь прибора они могут попасть
совместно с полезными сигналами или с напряжением
питания по проводам (и, i), либо полевым путем (Е, Н), а также
через антенны.
В дополнение к этим помехам, вызванным внешними
источниками, могут возникнуть и внутренние помехи,
распространяющиеся по проводам или в виде поля внутри системы.
На рис. 2.1 поясняются описанные ситуации. Не следует
забывать, что прибор автоматизации может быть одновременно
и чувствительным к помехам, и сам излучать помехи (см.
рис. В.1). Дадим краткий обзор отдельных механимов и причин,
приводящих к появлению помех и определяющих их
интенсивность.
2.2. Внутренние источники помех в системе
Причинами появления внутренних помех в системе, т.е.
взаимного влияния приборов или конструктивных элементов,
являются:
напряжение питания с частотой 50 Гц;
изменения потенциала в сетевых проводах питания
устройств электроники;
изменения сигналов в проводах управления или линиях
передачи данных;
высокочастотные или низкочастотные тактовые сигналы;
коммутационные процессы в индуктивностях, например в
герконах на печатных платах;
магнитные поля ходовых механизмов с накопителями
энергии:
искровые разряды при замыканиях и размыканиях
контактов;
резонансные явления при замыкании контактов [2.1].
Кроме того, в устройствах автоматизации могут возникнуть
и другие электрические факторы, которые станут причиной
нарушения функционирования. Это - переходные
сопротивления в контактах, шумы активных и пассивных элементов, дрейф
параметров элементов, разброс времени коммутации в
логических устройствах, исчезновения сигналов при передаче,
явления отражения в линиях, вибрации и микрофонный
эффект в контактах, пьезоэлектрические смещения зарядов
зз
при сжатии и изгибах изоляции (заряд помехи Д Q при
изменении силы AFсоставляет примерно A Q/AF ** 10"13 Кл/Н), а
также контактные напряжения, схемоэлектрические и
термоэлектрические эффекты в точках соединения проводников из
различных материалов. Например, каждое место спайки,
скрутки или резьбовое соединение двух различных материалов
представляет собой термоэлемент, термонапряжение которого
изменяется примерно до 40 мкВ при изменении
температуры на 1°С.
Эти возможные паразитные эффекты необходимо учитывать
при разработке и изготовлении электронных средств
автоматизации и соответствующими мерами, например подавлением,
нужно ограничить их влияние.
2.3. Внешние источники помех
2.3.1. Грозовой разряд
Приблизительно 2000 гроз существуют одновременно на
Земле, вызывая около 100 разрядов молний ежесекундно [2.2].
Атмосферные возмущения, вызываемые грозовой
деятельностью, создают помехи радиосвязи и обостряют проблемы
электромагнитной совместимости. На функционирование средств
автоматизации может оказывать действие местная грозовая
деятельность. В среднем в Европе число грозовых дней в году
составляет от 15 до 35, а число ударов молнии, приходящихся на
один квадратный километр площади, за год равно от 1 до 5,
причем первая цифра относится к северным районам, а
последняя - к южным.
Энергия канала разряда, составляющая примерно 105 Дж/м,
вызывает акустическое (гром), термическое, световое,
электромагнитное воздействия на окружающую среду. При этом
могут происходить специфические повреждения объектов
(разрушения, пожары) при непосредственных ударах в объект.
Несмотря на то число таких повреждений за счет внедрения
соответствующих средств грозозащиты непрерывно снижается,
вред, наносимый косвенным воздействием молний на
электронные средства в индустрии, сфере обслуживания и других,
резко возрастает (рис. 2.2).
С точки зрения интенсивности воздействия молнии
различают непосредственные или близкие удары и удаленные
разряды (рис. 2.3). При непосредственных и близких ударах молния
34
Рис. 2.2. Ущерб в Верхней Австрии, %
вызванный молниями, по годам [2.3]: 2000
1 - прямой ущерб; 2 - косвенный WQQ
ущерб 50°
200
50
20
10
г!_
Х^
-—«а
- —
. -
— 1
<г
,1
л—-
—-'■'■—*
■ ■—
А?7<7
1380
Гады
Рис. 2.3. Возможные воздействия молнии:
D — непосредственный удар; F — удаленный разряд; PAS — шина
выравнивания потенциалов; #£ - сопротивление заземления (0,5—10 Ом); S - петля,
образованная проводами; W - разряд между облаками; 1 - защищаемый объект; 2 -
часть защищаемого устройства; 3 — трансформаторная подстанция; 4 — кабель
линий управления, связи; 5 — кабель низкого напряжения; 6 — воздушная линия
электропередачи
ударяет в молниеприемники защищенных зданий, устройств,
соединенных, например кабелями низкого напряжения,
линиями связи и управления. Рисунок 2.4 и табл. 2.1 дают
представление о токах молнии и об их специфическом воздействии.
В дополнение к этому на рис. 2.5 приведены статистические
данные о максимальном значении и крутизне токов молнии.
При одной молнии могут наблюдаться до 10 таких импульсов
тока, следующих друг за другом с интервалом от 10 до 100 мс.
С точки зрения электромагнитной совместимости интерес
представляет то обстоятельство, что при ударе молнии в
заземляющее устройство его потенциал относительно
удаленных точек земли может повыситься до миллиона вольт, и
что в петлях, образованных сигнальными кабелями и
проводами, связывающими различные объекты, в том числе и в линиях
35
с
пах
0
Л
0,25-Юпкс
\>W/R= /с2 eft
v\
Ш^ч
VvVxVVVV^Xi^V^^N^ /
~10~* мкс
Рис. 2.4. Форма импульса тока
молнии при разряде с облака
на землю
Таблица 2.1. Характеристики воздействия молнии на объекты
Параметр
Максимальный ток
Крутизна тока Заряд
S = di/dt Q
Интеграл
Значение 2-200 кА
2-200 кА/мкс 150-300 А-с
2,5-10 МДж/Ом
Воздействие в
точке удара
Повышение
потенциала
относительно
удаленной
земли
Индуктирование
напряжения в
петлях
Плавление
металла в
точках
удара
PAS
Нагрев
проводников, по
которым
протекает ток молнии
Примеры 1т =200 к А; 5=200кА/мкс; ПриО=300Кл При W/R-
■■ 5 Ом;
а = 10 м;
Ъ = 0,1(10) м; миниевые
щ=40 В (216 кВ) стенки
толщиной до
5мм
плавятся алю- = 10 МДж/Ом
плавятся
медные
провода
сечением 10 мм2
и стальные
сечением
25 мм2
36
Р;°/о
33
35
30
70
. 50
20\
2
0,5
О,'
\
ч
V
\
>
ч
\
ч
\
V
л
'зз
35
30
70
50
20
5
2
as
10°2 5 W11 5 Г0г21тах,кА
а)
1
V-
\
к
\
\
\
V
\
i
\
' ШГ2 5 Wz2 5, кА)икс
Рис. 2.5. Распределение вероятности Р максимальных значений токов молни;*
1тах (а) и крутизны S = di/dt (б) [К.25]:
1 - статистическая обработка с учетом длительностей крутизны в микросе-
кундном диапазоне; 2 - то же в наносекундном диапазоне
электроснабжения, передачи данных, могут, в зависимости от
размеров петель и расстояний до места удара, индуктироваться
напряжения от нескольких десятков вольт до многих сотен
киловольт [К.8, К.9, К.26,2.4].
При удаленных ударах молнии, например при разрядах на
линии среднего напряжения или при междуоблачных разрядах,
индуктированные перед разрядом заряды на линиях
электропередачи освобождаются. В этом случае вдоль линии с большой
скоростью распространяется волна перенапряжения. При
достижении подстанции, которая питает сеть низкого
напряжения, перенапряжения ограничиваются либо электрической
прочностью изоляции, либо остающимся напряжением
защитных разрядников до нескольких десятков киловольт. Если у
объекта отсутствуют защитные устройства, ограничивающие
перенапряжения, то могут происходить неконтролируемые
перекрытия и пробои в слабых местах изоляции или в самом
простом варианте нарушения функционирования
электронного оборудования из-за проникновения помехи через систему
его питания.
Любая молния и любой ток в проводах, обусловленный
молнией, вызывают переходные электромагнитные поля, которые
могут вызвать в электрических контурах напряжения с
мешающими или разрушающими последствиями (см. § 4.4). Оценка на-
пряженностей этих полей на расстояниях 10 и 100 м от канала
молнии приведена в табл. 2.8, а изменение их во времени
показано на рис. 2.13.
37
В связи с опасностью грозовых разрядов реализуется
концепция двухступенчатой защиты посредством так называемых
внешних и внутренних мероприятий по молниезащите.
Внешняя молниезащита охватывает все мероприятия,
направленные на то, чтобы организовать отвод тока молнии так, чтобы
внутри здания не возникали высокие разности потенциалов
и сильные электромагнитные поля помех. Внутренняя
молниезащита должна снизить до приемлемых остающиеся
воздействия на объекты внутри помещения.
2.3.2. Разряды статического электричества
Под разрядами статического электричества понимают
процессы выравнивания зарядов между отдельными твердыми
телами, жидкими и газообразными средами, несущими
разные электростатические заряды. Они обычно сопровождаются
скользящими, коронными, искровыми или подобными молнии
разрядными явлениями, однако выравнивание может
происходить также исключительно за счет электропроводности в
месте контакта, если разность потенциалов перед касанием
тел не превышает 330 В. При возникновении искр могут
воспламениться горючие газы или пары или инициироваться
взрывоопасные смеси, а вызванные разрядами токи и поля
могут повредить электронные элементы, вывести из строя или
нарушить функции электронного оборудования (рис. 2.6).
Первое названное воздействие относится к области пожаробе-
зопасности или взрывобезопасности, а последнее - к области
электромагнитной совместимости.
Заряды статического электричества, вызывающие опасные
воздействия, могут возникать различными путями. Однако
при изготовлении и применении электронных элементов и
приборов существенны два механизма электризации: за счет
индукции и трения.
Рисунок 2,7 наглядно поясняет принцип электризации путем
индукции. Пусть электрически нейтральное тело В попадает в
электростатическое поле, образованное, например,
заряженными телами А и С. При этом в теле В происходит поляризация
зарядов. Если затем отвести, например, отрицательные заряды
тела В на тело С через проводящее соединение V (контакт
или искру), то тело В останется заряженным положительно
даже в том случае, если внешнее поле исчезнет.
38
Рис. 2.6. Примеры воздействия разрядов статического электричества на
электронные элементы и приборы:
а - повреждение или разрушение схем при непосредственном воздействии
тока 1 или вызванных им полей Е, Н при касании рукой или инструментом,
несущими заряд статического электричества; б — повреждение элементов или
создание помех за счет напряжения ust, индуктированного магнитным полем в низко-
омкой или электрическим полем в высокоомной петлях; G - корпус
электронного устройства; 1С - интегральная схема; LP - печатная плата
2
Рис. 2.7. Электризация за счет индукции:
1 - тело В электрически нейтрально; 2 — поляризация тела В в электрическом
поле; 3 - отвод отрицательных зарядов при искровом разряде или касании
тела С; 4 — тело В заряжено положительно
Рис. 2.8. Электризация трением:
1 - две субстанции Аи В в нейтральном состоянии; 2 - фаза касания или
трения; 3 -Л заряжена положительно, В - отрицательно
Если тело В входит в контур, образующий электрическое
поле, то уже связанные с эффектами поляризации токи могут
вызвать помехи или повреждения в контуре.
Наиболее часто встречающаяся форма возникновения
паразитных электростатических зарядов - электризация трением.
Она возникает, если два различные, первоначально
нейтральные тела (или две субстанции) А и В (рис. 2.8) соприкасаются,
трутся друг о друга, а затем разъединяются. Одно тело
передает электроны другому и заряжается положительно, а тело,
получившее электроны, - отрицательно. Полярность и значение
зарядов зависят, с одной стороны, от таких свойств материалов
тел, как структура материала и поверхности, диэлектрическая
проницаемость, объемная и поверхностная электрическая
проводимость, а с другой - от ряда внешних факторов, например от
размера контактной поверхности, интенсивности трения,
силы сжатия тел перед разделением, скорости разведения,
температуры, влажности воздуха, причем последняя имеет
очень большое влияние.
Токи в процессе зарядки составляют от сотен пикоампер
до нескольких микроампер, а электростатические заряды - от
3 нКл до 5 мкКл. Электростатическая разность потенциалов
между телами определяется после окончания процесса
зарядки отношением приобретенного заряда Q к емкости САВ тел
между собой: UAB = Q/ САВ.
Приведем ряд некоторых материалов и предметов по
степени способности передачи электронов в порядке следования:
воздух, рука человека, асбест, кроличья шкурка, стекло,
слюда, волосы человека, нейлон, шерсть, мех, свинец, шелк,
алюминий, бумага, хлопок, сталь, дерево, янтарь, сургуч, эбонит, никель,
медь, латунь, серебро, золото, платина, сера, ацетатный шелк,
полиэфир, целлюлоид, полиуритан, полиэтилен,
полипропилен, поливинилхлорид (винил).
Паразитная электризация трением проявляется в
промышленности вследствие контакта тела человека с его одеждой,
с сидением, с полом, с рабочими средствами и предметами,
а также при соприкосновании деталей, панелей, приборов с
устройствами для обработки, тарой при их хранении и
транспортировке. Процессы трения могут быть обусловлены как
естественными движениями тел, нормальными рабочими
операциями, такими технологическими процессами и операциями,
как вентиляция, продувка, опрыскивание, распыление,
упаковка и распаковка, загрузка, а также сотрясениями, вибрациями
при транспортировке. В табл. 2.2 приведены сведения о
предметах и материалах, склонных к электростатической
электризации, в табл. 2.3 - характерные значения электростатических
напряжений, а рис. 2.9 ^информирует о влиянии влажности
воздуха на напряжение [2.10]. Напряжения лежат в пределах
40
'max.
к В
12
10
8
6
0 2
<
\
J
\
\
\
\
v
л
Xs
0
20
60
80 p,%
о/
Рис. 2.9. Повышение потенциала тела человека при ходьбе по полу [К.9] (а) и
влияние на потенциал относительной влажности воздуха Р при прохождении б м
по полу с поливинилхлоридным (i) и резиновым (2) покрытиями [К.15]
Таблица 2.2. Первичные источники статического электричества
Предмет
Материал
Рабочие столы
Рабочие стулья
Полы
Одежда
Упаковка, тара
Инструмент
Документация,
бумага,
письменные принадлежности
Покрытые пластиком, лакированные или натертые
мастикой поверхности
Пластик, фибергласе, лакированные деревянные
поверхности, дедероновые чехлы, мягкая сбивка на
основе пенорезины, незаземленные металлические
стулья
Лакированные бетон, натертое дерево, пластиковые
покрытия, каменные плиты, ковры из синтетических
материалов
Рабочая и прочая одежда из синтетических
материалов, хлопка, не подлежащая глажению, обувь с креповой
или резиновой подошвой
Коробки, кляссеры, футляры, чехлы, кожухи, сумки,
пакеты и упаковочные материалы из пластмассы
Инструмент с пластмассовыми ручками,
незаземленные работающие паяльники, оксидированные
алюминиевые и анодированные металлические поверхности,
всасывающие патрубки из пластика, щетки и кисти с
синтетической щетиной, изолированные каретки в
устройствах поточной пайки, испаряющийся флюс
Бумага любого вида, фотокопии, фольга, пишущие
приборы из пластика
41
Таблица 2.3. Значения напряжений статических зарядов, измеренные
на одном ю предприятий электронной техники при относительной влажности
воздуха 24% и температуре 2ГС
Причина возникновения
Произвол- Измеренное
ственное напряжение,
помещение В
Человек, идущий по полу с поливинилхло-
ридным покрытием
Человек, работающий за верстаком
Человек, держащий пластмассовую сумку
перед верстаком
Человек, заполняющий приемный бункер
автоматического сортировочного
устройства
Извлечение пластиковой микросхемы из
пластикового пакета
Извлечение пластиковой микросхемы из
пенопластовой тары
Упаковка керамической микросхемы в
пластмассовый футляр и извлечение из него
Упаковка керамической микросхемы
в пенопластовую тару и извлечение
из нее
Манипуляции с распаячным устройством
из пластика
Размещение отдальных печатных плат в
пластиковый чемодан
Человек, идущий по нейлоновому ковру
Полиэфирная натертая сумка, положенная
на верстак с поливинилхлоридным
покрытием
Монтажное 200-9000
То же 100-3000
" •• 300-7000
" " 100-2000
»» »»
»> »»
»» »»
*> »»
Ремонтная
мастерская
Испытательное
помещение
Канцелярское
помещение
Лаборатория
До 20000
До 11000
До 4000
До 5000
500-1500
100-800
10000-15000
100-800
(2000 В при
подъеме
сумки на 10 см)
0,1-20 кВ, что значительно выше допустимых для электронных
элементов (см. табл. 3.2).
С электронными деталями, элементами и приборами
необходимо особенно осторожное обращение, чтобы избежать их
повреждения из-за электростатических явлений. Рекомендации
по этому вопросу содержатся в п. 7.2.5. Особое значение при
обращении с электронными приборами имеет возможный элект-
42
ростатический заряд тела человека, попадающий на
переключающие схемы, печатные платы, элементы управления, корпусы
приборов при их транспортировке, монтаже, испытаниях,
эксплуатации, ремонте и сервисном обслуживании. Тело человека
обладает емкостью относительно земли Ск = 100-*-300 пФ. Если
человек идет по полу с синтетическим покрытием, то эта
емкость может зарядиться приблизительно до £/„,„,,= 15кВ
(рис. 2.9, а), и накопленная энергия
Jmax
max
(10 + 35) мДж ,
При приближении человека к заземленному корпусу
электронного прибора произойдет искровой разряд, и так как обычно
соблюдается условие R > 2 V L/ Ск> то будет иметь место
апериодический процесс. В табл. 2.4 приведены типичные импульсы
тока, амплитудный частотный спектр этих импульсов, а также
индуктированный импульс напряжения в петле площадью
1 см3, расположенной на расстоянии 10 см от контура тока.
Импульс тока представляет собой кривую, образованную двумя
экспонентами. Его фронт выражается постоянной времени
тх ■ L/R, а спад - постоянной т3 « RCK. Впрочем, на практике
наблюдаются отклонения от этой формы импульса (рис. 2.10),
которые зависят от многих параметров и условий разряда.
Среди них играют роль:
значение электростатического напряжения и связанное с
ним появление коронных разрядов;
скорость приближения руки человека к корпусу (У=0,01*0,5м/с);
Тг<1нс
dl/dt <W0A/hc
Tr = h20 НС
■ I/ ' V
Т„=2->20нс
V/.
3-4
8-Ш Umax,KB 35-W
Рис. 2.10. Типичные формы тока разряда при медных электродах диаметром
3-10 мм, скорости их сближения 0,02-0,2 м/с и различных напряжениях UM[2.16]
43
S
С?
Ю
а
н
44
Ж со
|«
О со
о со
О Л
X
i
о о
(К ^
l
» §
»л _ со
■^i I
II II •*>•
I
*
I
J -8
sli!
£. 5 с о
в s
S § $ н
w к *• a
e
J
II ^
§ S
^ II
1
1,
ё?
45
присутствие вблизи руки металлических предметов;
геометрическая конфигурация поверхностей вблизи точек
возникновения разрядов;
локальные ионизационные факторы, пыль и другие
загрязнения воздуха в разрядном промежутке;
атмосферные условия: температура, давление и влажность
воздуха;
конкретные соотношения полных сопротивлений в
разрядном контуре.
Наиболее сильное воздействие разрядов статического
электричества получается тогда, когда в руке или на руке имеется
металлический предмет (ключ, отвертка, проводящие
браслеты и т.д.). В этом случае крутизна тока, определяющая
индуктированные напряжения помех, может достигать 100 А/нс.
Наблюдаются также разряды статического электричества
в компьютерных залах, кабинетах управления, испытательных
помещениях с подвижных предметов (кресел, приборных
тележек, полок с печатной бумагой, пылесосов) на корпусы
электронных приборов при их случайном касании [2.12, 2.15].
Параметры таких разрядов приведены в соответствующем столбце
табл. 2.4, что позволяет наглядно сравнить их с разрядами с
тела человека.
В этом случае R<2^L/CK, и ток разряда представляет
собой затухающие колебания. Сравнивая в обоих случаях
наведенные в электрическом контуре площадью 1 см2 напряжения
щ (см. рис. 4.23), можно утверждать, что, несмотря на меньшую
амплитуду, разряды с передвижных предметов создают более
существенные помехи из-за гораздо большей длительности
первого импульса напряжения помехи.
Как уже упоминалось, каждый разряд статического
электричества сопровождается электрическими и магнитными
полями (см. рис. 2.6). Значения напряженностей этих полей по
данным [2.17,2.18] приведены в табл. 2.8.
Основными методами предотвращения вредного воздействий
электростатических разрядов и ограничений
несанкционированного функционирования средств электроники под их
воздействием являются: предотвращение или ограничение
накопления зарядов; отвод или нейтрализация неизбежно
возникающих паразитных зарядов; сведение к минимуму полевых и
разрядных эффектов.
»
46
2.3.3. Технические электромагнитные процессы
Необозримо число и разнообразие электрических и
электронных средств, предметов широкого потребления, устройств,
служащих для производства, передачи, распределения
электроэнергии и превращения ее в другие виды энергии и
используемых в электроэнергетике, электротехнологии, информационной
и вычислительной технике, электромедицине, канцелярском деле и
домашнем хозяйстве. Практически во всех этих устройствах
и вычислительной технике, электромедицине, канцелярском
деле и домашнем хозяйстве. Практически во всех этих
устройствах и приборах протекают нормальные и аварийные
электромагнитные процессы, являющиеся потенциальными
источниками помех. Грубо все процессы можно разделить на два класса,
помехами в областях низких, средних или высоких частот от
нескольких герц до 100 ГГц. Они создаются всеми устройствами
электроснабжения переменного и многофазного напряжения,
выпрямительными приборами и устройствами, кабелями и
воздушными линиями электропередачи низкого, среднего и
высокого напряжений, коллекторными и коммутационными
системами электрических машин, люминесцентными лампами,
коммутационными сетевыми устройствами, системами
зажигания двигателей внутреннего сгорания, компьютерными
системами, диатермическими устройствами, микроволновыми
печами, установками индукционного нагрева, сварки,
радиопередатчиками, телепередатчиками, устройствами
радиосвязи, радиопереговорными аппаратами, системами
радиоуправления, переносными телефонами, радарами и многими
другими видами аппаратуры. В табл. 2.5-2.7 приведены
ориентировочные значения параметров создаваемого различными
источниками электромагнитного поля промышленной и высокой
частоты.
Второй класс охватывает процессы, создающие
апериодические, случайно возникающие во времени помехи, как правило,
с широким частотным спектром. Причинами появления таких
помех в устройствах высокого напряжения являются [2.4,2.8]:
коммутации холостых линий, конденсаторных батарей или
малонагруженных трансформаторов;
коммутации участков сборных шин разъединителями;
подключение, отключение или сброс большой нагрузки;
возникновение коротких замыканий, замыканий на землю
фазы или двух фаз, повторные включения.
Таблица 2.5. Ориентировочные значения напряженностей магнитного
поля промышленной частоты на промышленных предприятиях [2.19, 2.20]
Предприятие,
устройство
Место измерения
Напряженность,
А/м
Электростанция На расстоянии 0,3; 0,5; 1; 1,5 м
от генераторных сборных шин с током
2,2 кА
Вблизи трансформатора мощностью
190 МВ-А, связывающего генератор
с сетью высокого напряжения
На расстоянии 0,3; 0,5; 1; 1,5 м от
ячейки распределительного устройства
6кВ
На расстоянии 0,3; 0,5; 1 м от
трансформатора мощностью 0,6 МВ-А среднего
напряжения
На расстоянии 0,3; 0,5; 1 м от двигателя
насоса мощностью 6 MB* А с
номинальным током 0,65 кА на стороне
кабельного подвода среднего напряжения
В приборном помещении на
расстоянии 0,3 м от многоканального
записывающего устройства
В диспетчерской на расстоянии 0,3 м от
записьюающего устройства
Под проводами в середине пролета
при токе 1 кА
Линия
электропередачи
400 кВ
Подстанция
Электростанция
на буром угле
Электротяговая
подстанция
16, 67 Гц
Под сборными шинами 400 кВ вблизи
присоединения линии с током 0,6 к А
Под сборными шинами вблизи
присоединения линии 200 кВ с током 0,5 кА
В помещении с релейным
оборудованием на расстоянии 0,1; 0,3 м от
трансформаторов напряжения
На пульте управления на расстоянии 20 м
от генератора
В помещении с вычислительной
техникой на расстоянии 16 м от
распределительного устройства 15 кВ
Непосредственно в распределительном
устройстве
36; 22; 12; 6,5
6,4
13; 9; 4,3; 2,4
14; 9,6; 4,4
26; 15; 7
10,7
0,9
10
9
14
7; И
8
4-6
До 80
48
Продолжение табл. 2.5
Предприятие, Место измерения Напряженность,
устройство А/м
Электролизное В помещениях рядом с электролизным 1600 А/м,
хлорно-газовое устройством постоянное поле
устройство с наложенным
переменным полем
напряженностью
4 А/м
Устройство В помещениях на расстоянии 6 м 1200 А/м,
для плавки от шин с током 100 кА постоянное поле
алюминия
Таблица 2.6. Характерные напряженности электромагнитного поля
в промышленных условиях [2.21]
Промышленное предприятие Максимальное значение напряженности
электрического поля, В/м
1-10 кГц 0,01-1 МГц 1-100 МГц 0,1-1 ГГц
Тепловая электростанция - 5,7 0,06 -
Котельные высокого давления 14,2 5,3 1,2 20
Сталеплавильный завод 20 2,7 0,1 15
Завод по производству - 2 0,02 -
удобрений
Таблица 2.7. Примеры характерных напряженностей поля
в непосредственной близости от электротехнических приборов и устройств [К.25]
_ л w Рабочая Напряжен-
Прибор, устройство та/
у J * • частота ность, В/м
Радиопередатчики:
средних волн, 20 кВт
коротких волн, 100 кВт
Радиопереговорные устройства (1-10 Вт, на
расстоянии 0,5 м)
Установки индукционного нагрева
Устройства сварки пластиковых пленок
Приборы домашнего обихода, на расстоянии
0,3 м:
холодильник
миксер
600 кГц
15 МГц
0,3-3 ГГц
450 кГц
27,12 МГц
50 Гц
50 Гц
2-17
1-25
1-10
37-400
70-35
60
50
При этом в сети высокого напряжения могут возникать
затухающие колебания частотой сотни килогерц и
перенапряжения, во много раз превышающие номинальное напряжение,
приводящие к перенапряжениям до 15 кВ на стороне низкого
напряжения.
В сетях низкого напряжения причинами появления
апериодических помех могут быть [2.4,2.9]:
отключение индуктивностей (трансформаторов, дросселей,
катушек коммутационных и исполнительных механизмов),
включенных параллельно источнику питания;
отключение индуктивностей токовых контуров (продольных
дросселей, индуктивностей проводов, шин), причем
отключение может происходить выключателями как планово, так и
аварийно при обрывах проводов или срабатывании защитных
устройств;
включение и отключение люминесцентных ламп;
процессы зажигания и обрыва дуги сварочных агрегатов;
работа таких сильноточных электротехнологических
устройств, как дуговые печи, контактные, в том числе сварочные,
установки встык, устройства сварки оплавлением;
коммутации ненагруженных кабелей и линий
электропередачи, электронагревательных устройств, непрогретых
люминесцентных светильников, сопровождающиеся бросками тока и
большими скоростями его изменения;
вибрации механических контактов (возникновение серии
импульсов).
К наиболее интенсивным помехам, опасным для дискретных
средств автоматики в устройствах низкого напряжения,
относятся создаваемые при коммутации индуктивных цепей.
Эти помехи тем интенсивнее, чем синхроннее срабатывают
контакты устройств, содержащие последовательно
соединенные контактные промежутки для ослабления эрозии
контактных электродов. В неблагоприятных случаях следует принимать
во внимание следующие возможные значения помех:
перенапряжения в местах их возникновения до 10 кВ;
крутизна перенапряжений до 100 В/нс;
время нарастания импульса перенапряжения от 1 не до 1 мс;
скорость уменьшения напряжения при вибрациях 2-5 кВ/нс;
длительность импульсов при вибрациях от 100 не до 1 мс;
обусловленные этим напряжения помех в сети или линии
передачи данных до 3 кВ.
50
Рис. 2.11. Частотные спектры
электромагнитных импульсных (а) и периодических
(б) процессов, вызывающих помехи в
электрических установках и приборах:
1 -коммутационные процессы:
2-броски нагрузки; 3 — радио, телевидение; 4 —
компьютерные системы; 5 — сетевые
коммутационные устройства; 6 —
электротехнологические установки; 7 —
электропривод; 8 — централизованное управление;
9 — сеть электропитания
1J°W
В дополнение к сказанному на рис. 2.11 приведены
обобщающие сведения о частотных диапазонах периодических и им
пульсных электромагнитных процессах в устройствах и
приборах.
2.3.4. Ядерные взрывы
При взрыве ядерного заряда освобождается в результате
ядерной реакции большое количество энергии [К.21, КЗЗ, 2.23].
Наряду с другими явлениями при этом возникает импульс
гамма-излучения, длящийся примерно 100 не и уносящий
около 0,1% общей энергии. Гамма-излучение в атмосфере
вызывает электронный ток, сопровождающийся сильным
электрическим полем. Это весьма кратковременное явление называют
электромагнитным импульсом ядерного взрыва. Его влияние
особенно сильно, если взрыв происходит за пределами
атмосферы (на высоте более 60 км, рис. 2.12). При так называемом
внеатмосферном ядерном взрыве на поверхности земли не
проявляются ударная или тепловая волны, однако вблизи
поверхности _земли на расстоянии от нескольких сотен до тысяч
километров от точки взрыва возникают сильные
электромагнитные поля, по своей интенсивности такие же, как и при
грозовых разрядах (табл. 2.8), однако имеющие значительно
меньшие времена нарастания (рис. 2.13).
Как и при ударах молнии, при взрыве в кабелях и линиях
электропередачи индуктируются очень высокие напряжения,
которые вследствие гораздо большей скорости изменения не
могут быть снижены обычными разрядниками. В этом случае
могут помочь лишь защитные мероприятия, заключающиеся в
использовании параллельно включенных ограничивающих
перенапряжения элементов, основанных на различных физи-
51
Рис. 2.12. Механизм формирования электромагнитного импульса ядерного
взрыва мегатонной высотной бомбы [5.3]:
1 — гамма-излучение (коэффициент преобразования энергии х\ = 0,1%); 2 —
эффект Комптона; 3 — область формирования электромагнитного импульса; 4 —
молекулы воздуха; 5 - траектория движения электронов; 6 — атмосфера; 7 -
магнитное поле земли; 8 - электромагнитный импульс (л = 10%). Максимальная
напряженность поля 50 кВ/м, плотность энергии 3 Дж/м
Рис. 2.13. Форма электромагнитного импульса (а) и частотный спектр (б) при
ударе молнии и ядерном взрыве.
Молния: Тг = 10 мкс; т = 350 мкс; Д = 0,3 кГц; /2 = 80 кГц; Л= 100 к А; В = 50 А/Гц.
Взрыв: Г = 5 не; т = 200 не; f1 = 640 кГц; /2 = 76 МГц; Л = 50 В/м; В = 1,35 X
х Ю~2 В/(м.Гц)
ческих принципах [2.24,5.3, 5.50]. Принципиальное значение при
обеспечении стойкости приборов и устройств к
электромагнитному импульсу ядерного взрыва имеет тщательное
высокочастотное экранирование, осуществление передачи
информационных сигналов оптическим путем, а в остальном необходимо
позаботиться о концепции структурного ступенчатого
снижения помех до допустимого уровня. Более подробные рекомен-
52
§
§a
оо о
I -*
«о |
5-
X
оо
CS
vo
cd
о о
7 s
о I
I I
и
Is
S
о
Й
03
ж о
2 8
S &
о Ж
У
о
ТЫ1
S
i
S
hf
<
53
дации по этому вопросу содержатся в нормах VG 96900 - 96903,
VG 96907 [К.ЗЗ]. Стоимость средств защиты от
электромагнитного импульса ядерного взрыва может достигать 5% общей
стоимости устройства системы.
2.4. Значения помех
2.4.1. Основные типы помех и диапазоны
изменения их параметров
Помехи, создаваемые источниками (напряжения, токи,
электрические и магнитные поля), могут возникать как в виде
периодически появляющихся, так и случайно распределенных
во времени величин. В обоих случаях речь может идти как об
узкополосных, так и широкополосных процессах. При
систематизации, в первом приближении, несмотря на бесконечное
разнообразие вариантов, выделяют четыре типа помех.
Характерные их примеры приведены на рис. 2.14, а именно
синусоидальные (например, постоянно действующие, периодические
узкополосные помехи в форме переменного напряжения 50 Гц,
Помехи
Периодические
Непериодические\ сличайные
Узкополосные
Широкополосные \ Узкополосные \ Широкополосные
Временная область
Амплитудные спектры A -)ASP \
Рис. 2.14. Систематизация разновидностей помех
54
проникающие из системы питания, или в виде
высокочастотной несущей волны), прямоугольные (например,
последовательность тактовых импульсов микрокомпьютера, являющихся
широкополосной периодически появляющейся помехой),
периодические затухающие однократные импульсы, случайно
возникающие, например, при коммутациях в сети
электроснабжения, и, наконец, одиночные импульсы, образованные двумя
экспонентами (разряды атмосферного и статического
электричества - примеры апериодических широкополосных помех).
Помехи, возникающие в проводах, могут рассматриваться
как синфазные или противофазные напряжения, токи (рис. 2.15).
Противофазные напряжения помех (поперечные,
симметричные) возникают между проводами двухпроводной линии (ud на
рис. 2.15). Они непосредственно накладываются на полезные
сигналы в сигнальных цепях или на напряжение питания в
цепях электроснабжения, воздействуют на линейную изоляцию
между проводами и могут быть восприняты как полезные
сигналы в устройствах автоматизации и тем самым вызвать
ошибочное функционирование.
Противофазные помехи возникают через гальванические или
полевые связи или преобразуются из синфазных помех в
системах, несимметричных относительно земли.
Синфазные напряжения помех (несимметричные,
продольные напряжения) возникают между каждым проводом и землей
Ч1--|
с А
ЧН
/////
«-
ZQ
п
ч
fQi
t-cr^
7Г
^2 -
1 1
3(
| ,
ftfcr
• ////////////////////^//у//////////
-Hh-
Рис. 2.15. Помехи, связанные с передачей сигналов по линии:
Cg — паразитные емкости относительно заземленного корпуса; Qt - источник
противофазных помех; Q2 — источник синфазных помех; Zq, Z~ — полные
сопротивления источника и приемника помех; i'ci, iC2 — синфазные токи; i^ —
противофазный ток; иС1, иС2 -синфазные напряжения помех; и^ - противофазное
напряжение помех
55
/
итах
du/dt
Е
'max
di/dt
H
Tr
X
W
0-Ю10 Гц
10"6-106 В
0-Ю12 В/с
0-Ю5 В/м
10-9-105 А
0-Ю11 А/с
10-б-108 А/м
10-9-10-2 с
10-8-10с
Ю-9-.1О7 Дж
Таблица 2.9. Возможные диапазоны значений помех [К.11]
Параметр Обозначение Значение
Частота
Максимальное значение напряжения
Скорость изменения напряжения
Напряженность электрического
поля
Максимальное значение тока
Скорость изменения тока
Напряженность л^гнитного поля
Время нарастания импульса
Длительность импульса
Энергия импульса
(ис1,ис2 на рис. 2.15) и воздействуют на изоляцию проводов
относительно земли.
Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью
потенциалов в цепях заземления устройства, например между
точками 1 и 2 на рис. 2.15, вызванной токами в земле (аварийные
токи или токи молнии). Они могут быть также вызваны и
магнитными полями (см. рис. 5.39). /
В табл. 2.9 приведены диапазоны значений помех. /
2.4.2. Способы описания и представления помех
Основные параметры помех. Помехи можно представить и
описать как во временной, так и в частотной областях (см.
рис. 2.14). Обычно не так важно точное описание формы помехи,
как ее точные параметры, от которых зависит ее мешающее
воздействие.
Параметры помех могут быть определены в соответствии с
рис. 2.16. Для периодических помех (рис. 2.16, а) это:
частота / и амплитуда Хтах; эти параметры определяют
амплитуду напряжения помехи Usmax во вторичных контурах.
Для непериодической помехи (рис. 2.16,6) важнейшие
параметры следующие:
скорость изменения Ах/At (скорость нарастания или спада)
помехи х; она определяет максимальное напряжение помехи
Usmax, вызванной во вторичной цепи;
se
Рис. 2.16. Пояснение параметров периодических (а) и непериодических
переходных (б) помех:
Е - приемник сигналов; G - источник сигналов; х - помеха (напряжение или
ток); us — напряжение помехи, обусловленное связью; 1 — влияющий контур; 2 —
гальваническая, емкостная или индуктивная связь; 3 — контур, подверженный
влиянию
изменение времени Af, или интервап времени, в течение
которого, например, помеха х имеет максимальную скорость
изменения амплитуды; этот интервал идентичен длительности
действия напряжения помехи us во вторичной цепи;
максимальное значение изменения амплитуды Ах,
пропорциональное интегралу напряжения помехи вторичной цепи по
времени (площади импульса помехи).
Для взаимосвязанного представления этих величин с точки
зрения электромагнитной совместимости используют при
периодических помехах амплитудный спектр, а для импульсных -
спектр амплитудной плотности (см. рис. 2.14). Оба
представления позволяют применительно к рассматриваемой
(измеряемой) помехе:
оценить воздействие помехи на узкополосную систему;
рассчитать воздействие, обусловленное заданной связью;
выбрать параметры средств подавления помех, например
фильтров;
определить граничные области, например, максимального
возможного или допустимого излучения помех или
характеризовать границы помехоустойчивости;
наконец, получить представление о воздействии при
испытаниях согласно нормам электромагнитной совместимости, т.е.
о параметрах генераторов, применяемых при испытаниях.
Важнейший параметр помехи при непериодических
процессах - спектр амплитудной плотности, который может быть
измерен экспериментально и сопоставлен со спектром импульсов
57
трапецеидальной, прямоугольной или треугольной форм [2.26].
Кратко поясним это [2.27].
В спектре амплитудной плотности величину А = | Asp\
Asp= $ a(t)e-iGitdt;u = 2nf (2.1)
tt=-CO
периодически меняющегося во времени процесса a (t)
представляют в зависимости от частоты / в двойном логарифмическом
масштабе. Для трапецеидального напряжения помехи a(t) = и (t)
в соответствии с рис. 2.17 из (2.1) следует
A'"max*
sin (w т/2) sin(coTr/2)
от/2 0)Гг/2
(2.2)
Эта функция графически приближенно может быть выражена
тремя отрезками прямой с частотами в точках изломов
/к1-1/(ят)и/Ха-1/(яГг) (23)
(см. кривую 1 на рис. 2.18).
Отрезок прямой, параллельный оси абсцисс, определяется
из(2.2) для/<с1/(лт)и выражается в децибелах:
A0=20lg(UmaxT/U6T6), * (2.4)
где Щ - 1 мкВ, тб = 1 с - базовые величины.
Величина А 0 соответствует площади трапецеидального
импульса (интегралу напряжения по времени).
Отрезок прямой, соответствующий спаду по закону
десятичного разряда 20 дБ, представляет собой замкнутую кривую
функции (2.2) в заданной области частот. Отсюда следует
соотношение
А - 20 lg (10* / л) + 20 lg Umax - 20 lg /. (2.5)
Здесь /и Umax выражены в герцах и вольтах соответственно.
Прямая, соответствующая спаду по закону десятичного
разряда 40 дБ, отражает замкнутую кривую функции (2.2) в области
/ > 1 /(л Гг). Для ее описания пригодно уравнение
А = 20 lg (10" / л*) + 20 lg (Umax / Tr) - 40 lg /, (2.6)
где Umax,fH Тг выражены в вольтах, герцах и наносекундах
соответственно.
58
Рис. 2.17. Импульс напряжения помехи
u(t):
т — средняя длительность импульса;
Гг - время нарастания; Umax -
максимальное значение; 0 < Тг < Т -
трапецеидальный импульс; Гг=
0—прямоугольный импульс; Тг = т — треугольный
импульс
А№
и
1 л
ч
»|
1 у
Ж
S / i
Тг
Z
г
ч
ч
0
. 1
Х\
\
гЛ
г
Рис. 2.18. Зависимость составляющих спектральной амплитудной плотности А
согласно (2.2) для трапецеидального импульса и огибающих от частоты / для
различных форм импульсов (рис. 2.17) одинаковых длительностей т и амплитуд
1 - трапецеидальный импульс; 2 — прямоугольный импульс; 3 - треугольный
импульс
Уравнение (2.5) может быть положено в основу определения
амплитуды импульса Umax, a (2.6) — скорости изменения
напряжения во времени Umax/ Tr.
Если трапеция вырождается в прямоугольник, то Тг = 0 и/К2 = °°
(кривая 2 на рис, 2.18). Для треугольника с такими же
амплитудой и площадью fax = /кг в 1 Пп тг) (кривая 3 на рис. 2.18).
Для удобства обработки экспериментально найденного
спектра амплитудной плотности используют построенные на
основе (2.4)-(2.6) специальные масштабные сетки [2.26, 2.28]. В
качестве примера такой сетки показан рис. 2.21, на котором
приведены граничные значения большого числа измеренных
величин в различных точках для симметричных (измеренных между
внешним и нулевыми проводами) и несимметричных
(измеренных между внешним и защитным проводами) напряжений
помех в сети питания (кривые 1 и 2). Обе кривые приближенно
59
экстраполируются отрезками прямой 3. Это соответствует
треугольному импульсу со следующими параметрами:
максимальной амплитудой
17шах=108О/2О
средней шириной импульса
временем нарастания
Гг = т = 318нс;
скоростью изменения напряжения
Umax /Гг=1030'20 = 31,5 В/нс;
площадью импульса
Umax Т = Ю70/20 = 3150 МКВ-С.
Эти значения следует считать экстремальными. Они лежат в
диапазонах параметров помех (табл. 2.9) и почти идентичны
значениям, характерным для коммутационных процессов,
описанных в п. 2.3.3.
Логарифмическое представление помех и свойств систем.
При рассмотрении в частотной области [см. (2.4)-(2.6), рис. 2.18]
целесообразно приводить значения помех и других параметров,
характеризующих электромагнитную совместимость, в виде
логарифма отношений. Это позволяет наглядно сопоставлять
значения, отличающиеся друг от друга на многие порядки, а
также умножать эти значения простым сложением их
логарифмов.
Следует различать два вида логарифмических
относительных величин: уровень и меру сигнала.
Уровень - логарифм относительной величины с постоянной
базой - знаменателем. При помощи понятия "уровень" можно
описывать системные величины, а также значения помех
(напряжения, тока, напряженности полей помех и т.д.). Базовым
значением напряжения, может быть, например, Uo = 1 мкВ.
Логарифм относительного напряжения называют уровнем
напряжения. Использование единицы децибел или непер предполагает
применение в качестве базисного заметное значение. При
применении десятичного логарифма справедливы следующие
выражения для уровней:
60
напряжения и = 20 lg Ux / U09 дБ, при Uo = 1 мкВ;
тока i = 20 lg /х/ /0, дБ, при /0 = 1 мкА;
напряженности электрического поля
Е = 20 lg Ех / Ео, дБ, при Ео = 1 мкВ/м;
напряженности магнитного поля
Я = 20 lg Нх / Яо, дБ,.при #0 = 1 мкА/м;
мощности
Р = 10 lg Рх / Р09 дБ, при Ро = 1 пВт.
При принятии в качестве базовой величины Rx = Ro уровень
мощности, дБ, определяется по другим правилам.
Уровень является величиной безразмерной. Физическая
природа описываемых величин может подчеркиваться принятыми
для них обозначениями, такими, как и, i, E, Н, Р9 а размерность
базовой величины указывается в индексе или в скобках,
например дБ (мкВ), дБ (мкА) и т.д. (см. рис. 2.21).
Мера - логарифм отношения величин для обозначения
измеряемых свойств объекта (степени передачи, коэффициентов
усиления, ослабления). При этом берется отношение величин,
на входе и выходе системы или отношение величин в
определенной точке при наличии и отсутствии демпфирующего
элемента (фильтра, экрана). Например, коэффициент затухания,
дБ, вносимого фильтром, выражается десятичным логарифмом
отношения (5.10) ае = 201g (U20/U2), а общий коэффициент
затухания, дБ, при наличии экрана (5.25) as = 20 lg (Eo / Ех).
Здесь Vг2 и V2о - напряжения помех на входе с фильтром и без
фильтра, а^и^о- воздействующие на прибор напряженности
электрического поля без экрана и с экраном соответственно.
Приведем часто используемые характерные значения, дБ, и
соответствующие им отношения:
6дБ-2:1;
20 дБ-10:1;
40 дБ-100:1;
60 дБ- 1000:1;
80 дБ- 10000:1;
100 дБ- 100 000:1;
120дБ-1000 000:1.
Если вместо десятичного логарифма используется
натуральный, то применяют понятие "непер". Между непером и
децибелом имеют место следующие соотношения:
1 Нп = 8,686 дБ; 1 дБ = 0,115 Нп. 61
2.4.3. Способы и средства измерений
Решающими при выборе метода и средств измерений
являются тип измеряемой помехи (периодический или импульсный
процесс, связана ли передача помехи с проводами или полем,
рис. 2.14), а также цель измерений [2.26-2.42], т.е.:
проводятся ли измерения в целях определения
электромагнитной ситуации в устройстве в течение длительного времени с
накоплением статистических данных или же измеряется
граничное значение определенного параметра помехи;
проводятся ли работы по выяснению причин нарушения
функционирования прибора или устройства вследствие
электромагнитной несовместимости;
определяются ли существенные для электромагнитной
совместимости параметры защиты пассивных элементов (катушек
индуктивностей, фильтров, деталей экранирующих устройств);
измеряется ли точно помехоустойчивость и степень
излучения помех устройством или же проводится рутинная работа по
проверке того, что уровень излучаемой помехи определенного
испытуемого объекта не выходит за установленные границы
или же что устройство нормально работает при воздействии
помех определенного уровня.
Парк аппаратуры, пригодной для измерений, включает в
себя широкий спектр приборов, начиная от простейших
пробников к измерительным приборам, электронно-лучевым
осциллографам или цифровым рекордерам до управляемых
компьютером измерительных и испытательных стендов, позволяющих
проводить полностью автоматизированные измерения и
испытания, включая вспомогательные операции (обработку и
протоколирование результатов). В качестве измерительных датчиков
при этом используют антенны, а при помехе, поступающей в
виде напряжения по проводам, - элементы связи, имеющие
измерительный выход или измерительную индикаторную головку;
при поступающей помехе в виде тока - измерительнмй
трансформатор тока - клещи (высокочастотный трансформатор тока).
Так как параметры помех могут лежать в диапазонах,
приведенных в табл. 2.9, то чаще всего достаточно использовать
измерительную технику, способную измерять:
частоты - до 1 ГГц;
максимальные значения напряжения - до 10 кВ;
скорость изменения напряжения -до 100 В/нс;
62
скорость изменения тока - до 100 А/нс;
времена нарастания импульсов тока или напряжения - от
наносекунд до миллисекунд;
длительность импульсов - от 1 мкс до 1с;
напряженность электрического поля - от 1 мкВ/м До 1000 В/м;
напряженность магнитного поля - от 1 до 1000 А/м,
Для объективной оценки результатов измерений важно,
особенно при доказательстве качества изделия в отношении
электромагнитной совместимости (подтверждении определенной
степени защиты от искрения или доказательства
помехоустойчивости), чтобы измерения проводились с соблюдением
определенных условий. К ним относятся прежде всего
электромагнитные условия окружающей среды, а также атмосферные условия:
температура, влажность и давление воздуха, схема заземления,
пространственное расположение требуемых для измерения
приборов, объекта. Условия и проведение измерений должны
соответствовать требованиям нормативных документов,
отражаться вместе с результатами измерений в протоколах, чтобы
обеспечить возможность сравнения или воспроизведения
результатов,
2.4.4. Напряжения помех в сетях низкого напряжения
При воздействиях источника помех, описанных в пп. 2.3.1,
2.3,3, практически невозможно гарантировать
электроэнергетическим предприятиям идеальные условия электроснабжения в
точке присоединения потребителя (строго синусоидальное
напряжение, постоянные частоту и амплитуду). Исследования
показывают, что необходимо учитывать следующие явления {2,26,
2.42-2.46]:
длительно (более 10 мин) существующие отклонения
эффективного напряжения от номинального - ± 10%;
отклонения частоты от номинальной - ± 2%;
несимметрию напряжений (отклонение напряжений прямой
и обратной последовательностей) - 2-3%;
искажения формы кривой напряжения за счет высших rapMQ-
ник - 5-7%;
непериодические сбросы напряжения из-за отключения или
нагрузки двигателей - 5-10% номинального напряжения
длительностью от 100 мс до нескольких секунд; из-за подключения
элементов сети (трансформаторов, конденсаторов и др.) - 95%
* ез
номинального напряжения длительностью несколько
миллисекунд; при коротких замыканиях, повреждениях изоляции,
дефектах коммутации - 100% номинального длительностью от
100-500 мс до нескольких секунд (данные о частоте появления
сбросов напряжения приведены на рис. 2.19);
периодические снижения напряжения (вызванные,
например, управляемыми выпрямителями) - 20% максимального
напряжения сети, несколько раз в течение периода колебаний;
непериодические перенапряжения, вызванные
коммутациями - от 200 В до 2 кВ (скорость нарастания 50 В/нс, энергия -
300 мДж, длительность от 1-100 мкс до миллисекунд);
периодические перенапряжения (с частотой повторения 50 Гц
и выше, возникающие при работе коллекторных двигателей или
управляемых полупроводниковых вентилей) - 300 В (время
нарастания 0,05 - 1 мкс, частота от 0,1 до нескольких мегагерц,
длительность - десятки микросекунд);
грозовые перенапряжения - 6 кВ.
К этому следует добавить помехи до 9% номинального
напряжения частотой 100,175, 183, 217, 283, 317, 600,1050 и 1350 Гц,
создаваемые сигналами централизованной круговой системы
телеуправления (если таковая имеется), а также помехи от
высокочастотных нагревательных устройств, работающих на
частотах 13,56 или 27,12 МГц. Амплитуды напряжений помех в сети,
в зависимости от близости источника, могут составить 10-20 В.
В [2.26, 2.44] исследованы переходные процессы, создающие
помехи, периодически возникающие в сети низкого
напряжения, параметры помех, максимальные значения
перенапряжений Usmax, скорость нарастания напряжения (du/dt)max и энер-
Au/U,
1с 1мии h Icym Inec hod
Рис. 2.19. Соотношение
снижения напряжения
Au/Umax и времени
появления снижения t [2.431:
А — промышленные
сети; В — городские сети; С —
сельские сети; D — сети с
повышенной
стабилизацией напряжения
64
гия у) * — \и2 dt (при- R « 50 Ом). Возможные диапазоны
* J
этих параметров, а также корреляция между параметрами
показаны на рис. 230, а, б. На рис. 2.21 показаны граничные значения
многих измерений спектра амплитудной плотности для
симметричных (измерения напряжения помех между внешним и нуле-
(du/d.t)max,B/HC
W0
JO
W
3
1
0.3
100 200
^s
yS
■" **•
N
500 Ю00 2000 Umax,B
a)
%мйж
WO
30
10
3
1
0,3
—-
'm0m
у
4*
/
/
'i
WO 200
500 WOO 2000Umax>B
Ю
Рис. 2.20. Соотношения максимальной скорости изменения напряжения
(du/dt)max (а), энергии W = — J и 2 dt (б) и максимальной амплитуды Umax:
1 - значения с вероятностью 50% и менее; 2 - значения с вероятностью 99,8%
и менее
Ап.
дБ(мнВ-с)
10000 5000 2000 WOO 500
200 WO 50
1/Jlf
Рис. 2.21. Диаграмма для определения амплитудной плотности А спектра
импульсов помех в сетях низкого напряжения [2.26,2.28]:
1 — симметричные импульсы помех; 2 — несимметричные импульсы помех;
3 - усредненная кривая (см. п. 2.4.2)
65
вым проводами) и несимметричных (измерения между
внешним и защитным проводами) импульсных помех в сети. Границ*
ные значения дают представление об уровне
электромагнитного воздействия, вызванного переходными перенапряжениями в
сети, на подключенного потребителя и служат основой для
установления репрезентативных испытательных воздействий
на аппаратуру.
Проведенные поиски в этом направлении дали следующие
результаты [2.26,2.44]:
вряд ли возможно характеризовать конкретной ситуацией в
отношении помех определенное место измерений и указать
параметры помех. Это, скорее, возможно лишь для
непосредственного окружающего пространства и применительно к
определенным типам приборов;
создают сильные помехи кажущиеся безобидными
устройства типа люминесцентных ламп, электроинструмент,
электробытовая техника;
существенные переходные помехи обусловлены
механической коммутацией индуктивных цепей, срабатыванием
предохранителей при коротких замыканиях, выполняющих функции
защиты проводов во всех электрических установках.
В [В.13] с учетом рассмотренных выше отклонений
питающего напряжения от номинального, вызванных
эксплуатационными явлениями, определяется уровень электромагнитной
совместимости сетей низкого напряжения, который служит, с
одной стороны, мерой требований по помехоустойчивости, а с
другой - мерой допустимого излучения помех внедряемыми
средствами производства, изделиями.
2.4.5. Напряжения помех в линиях связи и
передачи данных
Помехи в линиях передачи сигналов управления, измерения
и регулирования, а также передачи данных проявляются, как
правило, в виде синфазных или противофазных напряжений
[2.30, 2.47-2.55]. Синфазные напряжения измеряются как
разность потенциалов между проводами и заземленными
корпусом или землей (напряжения Ucl, Uc2 на рис. 2.15). Они
вызываются индуктивным влиянием, уравнительными токами в
заземлениях, плохими контактами или недостаточным сечением
заземляющих проводников и воздействуют на изоляцию вход-
66
ных устройств автоматизации. Напротив, противофазные
помехи (напряжения Ud на рис. 2.15) устраняют, искажают или
подменяют полезные сигналы и приводят к неправильному
функционированию или повреждению устройств автоматики. Эти
наложенные на полезные сигналы противофазные помехи
возникают вследствие гальванических связей или полевого влияния
при несимметрии цепей заземления участков линий передачи
сигналов путем преобразования синфазных сигналов или
создаются в недостаточно защищенных от помех
чувствительных элементах или других подсоединенных к линии
устройствах. Процессы отражений при плохом согласовании линий на
концах, дребезги в контактах, пьезоэлектрические смещения
зарядов в местах сжатия или изгибов изоляции проводов, а
также хемоэлектрические и термоэлектрические эффекты в точках
соединений сигнальных контуров могут быть причиной
появления помех. Вследствие очень широкого спектра параметров
линий, внутренних сопротивлений источников, полных
сопротивлений подключенных на концах линий датчиков и
приемников сигналов, а также многих возможных путей влияния
электромагнитного поля на линии передачи сигналов и данных вряд
ли возможно привести в обобщенном виде диапазон изменения
ожидаемых напряжений помех. Поэтому проведенные
исследования дают лишь картину, справедливую только для
определенных рассматриваемых областей [2.30, 2.47-2J55]. Например,
для линий передачи сигналов в промышленных устройствах
необходимо учитывать возможные синфазные помехи
амплитудой до 600 В при длительности до 12 мкс [2.51]. На подстанциях
высокого напряжения при коммутации могут возникать
синфазные переходные напряжения в зависимости от типа и длины
сигнального кабеля, его экранирования, удаления от проводов
высокого напряжения амплитудой от нескольких вольт до
многих десятков киловольт, содержащие частоты от 0,1 до 3 МГц
[2.49,2.50]. В распределительных компьютерных системах во
время грозы переходные синфазные помехи в линиях передачи
данных могут достигать многих сотен вольт с временами
нарастания от 0,1 до 5 мкс и средней частотой переходных
колебаний 255 кГц [2.48]. Одновременно возникающие противофазные
напряжения имеют порядок несколько десятков вольт.
67
2.5. Классификация электромагнитной обстановки
окружающей среды
Электромагнитная обстановка окружающей среды, или
совокупность электромагнитных явлений, происходящих в
окружающем пространстве вблизи места установки устройства
автоматизации, обусловленных источниками и значениями помех,
другим установленным оборудованием и наличием
результирующих связей, представляет собой многовариантную систему с
широким разбросом параметров, количества, вида и
интенсивности проявляющихся в данном месте электромагнитных
воздействий. Так как экономически нецелесообразно выполнять
электромагнитное устройство абсолютно стойким к самым
жестким электромагнитным воздействиям (см. § 1.4), то требуется
классификация электромагнитных условий окружающей
среды по видам воздействия, в соответствии с которой и можно
сформулировать требования, предъявляемые к различным
устройствам в отношении электромагнитной совместимости. Такая
классификация должна быть согласована с практической точки
зрения с общей классификацией условий окружающей среды
(в том числе и неэлектрических), например разработанной
Техническим комитетом 75 МЭК. Эта классификация для
упрощения не должна исходить из одной концепции, учитывающей,
какое обратное воздействие оказывает примененное
промышленное устройство. С учетом этого в [2.56] разработана
классификация электромагнитной обстановки окружающей среды, в
основу которой положены определяемые особенностями
устройства уровень воздействий и уровень опасности воздействий.
Приведем некоторые из классов.
Класс 4 (индустриальная обстановка с повышенным
электромагнитным воздействием):
защита в цепях управления и силовых контурах от
перенапряжений отсутствует;
имеются коммутационные устройства, в аппаратах которых
возможно повторное зажигание дуги;
существует неопределенность параметров заземления;
нет пространственного разделения проводов
электроснабжения, управления и коммутационных цепей;
управление и сигнализация осуществляются по жилам
общих кабелей;
допустимы любая влажность воздуха и наличие
электризуемых трением материалов;
68
возможно неограниченное использование переносных
радиопереговорных устройств;
в непосредственной близости могут находиться мощные
передатчики;
вблизи могут находиться дуговые технологические
устройства (электропечи, сварочные машины).
Типичными для этого класса являются территории вблизи
промышленных предприятий, электростанций, открытых
распределительных устройств среднего и высокого напряжений,
где не предусматриваются специальные меры по обеспечению
электромагнитной совместимости.
Класс 3 (типичная индустриальная обстановка):
защита от перенапряжений в силовых цепях и цепях
управления не предусмотрена;
повторного зажигания дуги в коммутационных аппаратах
не происходит;
имеется контур заземления;
недостаточно разделены провода электроснабжения,
управления, коммутаций;
кабели линий передачи данных, сигнализации, управления
разделены;
относительная влажность воздуха поддерживается в
определенных пределах, нет материалов, электризуемых трением;
использование переносных радиопереговорных устройств
ограничено (установлены ограничения приближения к
приборам на определенное расстояние).
Характерными для этого класса являются индустриальные
цехи, электростанции, релейные помещения подстанций.
Класс 2 (защищенная обстановка):
цепи питания и управления частично оборудованы
помехозащитными устройствами и устройствами для защиты от
перенапряжений;
отсутствуют силовые выключатели устройства для
отключения конденсаторов;
питание устройств электроники осуществляется от сетевых
стабилизаторов;
имеются тщательно выполненное заземляющее устройство,
многократные присоединения к контуру заземления;
токовые контуры разделены, что частично облегчает
электромагнитную обстановку;
предусмотрено регулирование влажности воздуха,
материалы, способные электризоваться трением, отсутствуют;
69
применение радиопереговорных устройств, передатчиков
запрещено.
Эта обстановка типична для диспетчерских помещений
индустриальных предприятий, электростанций и подстанций.
Класс 1 (хорошо защищенная обстановка):
осуществлены оптимизированные и скоординированные
мероприятия по подавлению помех, защите от перенапряжений
во всех токовых цепях;
резервировано электроснабжение отдельных элементов
устройства, силовые и сигнальные цепи выполнены раздельно;
выполнение заземлений, прокладка кабелей,
экранирование произведены в соответствии с требованиями
электромагнитной совместимости;
климатические условия контролируются и приняты специ-
Таблица 2.10. Классификация электромагнитной обстановки
окружающей среды по импульсным помехам DIN/VDE 0839, ч. 10
Класс Признак окружающей обстановки
Пример
14 Близость к коммутационным
устройствам с сильным излучением помех
Области, в которые могут поступать
внешние перенапряжения
Внутренние области
коммутационных шкафов
Подстанции высокого
напряжения
13 Области, в которых часто могут
коммутироваться электроустановки
Непосредственная близость
промышленных электроустановок
Производственные помещения
электроэнергетики
Производственные
помещения, мастерские
Промышленные
электроустановки
Подстанции среднего и
низкого напряжений
12 Здания с обычным оборудованием.
Применение приборов с кабелями
длиной более 1,5 м исключено
Устройства для измерений,
управления и регулирования,
встроенные в обычное оборудование
Жилые помещения, бюро
Пульты управления,
помещения с электронными
устройствами
11 Применены особые меры для
снижения внешних помех
Помещения с вычислительной
техникой, медицинские
кабинеты, радио- и телестудии
70
альные меры по предотвращению разрядов статического
электричества;
применение передающих устройств любого вида запрещено.
Класс 1 характеризует в определенной мере благоприятные,
а класс 4 - неблагоприятные электромагнитные условия.
Названные классы не дают представления об особо мягких
или жестких условиях. Для этого существуют специальные
классы X. Например, для классификации электромагнитной
обстановки, учитывающей лишь воздействия помех
определенного вида (непрерывных, или импульсных помех, разрядов
статического электричества), имеются сведения в EDIN/VDE0839,
ч. 10 и 11. В табл. 2.10 приведены сведения о классах под
номерами 14-11, характеризуются различные степени тяжести
воздействий импульсных помех.
Глава третья. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ И СТОЙКОСТЬ
К ПОВРЕЖДЕНИЮ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
3.1. Обзор
Электронные средства автоматизации при их практической
работе подвергаются более или менее сильным
электромагнитным воздействиям, описанным в гл. 2. В какой степени эти
воздействия приводят к временным нарушениям
функционирования или к необратимым повреждениям, зависит от
помехоустойчивости и стойкости к повреждению. Стойкость к
повреждению означает в данном случае способность
противостоять воздействиям, вызывающим необратимые нарушения
функционирования, а помехоустойчивость - воздействиям,
вызывающим обратимые нарушения (см. § 1.1). Оба понятия
можно характеризовать количественно, задаваясь граничными
значениями воздействующего фактора (напряжением,
напряженностью поля, энергией, стандартизованным
испытательным воздействием), при которых еще сохраняется стабильное
функционирование данного устройства. Рисунок 3.1 и табл. 3.1-
3.3 дают об этом наглядное представление. При этом
необходимо иметь в виду, что при характеристике
помехоустойчивости аналоговых и дискретных систем имеются принципиальные
различия.
71
Рис. 3.1. Значения энергии Щ
вызывающей повреждения (темные
прямоугольники) или помехи (светлые
прямоугольники) различных
электронных компонентов при
импульсном электромагнитном - воздействии
[КД1.К.27]:
1 -моторы и силовые
трансформаторы; 2 - выключатели мощности;
3 — пневмоконтакторы; 4 —
тиристоры; 5- Z-диоды и специальные
выпрямители; 6 - реле; 7 -
композиционные резисторы; 8 — мощные
транзисторы; 9 — сигнальные диоды,
выпрямители; 10 — пленочные резисторы; И - герконы; 12—высокочастотные
транзисторы; 13— интегральные схемы
Таблица 3.1. Импульсные напряжения пробоя внутренней или
перекрытия внешней изоляции электротехнических установок и приборов
напряжением до 1000 В [К.26]
10
Прибор, кабель, линия
Электрическая
прочность
Прочность
относительно земли,
корпуса
Сильноточные
Слаботочные
5-8 кВ
1-3 кВ
Поперечные
напряжения между
входными выводами
электронных
приборов и схем
Кабели связи
Сигнальные и
измерительные кабели,
линии
электроснабжения
Сильноточные
кабели
Схемы с дискретными элементами
(резисторами, конденсаторами и
т.д.)
Интегральные схемы, биполярная
техника (TTL)
Интегральные схемы, биполярная
техника, высокоуровневые TTL,
операционные усилители
Интегральные схемы, МОП
(металл-оксид -полупроводник)
устройства
0,5-5 кВ
50-100 В, в
зависимости от
мощности
50-100 В, в
зависимости от
мощности
70-100 В
5-8 кВ
До20кВ
ДоЗОкВ
72
Таблица 3.2. Напряжение статического электричества, приводящее
к повреждениям полупроводниковых элементов [2Л0]
Тип полупроводникового элемента Повреждающее
напряжение, В
МОП (металл-оксид-полупроводник) 80-1800
MOSFET (полевые МОП-транзисторы) 100-200
ГШЗУ (программируемое и стираемое постоянное 100-500
запоминающее устройство)
Junction-FET (коммутаторы на полевых транзисторах) 140-1600
Операционные усилители (с полевыми транзисторами) 150-500
Операционные усилители (биполярные) 190-2500
КМОП (комплементарные МОП-транзисторы) 250-2000
Диоды Шоттки 300-3000
ТТЬШ (TTL Шоттки) 300-2500
Биполярные транзисторы 380-7000
Тиристоры 680-2500
Таблица'3.3. Помехоустойчивость некоторых объектов при воздействии
магнитного поля частотой 50 Гц [3.1,3.2]
Объект Граничное Превышение граничного значения
значение, приводит к
А/м
Мониторы 2—20 Неприемлемым искажениям и
неправильной цветопередаче
Персональные компьютеры 500-600 Нарушениям функционирования
Коммутационные цепи До 2000 Нарушениям функционирования
Магнитные запоминающие До 2000 Необратимым изменениям информа-
среды ции
Далее рассмотрим помехоустойчивость аналоговых и
дискретных систем при воздействии напряжений помех, наложенных
на входной сигнал.
3.2. Помехоустойчивость аналоговых систем
Для аналоговых средств автоматизации (измерительных и
регулирующих устройств) типичным является то, что они
работают с сигналами ± 10 В или ±20 мА и имеют единый опорный
73
Аналогобар
система
Рис. 3.2. Пояснение помехоустойчивости
аналоговых систем
потенциал, относительно которого измеряются все сигналы
напряжения. Их рабочая частота очень низка и поэтому обычно
можно не учитывать импульсные помехи. Однако аналоговые
системы восприимчивы к низкочастотным помехам (в области
частот полезного сигнала), а также к изменениям опорного
потенциала.
Так как в аналоговой системе вследствие отсутствия
относительного порога помехи каждый сигнал помехи usU
наложенный на входной сигнал uen, может воздействовать и на
выходной сигнал иа (рис. 3.2), , то нормальная работа гарантируется
лишь тогда, когда абсолютное отклонение
ДиН">еп,"^-">еп,0)| , (3.1)
остается в определенных границах е (см. § 1.2) или же
сохраняется определенное наименьшее соотношение полезного
сигнала иа (иею 0) к напряжению помехи на выходе, дБ,
выраженное как допустимый интервал помехи
5 = 20 lg
А «а
(3.2)
Лля каждого случая Д иа или же 5 жестко установлено.
Типичные значения допустимых интервалов помех, согласно
[К.7], следующие: для телефонной системы - 30 дБ,
телевидения - 48 дБ, радиовещания - 60 дБ.
3.3. Помехоустойчивость дискретных систем
В то время как в аналоговых системах любая помеха
приводит к искажению полезного сигнала, в дискретных системах
напряжение помехи (ustL и ustH на рис. 3.3, а, б) может
воздействовать сначала на изменение логического состояния сигналов,
например на выходе логической матрицы В (рис. 33, в), если
74
Vfflmax гттч
uOH m In
щ
ш
в
Ж
О Z 4 6 в 10 1Z Н 4inc'
i i *
vs>
Рис. 3.3. Пояснение помехоустойчивости дискретных систем:
Я, L - потенциальные области уровней высокого и низкого состояний; ы0 —
выходное напряжение схемы А; их - входное напряжение схемы В; (UOHmin -
UOLmax^' WlHmin " ^lLmax) "" запрещенные области; 1 - область
неустойчивости; 2 - область устойчивости
время воздействия превысит определенное пороговое значение.
В соответствии с этим различают статическую и
динамическую помехоустойчивость логических переключающих цепей.
3.3.1. Статическая помехоустойчивость логических матриц
Статическая помехоустойчивость характеризует
способность противостоять воздействиям сигналов, длительность
которых Д t> tDLHy или &t> tDHL, где tDLH и tDHL означают
время запаздывания переключения при переходе от состояния
L к состоянию Я или от Я к L. Она описывается следующими
величинами (рис. 3.3, в):
низкое состояние L
USL = I UlLmax " U0Lmax I 5
высокое состояние Я
(3.3)
(3.4)
Нарушение функционирования наступает лишь тогда, когда
75
UstH>USH»nilUstL>USL-
Таблица 3.4. Данные по статической помехоустойчивости некоторых
логических элементов [К.25]
Тип логического
элемента
TTL
LSL
I2 L (интегральная
инжекционная логика)
КМОП
кмоп
КМОП
Рабочее
напряжение,
В
5
11-18
0,8
5
10
15
Время
прохождения
НС
8-15
100-400
100-200
35-100
20-35
8-15
Статическая
помехоустойчивость, В
Наихудший
случай
VSL
0,4
2,8
0,6
1,5
3
4,5
"SH
0,4
4,5
0,04
1.5
3
4,5
Типичное
значение
USL
1,2
5
-
2,2
4,2
6,3
USH
2,6
8
—
3,4
6.2
9
В табл. 3.4 приведены значения статической
помехоустойчивости логических элементов и модулей.
3.3.2. Динамическая помехоустойчивость
логических матриц
Если длительность воздействия напряжения помехи Д t< tDLH
или Д t < tDHL (рис. 3.3, а, б), то требуются большие значения
напряжений, чем USL или USH, чтобы ввести в устройство энергию
st
Л',
(3.5)
приводящую к нарушению функционирования. Здесь RE -
входное сопротивление устройства. Помехоустойчивость
логического устройства в этом случае характеризуется либо
минимальной энергией, приводящей к изменению состояния (рис. 3.4),
либо напряжением, ограниченным кривыми на рис. 3.3, г.
Напряжения помехи описываются для Д t < tDLH или Д t < tDHL
следующими соотношениями:
UstL = USL
ИЛИ UstH
(3.6)
76
U,B\
18
15
10
5
О 5 10 1(T5Wst,JLm J 5 1 Z3 5 10 SO /00 At,не
Рис. 3.4. Динамическая помехоустойчивость некоторых логических элементов
[К.25]:
Wst - энергия помехи; 1, 2, 3, 5 - КМОП; 4 - TTL; 6 - DTL; 7 - LPSTTL
Рис. 3.5. Статическая и динамическая помехоустойчивость различных
логических элементов при воздействии прямоугольного импульса напряжения
амплитудой ust и длительностью A t:
I - типичная стойкость TTL; II — минимальная стойкость TTL; 1 — ЭСЛ; 2 -
TTLIH; 3 - TTL; 4 - высокопроизводительная КМОП; 5 - КМОП
Уравнения (3.6) вытекают из уравнения (3.5) при ust» USH или
ust = ^sl и A t - tDHL или At = tDLH на основе соотношений
и ^ = ик ' r №
Наконец, на рис. 3.5 приведены граничные кривые,
характеризующие статическую и динамическую помехоустойчивость
ряда реальных логических элементов.
3.4. Помехоустойчивость устройств автоматизации
3.4.1. Описание помехоустойчивости
Электронные средства автоматизации, такие, как
измерительные и регулирующие устройства, системы
программируемого регулирования, вычислительные устройства на рабочих
местах, системы управления технологическими процессами
и их компоненты, состоят из большого числа активных и
пассивных элементов, обладающих различными частотными
свойствами, а также из аналоговых функциональных элементов
и дискретных устройств, помехоустойчивость которых
рассмотрена в § 3.2, 3.3. Внутренние компоненты прибора могут
оказывать друг на друга мешающее действие (внутреннее паразит-
77
ное влияние zie)9 а сам прибор может подвергаться комплексу
внешних помех zae (рис. В.1, 1.2, б), которые могут различными
способами как по проводам, так и полевым путем проникать
внутрь устройства автоматизации (см. рис. 2.1). Каждая из этих
помех может вызвать нарушение функционирования. Поэтому
принципиально невозможно выразить помехоустойчивость
устройства автоматизации одной величиной. Ее можно
характеризовать рядом величин, связанных как с возможными
местами появления помех, так и с различными видами помех.
Принципиально при этом следует различать собственную
помехоустойчивость и устойчивость к воздействию внешних помех.
Собственная помехоустойчивость. Бели исходить из того, что
в устройстве автоматизации имеются внутренние
электромагнитные помехи (рис. В.1)
то внутренняя помехоустойчивость в соответствии с уравнением
(В.1) гарантирована, если каждый компонент zae или любая
возможная комбинация компонентов, обусловленная
режимом работы, для всех е в заданном диапазоне изменения Е не
нарушает соотношения Л а < г в уравнении (1.5), или, другими
словами, для рассматриваемого объекта справедливо
соотношение
Ул*[(х*с^).:Ув[(в«Б;:(Аа<е)]]. (3.9)
При этом следует иметь в виду, что в соответствии с
уравнениями (1.3) и (1.4) А о зависит от внешних неэлектрических
условий. Поэтому характеристика внутренней
помехоустойчивости прибора связана с определенным диапазоном значений
zan (например, температурным диапазоном), к которому и
относится даваемая характеристика.
Устойчивость к воздействию внешних помех. Внешние по
отношению к системе электромагнитные помехи zae (см. рис. В.1)
могут проникать в систему, прибор в форме симметричных или
несимметричных напряжений и или токов i через систему
электропитания, информационные входы и выходы, в виде токов
разрядов статического электричества i£SD на стенки прибора или
устройства обслуживания, а также через влияние электрических и
магнитных полей (Е, Н) на элементы схемы, играющие роль
антенн (см. рис. 2.1). Можно выделить типичные картины из-
78
мененйя напряжения помехи во времени (см. рис. 2.14), хотя
в действительности имеет место огромное количество
различных вариантов. Следовательно, совокупность
электромагнитных помех zae, которые могут воздействовать на устройство
автоматизации, представляет собой бесконечное множество
компонентов
..«ее»). (З-10)
Это затрудняет определение помехоустойчивости приборов
среди других функциональных их параметров, Задача
решается так, что бесконечное количество возможных форм
помех zae в уравнении (ЗЛО) снижается до приемлемого zPR c zae
исходя из того, что электромагнитные условия для различных
мест достаточно хорошо определены (см. табл. 3.6) и
ZP e £pi> *Р2> •••> zPj> ~> zFm )CZPR- (3-И)
Благодаря этому устойчивость к внешним воздействиям
данного прибора в соответствии с уравнением (В.2) становится
возможным описать конечным количеством т величин:
S = (S S ... 5 ... 5 ). (3.12)
Таблица 3.5 поясняет это и одновременно показывает, что
число показателей внешней помехоустойчивости прибора
SFl - SFm может беспредельно возрастать, если принять во
внимание, что как при периодических, так и при переходных
испытательных значениях помех возможно дальнейшее их
деление на узкополосные и широкополосные (см. рис. 2.14).
Переходные помехи, действующие на определенные участки
прибора, могут иметь разные полярности, а имеющиеся
информационные входы и выходы могут иметь различные значения
помехоустойчивости.
Поэтому при практических работах в области
электромагнитной совместимости требуется для характеристики
помехоустойчивости приборов ограничиваться в определенных условиях
эксплуатации наиболее существенными значениями
устойчивости SF:. Ее точное статическое представление возможно с
учетом следующих рассуждений [3.4-3.6].
Любое значение помехи, т.е. любой компонент zP] в (3.11), оп-
79
Таблица 3.5. Виды испытательных помех при испытаниях
на внешнюю помехоустойчивость
Вид испытательных помех
Элемент прибора, на
который воздействует
испытательная помеха
Обусловленные
гальваническими
связями
Обусловленные полем
Периодические
Переходные
дические
Переходные
Симметричные
Противофазные
Несимметричные
Синфазные
Симметричные
Противофазные
Несимметричные
Синфазные
Разряд статического
электричества с
приближающегося или с
присоединенного
электрода
Емкостная связь
Магнитная связь
Емкостная связь
Магнитная связь
Система электропитания
Тоже
>> »
>» »
Система электропитания,
информационные входы,
выходы
Тоже
»* »»
Э> »>
Стенки прибора, элементы
обслуживания
Элементы прибора и
схемы, действующие как
антенны
Тоже
>* 99
>» >>
ределяется следующей функциональной зависимостью:
(3.13)
т.е. амплитудой Zpjmax * (Umax, Imax, Emax, Hmax\ типичным
изменением во времени F (t), параметрами РТ - (Тг, т, /w, /..,),
детализирующими изменение во времени F (t), например, временем
нарастания Гг, длительностью импульса т, частотой повторения
импульсной величины /w, частотой колебаний периодической
величины / и т.д., а также полевыми характеристиками Е, Н с
учетом указания направления посредством единичного вектора
Если выделить в приборе при испытаниях на
помехоустойчивость определенные фрагменты G с разновидностями связей
М, то выдерживаемое испытательное воздействие zp. (3.13)
повышается, так как параметры ZPjmax, Рти7 воздействуют
раздельно и результирующее воздействие оказывается меньшим.
Граничное условие До -е в (1.6) выполняется при определенных
значениях Z*. , Р* и "е*, если прибор помехоустойчив. Это
означает, что для описания испытательного воздействия
Ы'Ь**) <ЗЛ4>
можно использовать функции ошибок. Следовательно,
помехоустойчивость рассматриваемого прибора'при испытаниях с
учетом (3.14) описывается следующим уравнением:
SFj = (z*pj,G,'M). (3.15)
Здесь М представляет совокупность данных и характеристик,
четко и воспроизводимо описывающих взаимосвязи помех,
обусловленных схемой, топологией устройства. Так как между
разностью Лай неэлектрическим внешним влияющим фактором
zan имеется непосредственная связь, устанавливаемая
уравнениями (1.3) и (1.4), то при формулировке данных о внешней
помехоустойчивости Spy всегда следует указывать диапазоны
неэлектрических параметров (температуры, давления,
влажности воздуха).
Необходимо иметь в виду, что SFj согласно (3.15) часто
является случайной величиной в основном по двум причинам,
влияющим на воспроизводимость результатов. Первая обусловлена
тем, что устройства автоматизации, особенно дискретные
приборы, автоматы, могут иметь различные внутренние
состояния, по-разному реагировать на внешние воздействия. Вторая
отражает разбросы параметров помехоустойчивости отдельных
элементов устройства, обусловленные условиями их
изготовления (рис. 3.6, а-в).
Сказанное выше означает, что помехоустойчивость к
внешним воздействиям SFj прибора, к определенному
испытательному воздействию zP] может быть выражена статистическим
распределением (рис. 3.6, б, в). Она в этом случае может быть зада-
81
Э5100 %
*)
Рис. 3.6. Помехоустойчивость 5^,- прибора при воздействии испытательной
помехи Zp- согласно уравнению (3.13) при определенных виде связи и элементах
прибора:
а — соотношение согласно уравнению (3.15); 6", в - учет статистических
характеристик помехоустойчивости
на как статистическая величина S'Fj, характеризующая, например,
устойчивость прибора с вероятностью 95%.
3.4.2. Требования к помехоустойчивости
При обеспечении внутренней помехоустойчивости SE при
заданных климатических условиях [В.1] необходимо
гарантировать работоспособность рассматриваемого устройства. Это
требование понятно и не подлежит дальнейшему обсуждению.
Напротив, требования к внешней помехоустойчивости
связаны с экономическими проблемами (см. гл. 1): с одной стороны,
необходимо учитывать имеющиеся или ожидаемые в данном
месте электромагнитные условия, а с другой - риск и
последствия, связанные с возможной электромагнитной
несовместимостью (см. § 1.2). Поэтому в [3.7] выделены три класса
требований к электрическим устройствам: А1, А 2 и A3.
Класс A3 - повышенные требования к таким устройствам,
как приборы управления технологическими процессами,
защиты, электромедицины. Класс А 2 - нормальные требования,
предъявляемые, например, к устройствам управления
станками, персональным компьютерам, сложным приборам
домашнего обихода. Класс А1 характеризуется пониженными
требованиями (например, к простейшим приборам домашнего
обихода, игрушкам и т.д.).
На основе этого для определенного изделия можно
установить ряд испытательных величин zp, например, приведенных в
табл. 3.6, и в зависимости от степени неблагоприятности окру-
82
Ill
Я ш ®
$ s I
11!
о i
a J
8
i.
О
О
* *
* *
* -к
* * * * *
* * * * * * *
i i i
I
I iiiiiiii Ш
1 111!iill il
i?!ll!8 Я с S о 8яИой
о
83
I
I
8
I
s g
CO
О
CO
О
со
>>
а
«SSI
* * *
* * *
t t
* *
* *
* *
I
84
«3
н
S
ж
о>
К
■к *
* *
о
о.
С
8
в I
85
жающих условий (см. классификацию окружающей среды,
§,2.5 [3.7]) значения (амплитуды ZPj) отдельных требуемых
величин. Конкретные рекомендации по этому вопросу можно
найти в [3.7] и DIN/VDE 0843, ч. 1-5.
Глава четвертая. МЕХАНИЗМЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОМЕХ И
МЕРОПРИЯТИЯ ПО ИХ СНИЖЕНИЮ
4.1. Обзор
Существенным при рассмотрении технико-экономических
проблем электромагнитной совместимости является значение
механизмов связи К между источником помех Q и
чувствительным к помехам элементом прибора S, обусловленных этими
механизмами воздействий и соответствующих основных
правил, по которым можно эффективно противостоять этим
воздействиям уже на стадии проектирования, создания устройств
[К.З, К.7, К.11, К.25, К.36, К.37]. Рисунок 4.1 дает представление
о принципиально возможных видах связи между двумя
контурами с током^! и 2) или о путях проникновения помехи z от
источника Q к элементу S по проводам или через поле. В первом
случае говорят о гальванической связи, а во втором, в
зависимости от условий, о внутренней или внешней емкостной связи
(если преобладает электрическое поле), зависящей от частоты
и расстояния между источником и чувствительным
элементом, или же об индуктивной связи (если преобладает
магнитное поле). Используется также понятие электромагнитной
связи. В этом случае между напряженностями электрического
и магнитного полей существует строгое соотношение: £/# =
= 377 Ом.
Далее рассматриваются виды появления помех (влияния),
обусловленные различными механизмами связи, с целью
получить данные, которые можно было бы положить в основу
руководящих материалов по обеспечению электромагнитной
совместимости на стадии проектирования, создания приборов.
Для этого во многих случаях целесообразно и достаточно
использовать простые и наглядные модели. Однако при этом не
следует забывать, что при проектировании современных
электронных приборов и систем для обеспечения их электромагнит-
86
Влияние через
гальванические связи
Влияние через поле
Гальваническая связь
[полное
сопротивление связи)
Емкостная связь
(поле Е)
Индуктивная связь
[поле И)
Электромагнитная
связь(полвЕ,Н)
4
Ust
нн
—»
—•»
"st
С
н
м,.
/П
С
Е/Н
$:
/ 2
* E-t,
eff
ближнее поле, х < Л/2 7Г
Дальнее лоле/>Х/2 ft
0,1 1 х,м
Рис. 4.1. Механизмы связи между контурами:
1 и 2 — влияющий и испытывающий влияние контуры; с - скорость света;
leff- эффективная длина антенны; /-частота; \ —длина волны
ной совместимости необходимы более точные модели, которые
позволяют производить компьютерную обработку влияния и
делают возможным введение экспертной системы поддержки
работ в области электромагнитной совместимости. Более
подробные сведения об этом можно найти, например, в [4.1-4.9,
4.12,6.15-6.18].
J 87
4.2. Гальваническое влияние
Гальваническое влияние может осуществляться через
общие полные сопротивления, как правило, через внутренние
сопротивления сетевых проводов, систем опорных потенциалов
или через систему защитных и заземляющих проводов.
4. 2.1. Гальваническое влияние через цепи питания
и сигнальные контуры
В качестве примера на рис. 4.2, а показана схема питания
постоянным напряжением логических модулей В1-Вп^ в
которой изменение тока одного модуля (di/dt) генерирует
напряжение помехи ust из-за падения напряжения на R и L,
накладывающегося на напряжение питания и, а на рис. 4.2, б -
аналоговая схема, в которой при подключении нагрузки RL возникает
напряжение помехи на полном сопротивлении общего для
двух сигнальных контуров участка системы опорного
потенциала. Это напряжение накладывается непосредственно на
входное напряжение операционного усилителя OV1 и тем самым
искажает входной сигнал второго усилителя О V2.
Упрощенно в обоих случаях напряжение помехи
ust = RM+LAi/&t. (4.1)
Реальные значения ust составляют милливольты или воль-
у
I
(дс/\ .—|Wi
V^fy R L
1
1
Л7
1
B2
...
Ля
а)
Рис. 4.2. Примеры гальванических связей в цепях электропитания (а) и в
сигнальных контурах (б)
ты. Например, для схемы на рис. 4.2, б напряжение между
точками 1 и 2 при длине провода 10 см, погонной индуктивности
0,5мкГн/А, сопротивлении 1 мОм, токе А/=1 Аи времени A t =
= 100 не согласно (4.1)
ust=l +500 = 501 мВ. (4.2)
Это напряжение, как видно из (4.1), при заданных значениях
A i и A //A t тем ниже, чем меньше параметры полных
сопротивлений общих цепей. Согласно известному соотношению
активное сопротивление проводника
Я «//? А, (4.3)
где А - площадь поперечного сечения проводника; / - его
длина; V - электрическая удельная проводимость материала.
Поэтому проводник необходимо выбирать предельно
коротким, а его сечение должно быть возможно большим. При этом
следует иметь в виду, что при больших скоростях Ai/At
изменения тока с увеличением поперечного сечения проводника
все заметнее проявляется поверхностный эффект (рис. 4.3).
Если для проводника с постоянной площадью поперечного
сечения прямоугольной формы А = а-Ь изменять отношение
ширины а к толщине Ь, то в области высоких частот (при глубине
проникновения электромагнитного поля б = 1/д/1/Ц0 V^/'< b)
будет иметь место зависимость, приведенная на рис. 4.4. Она
показывает, что изменение а /Ъ от 1 до 100 приводит к
относительно малому изменению сопротивления (повышению менее
чем в 1,5 раза). Важным является не столько увеличение
сопротивления, сколько существенное (примерно десятикратное)
снижение составляющей напряжения помехи, обусловленной
уменьшением индуктивности (рис. 4.5, г).
Несмотря на то что активное сопротивление из-за влияния
поверхностного эффекта в области частот, представляющих
интерес, может возрасти по сравнению с сопротивлением при
постоянном токе в 10-1000 раз (см. рис. 4.3), активная
составляющая напряжения помехи ustR = RAi при достаточно
обоснованном выборе сечения проводника обычно остается сравнительно
малой (милливольты) по отношению к индуктивной
составляющей:
ustL = LAi/A t. (4.4)
Это видно, например, из уравнения (4.2). При указанном ра-
89
100
10
1
+s
I
H^
у
у/
„mjjy
x&s
1^
у/
$/
100
10
W* W3 10* W W' W7 W'ffu,
1 <j'
'///Л
Wi
1
s0&
Ф\
ак
Ю2 W3
W' 10е W7 10еflu.
Рис 4.3. Влияние проникновения тока на сопротивление проводов круглого
(а) и прямоугольного (б) сечений
is
1,4
1,2
pi
^^тшш
тшш^
щ
^1
■**
ш
7 ^
***
1 3 4 5 10 20 304050 100 J
« ..о R(a/b>i)
Рис. 4.4. Зависимость относительного сопротивления проводника пря-
R(a/b-\)
моугольного сечения от отношения его сторон а/Ь при постоянном сечении а- Ъ
а)
^ а
мкГн/м
2
Т 1
*-*
мнГн/м
0,3
0,2
1
TV
0
\
\
\
V
V,
12 5 10 20 50100
Ф в)
12 5 10 20 50 100
Ф г)
Рис. 4.5. Зависимости погонных индуктивностей (в, г) от соотношений размеров
линий с проводами круглого (а) и прямоугольного (б) сечений
90
нее Ai/At индуктивность линии с проводниками
цилиндрической формы (рис. 4.5, а) приближенно рассчитывается так:
L~/Oio/ji)ln(2d/D), ' (4.5)
а линии с плоскими расположенными близко друг к другу
проводниками прямоугольного сечения (рис. 4.5,6) (полагая
d<£b и d<£a, что часто приемлемо на практике) - по
выражению
() (4.6)
Из приведенных формул следует, что для уменьшения L и
тем самым ust имеются следующие возможности: сокращение
длины проводов, для круглых проводов заданной площади
сечения или диаметра - сокращение до минимального
расстояния между проводами, а для проводников
прямоугольного сечения - увеличение отношения а/b. Бели отношение
d/D в (4.5) в лучшем случае теоретически может быть снижено
до единицы, то отношение а/Ъ в (4.6) достигает десяти и более.
Поэтому линия с плоскими проводами, показанная на рис. 4.5, б,
обладает гораздо меньшей индуктивностью, что видно из
сравнения характеристик на рис. 4.5, в и 4.5, г.
Для снижения гальванического влияния в соединительных
проводах цепей питания и сигнальных контурах
рекомендуются следующие мероприятия:
выполнение соединений между двумя или более
контурами с возможно низким полным сопротивлением, особенно
низкой индуктивностью. Для этого согласно (4.3)-(4.6)
требуется по возможности меньшая длина общих линий (см. рис. 4.2),
большое сечение проводников (особенно для проводников
системы опорного потенциала, общей для многих контуров),
малые расстояния d между проводами цепей питания
(расположение прямого и обратного проводов рядом друг с другом),
выполнение системы опорного потенциала в печатных платах,
жгутах, разъемах, соединений с корпусом, землей, а при
возможности и проводов питания в виде плоских шин (рис. 4.6).
В этих случаях (рис. 4.6,6) возможно обеспечение больших
емкостей, выполняющих роль защитных конденсаторов.
Эффективным является выполнение соединений шин системы
опорного потенциала в виде многих параллельных кабелей
91
Рис. 4.6. Многослойные платы с плоскими шинами системы опорного
потенциала GND (а) и шинами электропитания GND и Uqq (б):
L — поверхности печатных плат
<■
■о-
«■№
&
-of
■of
■>-
Рис. 4.7. Плоский кабель с распределенными по ширине проводами системы
опорного потенциала GND
(рис. 4.7), благодаря чему одновременно компенсируются как
емкостные, так и индуктивные влияния (см. § 4.3 и 4.4);
гальваническая развязка, т.е. устранение совместных
проводящих соединений между различными контурами, или же
гальваническое разделение контуров таким образом, чтобы
ток наиболее мощного контура или ток фильтра не протекал
по слаботочному контуру. Это осуществляется отказом от
общих обратных проводников в цепях передачи сигналов
(рис. 4.8, а), от использования проводов заземления, корпусов
приборов, машин и технологических устройств в качестве
проводов сигнальных цепей. Систему опорного потенциала,
если это требуется, необходимо присоединять лишь к точкам
заземления или к корпусу прибора. Системы опорных
потенциалов аналоговых модулей (В1-В4 на рис. 4.8, б) и системы
питания компонентов К1-КЗ устройств автоматизации (рис. 4.8, в)
следует соединять звездой. Целесообразно раздельно питать
мощные электрические и аналоговые, дискретные
функциональные элементы в целях устранения влияния внутреннего
сопротивления питающей сети (рис. 4.8, г);
разделение потенциалов, т.е. устранение любых
гальванических контактов между контурами при функционально свя-
92
Рис. 4.8. Примеры неудачной (слева) и удовлетворительной (справа) реализации
мер по снижению помех в гальванически связанных сигнальных контурах и
цепях питания
занных сигнальных и силовых цепях (рис. 4.8, д) в системах, в
которых не предусматривается обмен информацией;
выбор скорости изменения тока Ai/At не большей, чем
требуется по условиям функционирования. Однако это не всегда
удается осуществить, например, если нормальное
функционирование электротехнического устройства сопровождается
определенным значением Ai/At Напротив, в логических системах
скорость изменения тока зависит от рабочей скорости
коммутации в контурах. Поэтому она принципиально не должна
быть выше, чем требуемая для осуществления
функциональной задачи или для обеспечения операционной скорости.
93
4.2.2. Гальваническое влияние по контурам заземления
Йа рис. 4.9, а показаны два прибора Сх и G2,
пространственно разделенные друг от друга. Они могут находиться в одном
или разных зданиях. По условиям техники безопасности
корпусы приборов должны быть заземлены. Имеющийся контур
полезного сигнала также заземляется в двух местах, у
приборов. Между точками 1 и 2 может возникнуть разность
потенциалов, обусловленная током в контуре заземления, например
током замыкания на землю или током молнии. Эта разность
потенциалов Ul2 вызывает ток помехи Ist. На внутреннем
сопротивлении входной цепи прибора Zs возникает напряжение
помехи Usti наложенное на входной сигнал. При синусоидальной
форме напряжения напряжение помехи рассчитывается
(рис. 4.9, б):
'12
(4.7)
При этом предполагается, что полное сопротивление линии
ZL пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлениями ZQ
HZ
HZ
S.
Если Zs » ZQ, то Ust * t/12, а при Zs
ZQ Ust
0,5 U
l2.
Мероприятия по снижению влияния по цепям заземления
заключаются в снижении разности потенциалов U12 за счет
уменьшения сопротивления между точками 1 и 2 (рис, 4.9). Это
достигается, например, выполнением пола в виде проводящей
эквипотенциальной поверхности F (рис. 4.10, а), соединением
приборов массивными проводниками РА (рис. 4.10,6) или же
экранированием сигнальных линий с заземлением экранов у
G1 G2
Рис. 4.9. Гальваническое влияние через замкнутую петлю заземлений;
а — схема устройства; б — схема, поясняющая формирование напряжения
помехи Usi
94
fff/ffff/fj
G1
G2
tffifiIiI it11
PA
Рис. 4.10. Снижение гальванического влияния при помощи заземленной
плоскости (а) или массивного проводника РА, соединяющего точки заземлений
приборов G1 и G2 (б)
Рис. 4.11. Гальваническое влияние через разомкнутую петлю заземлений:
а - схема устройства; б - схема, поясняющая формирование напряжений
помехи ust
обоих концов (см. рис. 5.39, в), а также уменьшением тока /Л.
Для этого существует ряд возможностей. Одной из них
является разделение контуров заземления, например прибора G1
(рис. 4.11, а). Однако при этом между сигнальным контуром и
корпусом прибора остается емкостная связь Zc. В этом случае
(рис. 4.11) возникает напряжение помехи
ZS+ZQ
(4.8)
При
U1
~- и
а при /-*<» Zc-*0 и
12 ZS/(ZS + Zq). Это означает, что эффективная защита
возможна лишь при постоянном напряжении и низких частотах.
При высоких частотах петля заземления практически замкнута,
и ситуация может быть такой же, какая показана на рис. 4.9.
Другие возможности снижения тока Ist приведены и
прокомментированы в табл. 4.1.
95
Таблица 4.1. Гальваническое влияние в петлях заземления
и мероприятия по его снижению
Параметр, мероприятие
Примечание
Разделительный трансформатор
•IС i
,ИК ht
1 Г
L
)ZS \Vst
Нейтрализующий трансформатор
Применим для сигналов с низкой и
средней частотой. При высокой частоте
из-за паразитной емкости С
происходит преобразование синфазных помех
в противофазные
Обмотки W1 и W2 намотаны
согласно, потоки от полезного сигнала
компенсируются, от токов помех суммируются.
Действие тем лучше, чем выше частота
тока J
Ферритовые кольца
Линия с повышенным затуханием
ЩЪъ
/+- ^ —Ф2
Разделительное реле
st
Повышенное сопротивление току помех
Ist, особенно эффективны при частотах
выше 1 МГц
Действие такое же, как и ферритовых
колец
Применяется при бинарных сигналах.
Паразитная емкость Сдо5пФ
/*•
Оптическая развязка
Пригодна только для бинарных сигналов,
емкость С менее 1 пФ, электрическая
прочность от 0,5 до 10 кВ
96
Продолжение табл.4.1
Параметр, мероприятие
Примечание
Световод LWL
LWL
Пригоден для аналоговых и цифровых
сигналов. Разность потенциалов может
составлять мегавольты, нечувствителен
к емкостному и индуктивному влиянию
Симметричная передача
ZS'ZS
при полной симметрии
Симметрирующие трансформаторы Частичные токи помех Isi
компенсируются у приемника
/+■ *
Симметричная передача с
задающим и приемным устройством
Реализуется, например, в передающих
данные шнурах
4.3. Емкостное влияние
Причиной емкостного влияния могут быть паразитные, т.е.
неустранимые схемным путем, емкости между проводами или
проводящими предметами, принадлежащими разным токовым
контурам. Практический интерес представляют следующие
случаи:
влияющий и испытывающий влияние контуры гальванически
разделены;
97
оба контура имеют общий провод системы опорного
потенциала;
провода токового контура имеют большую емкость
относительно земли.
4.3.1. Гальванически разделенные контуры
На рис. 4.12, а показана упрощенная модель емкостного
влияния. Предполагается, что длина контура / мала по сравнению
с длиной волны самой высокой учитываемой частоты.
Система проводников i, 2 принадлежит к влияющему контуру, а 3, 4 -
контуру, испытывающему влияние. Соответствующие
элементы Rq, Us и С12 образуют полное сопротивление Z, влияющего
контура (рис. 4.12, б), а элементы #g, R$ и С34 - полное
сопротивление Z контура, испытывающего емкостное влияние.
Отсюда нетрудно заметить, что напряжение помехи Ust
равно нулю, если соблюдается условие симметрии:
С13/С23=С14/С24. (4.9)
Рис. 4.12. Емкостное влияние между гальванически разделенными контурами:
а - модель влияния; б - схема замещения; в - модель влияния при
экранировании обоих контуров; г - схема замещения при наличии экранов
98
Это условие можно обеспечить попарным скручиванием
проводников (провода 1 с проводом 2, провода 3 с проводом 4), а в
некоторых случаях - включением симметрирующих
конденсаторов.
Следующей возможностью снижения емкостного влияния в
гальванически разделенных контурах является применение
экранированных проводов (рис. 4.12, в) с экранами Sx и S2 из
хорошо проводящего материала, которые, как правило,
соединяются с одной стороны с проводом системы опорного
потенциала какого-либо контура. Благодаря этому увеличивается
емкость связи С13* В ненагруженном состоянии для контура,
испытывающего влияние (рис. 4.12, г), можно записать:
Ust/U12 = W(l + C34/C13 + C3JC24). (4.10)
Из этого уравнения следует, что экранирующее воздействие
тем лучше, чем больше емкость С34 проводника относительно
экрана по сравнению с емкостями С13иС24.
4.3.2. Контуры с общим проводом системы
опорного потенциала
Такие контуры типичны для аналоговых и цифровых схем.
В качестве примера на рис. 4.13, а приведена логическая схема,
в которой может произойти непредусмотренное изменение
состояния переключающего элемента при изменении сигнала на
выходе элемента А из-за наличия паразитной емкости С13.
На рис. 4.13,6 приведена соответствующая схема замещения.
Принимая Rs » Rq> записываем напряжение помехи в оператор-
а)
Рис. 4.13. Емкостное влияние контуров с общим проводом системы опорного по-
тенциала2, 4:
а — схема с элементами логики; б - схема замещения; I, 2 - влияющий контур;
3, 4 - контур, испытывающий влияние; С13 - паразитная емкость связи
99
ной форме:
Решение этого уравнения имеет вид
(-MJ (1-е
-t/RgCC^Cj^
(4.11)
(4.12)
В этих уравнениях Аи/At представляет собой постоянную
скорость линейно возрастающего выходного напряжения
элемента А в интервале 0 < t < A t (рис. 4.14, а).
Изменение во времени напряжения помехи согласно (4.12)
показано на рис. 4.14,6. Если постоянная времени Rq(C12 +
+ С34) ^Aty то максимально возможное напряжение помехи
определяется
и
stmax
(4.13)
Аи
\At
Емкость связи С13, входящая в уравнения (4.11)-(4.13),
определяется геометрическими размерами и топологией
проводников. В простейшем случае проводники диаметром D и
длиной /, расположенные параллельно друг другу на
расстоянии d (рис. 4.15) [4.11], имеют емкость связи
леоег/
'13
(4.14)
In [d/D + -J(d/D)*-l]
Реальные значения емкости С13 составляют от 5 до 100 пФ/м.
Рис. 4.14. Выходной сигнал элемента Л на рис. 4.13, а (а) и сигнал помехи us^ p
интервале времени 0 < t < A t (б)
100
Рис. 4.15.
Параллельно проложенные'
цилиндрические
проводники (а) и зависимость
погонной
индуктивности Cl3/l от
отношения d/D (б)
\
10° W1 W2 10s
d/Л <f)
Например, при C13 = 100 пФ/м, RQ = 50 Ом, / = 0,1 м и Аи/At =
= 4 В/нс из (4.13) ориентировочное значение максимального
напряжения помехи составляет примерно 2 В.
Мероприятия по снижению емкостного влияния контуров с
общим проводом системы опорного потенциала следующие:
обеспечение малой емкости связи С13 из-за сокращения
длины проводов /, уменьшения диаметра провода D,
увеличения расстояния d между проводами 1 и 2, исключения
параллельной их прокладки, применения изоляции проводов и
печатных плат с малой диэлектрической проницаемостью;
увеличение емкости С34 путем размещения сигнальных
проводов между проводниками системы опорного потенциала (см.
рис. 4.7), скрутки сигнальных проводов и проводов системы
опорного потенциала, использования свободных жил кабеля в
качестве проводников системы опорного потенциала,
расположения плоских проводов системы опорного потенциала на
минимальном расстоянии при монтаже (на печатных платах, в
плоских соединительных жгутах), что также сказывается
благоприятно и при снижении гальванических влияний (см. п. 4.2.1);
выполнение предельно низкоомными токовых контуров,
подверженных влиянию;
ограничение скорости изменения напряжения Аи/At (в
логических схемах скорость переключения должна быть не выше,
чем требуемая для функционирования);
экранирование проводов и контуров, чувствительных к
влиянию (экраны S на рис. 4.16, а, провода и экранные дорожки S на
Печатных платах рис. 4.17, экранирующие пластины между
печатными платами SW или отсеки SG для отдельных модулей
(рис. 4.18), металлизация пластмассовых корпусов [5.43-5.47]).
Под влиянием экрана существенно уменьшается емкость
С13, а емкость С34 увеличивается, что в соответствии с (4.12) и
(4.13) приводит при одной и той же скорости изменения
напряжения Д и/ A t к снижению напряжения помехи.
101
c.js S C3
Рис. 4.16. Экранирование линии:
а — целесообразное соединение экрана S с системой опорного потенциала
2, 4; б - схема замещения; в - нецелесообразное соединение экрана с системой
опорного потенциала; г — двустороннее соединение экрана с проводом
опорного потенциала; А - источник помех (Л и/Л У; Rq - выходное сопротивление
источника помех; Rg — входное сопротивление ступени в экранированном контуре
Рис. 4.17. Экранирующие дорожки на печатных платах:
а — экранирующая дорожка S (схема замещения такая же, что и на рис. 4.16, б);
б - короткозамкнутая дорожка - экран S с перемычкой В служит также защитой
от индуктивного влияния
SW
Рис. 4.18. Экранирование функциональных блоков
печатных плат перегородками SW или
функциональных модулей коробками SG:
2, 4-- пластина опорного потенциала
В любом случае экран S должен быть изготовлен из хорошо
проводящего материала, чтобы на сопротивлении экрана R и
его индуктивности L (рис. 4.16, б) не было заметного падения
напряжения, накладывающегося на полезный сигнал в
защищаемом корпусе. Экран в источнике питания должен быть
соединен с проводом системы опорного потенциала (например, с
проводом 2 и 4 на, рис. 4.16, а). При соединении экрана с
системой опорного потенциала у чувствительного к помехам
элемента (рис. 4.16, в) ток вызывает падение напряжения помехи ust
на сопротивлении R и индуктивности L провода системы
опорного потенциала, которое накладывается на входное
напряжение защищаемого контура.
Двустороннее присоединение экрана к системе опорного
потенциала (рис. 4.16, г) целесообразно тогда, когда экран
предназначен для ослабления воздействующего магнитного поля.
Впрочем, ток ist в контуре, образованном экраном 5 и проводом
системы опорного потенциала 2, 4, не должен создавать в
проводе 2, 4 недопустимого напряжения помехи, попадающего в
защищаемый контур. Дальнейшие сведение о присоединениях
экрана к системе опорного потенциала, корпусу прибора и к
заземлениям содержатся в DIN/VDE 0160 и в п. 5.4.4.
4.3.3. Токовые контуры с большой емкостью
относительно земли
В длинных заземленных с одной стороны сигнальных линиях
при появлении изменяющегося во времени напряжения Аи
протекает ток помехи ist, обусловленный емкостями Сх и С2, и
вследствие несимметрии относительно земли часть
синфазного напряжения Аи преобразуется в противофазное напряжение
usu суммирующееся с напряжением сигнала, поступающего от
источника (рис. 4.19, а).
Рис. 4.19. Односторонне заземленная линия с большими емкостями на землю
Сх и С2 (а) и ее схема замещения при Rg > Rq (б)
103
Принимая напряжение Аи изменяющимся по
синусоидальному закону, например с частотой сети, можно записать
выражение для напряжения помехи (рис. 4.19, б):
Ust = A UI Vl + l/^n/C^)2 . (4.15)
Например, при A U = 100 В, /= 50 Гц, Сх = 2000 пФ и RQ = 150 Ом
напряжение помехи составляет 9,4 мВ. Этого достаточно, чтобы
практически исключить передачу слабых сигналов, например,
от термоэлементов, что, впрочем, не так часто встречается.
Из (4.15) следует, что при / = 0 Ust = 0, а при бесконечно высокой
частоте Ust = Д U. Это означает, что при высоких частотах
напряжение помехи соответствует синфазному напряжению AU.
Средства борьбы с помехами сводятся к:
устранению соединения с землей приемной ступени, точнее,
к устранению гальванической связи между системой опорного
потенциала и корпусом прибора, что не всегда рекомендуется
(см. п. 6.2.1) и при высоких частотах часто не эффективно;
выполнению сигнального контура предельно низкоомным
(малые значения Rq, Rs );
экранированию сигнальной линии (рис. 4.20, а, б).
При этом напряжение помехи снижается до значения
u;t = A U'l Jl + l/(2nfCSLRQ)2 . (4.16)
При наличии последовательного резонансного контура
становится возможным повышение напряжения помехи (рис. 4.20, б).
При заземлении экрана (рис. 4.20, в) может наблюдаться
увеличение емкости провода относительно земли (CSL > Ct), что
приводит [(4.15), рис. 4.20, г] к большему напряжению помехи,
чем при отсутствии экрана.
Хорошие результаты снижения напряжения помехи могут
дать:
симметричное относительно земли выполнение линий
передачи сигналов (рис. 4.20, д, е); при полной симметрии Ust= 0;
введение на приемном конце элементов, разделяющих
потенциалы [реле, оптической развязки, разделительного
трансформатора (рис. 4.20, ж, з)]. Проникновение помехи в этом
случае возможно через паразитную емкость разделяющих
элементов Cst (Cst « С±; Cst « С2);
104
Рис. 4.20. Способы защиты контуров с большими емкостями относительно земли
применение для передачи сигналов световодов (рис. 4.20, и).
Этот способ практически устраняет влияние емкости CsV
4.3.4. Емкостное влияние молнии
Если молния ударяет непосредственно в землю или
находящиеся вблизи проводящие предметы (молниеприемники,
осветительные мачты, металлические фасады и т.п.), то канал мол-
105
\Утах>ШкВ
в\ IT
QZ
////777
Рис. 4.21. Емкостное влияние молнии
на линию:
В — канал разряда молнии; Gl, G2 —
приборы; Cg, Cg—емкости связи
относительно земли
нии В (рис. 4.21) кратковременно приобретает высокий
потенциал (Umax > 100 кВ) вследствие падения напряжения на
сопротивлении заземления (см, табл. 2Л). В результате потенциал
сигнальной линии при наличии емкостей Ск и СЕ повысится
до значения
ust
(4.17)
Если нет устройств, защищающих от перенапряжений, то
входная изоляция приборов Gx и G2 будет повреждена, а в
лучшем случае (слабая интенсивность молнии, большое
расстояние до места удара, дающее малое значение Ск) возникает
интенсивная помеха. Эффективная защита может быть
обеспечена экранированием сигнальной линии (см. п. 5.4.4).
4.4. Индуктивное влияние
Индуктивное влияние обусловлено паразитным потокосцеп-
лением между контурами промышленных устройств и
образованными при ударах молнии или разрядах статического
электричества.
В качестве первого простого примера на рис. 4.22, а показаны
два индуктивно связанных контура. Если в контуре 1 имеет
место быстрое изменение тока Д//Д*, например при
коммутациях, то в контуре 2 индуктируется напряжение помехи
и€*«11-Д//Д*в-ДФ/Д*э (4.18)
где Ф - магнитный поток, пронизывающий контур 2; Ll2 -
взаимная индуктивность контуров 1 и 2.
Взаимная индуктивность зависит от конфигурации и
размеров контуров, и для показанных на рис. 4.22, а, контуров она
106
мкГн/м
"sti.
0,1 1 10 100
a/dЮ
д)
Рис. 4.22. Индуктивное влияние между промышленными токовыми контурами:
а — принципиальная схема двух токовых контуров 1 и 2 с расстоянием d
между ними; б - погонная взаимная индуктивность М/1 в зависимости от a/d;
в—е — меры по снижению влияния (пояснения см. в тексте)
рассчитывается как
(4Л9)
Погонная взаимная индуктивность в зависимости от
отношения a/d может быть определена из графика на рис. 4.22, б.
Используя (4.18) и (4.19) при / = 1 м, a/d * 0,1 и Д \/ Д *= 1000 А/с,
получаем напряжение помехи ust = 2,3 В.
Второй пример - разряд статического электричества на
проводящий корпус прибора G (рис. 4.23). В контуре, находящемся
внутри прибора и удаленном от проводника с током разряда
*esd на среднее расстояние г0, индуктируется напряжение
al
Ai
At
(4.20)
где / и а - длина и ширина контура соответственно.
107
ESB
Рис. 4.23. Индуктивное влияние разряда
статического электричества ESD на петлю /, а
внутри прибора G
i>esd
выв°Де (4.20) использованы
элементарные соотношения:
= \iQH и
Q //2лг0.
Например, при а « / * 1 см, г0 = 5 см и скорости изменения
тока во времени 10 А/нс, возможной при разряде статического
электричества (см. табл. 2.4), напряжение помехи равно 4 В.
Следующие примеры индуктивного влияния показаны на
рис. 4.24 и 4.25. Магнитное поле канала молнии индуктирует в
контурах напряжения, которые можно определить из (4.20).
На рис. 4.24 выделены два таких контура. Первый образован
проводами сигнального контура и имеет площадь ах 1. Второй,
площадью а2/, создан заземленным проводом сигнального
контура и землей. При г0 = 25 м, / = 20 м, а1 = 0,4 см, а2 = 60 см и
Ai/At = 200 кА/мкс (см. табл. 2.1) из (4.20) вычисляется
напряжение ustl = 128 В в первой петле, ust2 = 19,2 кВ - во второй. Эти
напряжения могут привести к пробоям и связанным с ними
повреждениям приборов GxnG2, если не предусмотрены
специальные защитные меры.
///7/77777/* ////////////////А//'////////'///V/V'777/7/77//
Рис. 4.24. Индуктивное влияние тока молнии на электрические контуры в
устройстве автоматизации:
В - канал молнии; G1,G2- приборы устройства
108
Рис. 4.25. Индуктивное влияние тока
молнии на электрический контур
внутри здания G, образованный проводами
питания и сигнальными линиями при
ударе молнии в молниеприемник В
здания [К.26]
Сетьпи-
777777
Сигналь-
ная линия
Рисунок 4.25 дает представление о петле в здании G,
образованной сетью питания и линией передачи данных [К.26]. При
г0 = 11 м, а = 15 м, / = 10 м и Д//A t = 200 кА/мкс
индуктированное в петле напряжение согласно (4,20) достигает 540 кВ. При
отсутствии средств защиты включенные в обе сети
компьютеры, несомненно, будут выведены из строя.
Мероприятия по снижению индуктированных напряжений
предусматривают (4.18)-(4.20):
снижение до возможных пределов взаимной индуктивности
L12, т.е. уменьшение / за счет сокращения длины проводников,
увеличение расстояния между сетевыми и информационными
проводами, уменьшение площади контура, подвергающегося
воздействию;
уменьшение скорости изменения во времени потока ДФ/Af
при помощи короткозамкнутой петли К> расположенной
непосредственно у сигнального контура (рис. 4.22, в), или соединение
на печатной панели экрана S мостиком В в замкнутое кольцо
(см. рис. 4.17, б);
осуществление связи контуров 1 и 2 ортогонально
направлению силовым линиям магнитного поля (рис. 4.22, г). Этот
способ эффективен в устройствах, выполненных в виде катушек;
компенсация индуктированного в контуре 2 напряжения
путем скрутки проводов (рис. 4.22, д). При этом частичные потоки
Ф,- создают напряжения, направленные противоположно;
109
снижение действия созданного магнитного потока путем
скручивания соединительных проводов контура 2, При этом
создаются встречно направленные компоненты потока, а их
воздействие на вторичный контур компенсируется;
экранирование кабелей, соединительных проводов
(рис. 4.22, е), модулей и приборов ферромагнитными экранами
(трубами, металлическими шлангами, стальными корпусами),
причем экранирующее воздействие тем сильнее, чем выше
магнитная проницаемость материала и толще стенка экрана.
Проводящие соединения между экраном и землей
необязательны, однако они необходимы для защиты от напряжения
прикосновения. Для ослабления воздействий, вызванных
молнией, применяется ферромагнитное экранирование кабелей
передачи данных, проложенных по воздуху, экраны заземляются
на обоих концах. Вопросы экранирования изложены также в
§5.4.
4.5. Воздействие электромагнитного излучения
Причиной воздействия излучения являются
электромагнитные волны, излучаемые токовым контуром и
распространяющиеся в окружающем пространстве со скоростью света с =
= 300000 км/с (см. рис. 4.26, а). Между длиной волны А. и
частотой /существует известная связь:
Х-с/Л
(4.21)
При х>к/2п или же x>c/2nf соблюдаются условия
дальнего поля. Эти условия необходимо учитывать при частоте
1 МГц на расстоянии х = 50 м, а при частоте 1 ГГц - на
расстоянии х = 5 см от источника (при частоте 10 МГц х = 5 м, а при / =
= 100 МГц х т 0,5 м). Напряженность электрического поля на
Рис. 4.26. Электромагнитное влияние на контур длиной I без экрана (а) и с
экраном 5 толщиной d (б)
110
расстоянии х от источника мощностью Р может быть
определена из соотношения
, (4.22)
при этом Ех выражается в В/м, Р - в кВт, х - в км. Например, при
При воздействии электромагнитной волны на
электропроводные объекты вследствие антенного эффекта возникают
высокочастотные напряжения, непосредственно или косвенно
являющиеся помехами в сигнальных контурах. Приближенно
индуктируемая ЭДС в антенне рассчитывается
"*-*Л«г <4-23>
где / „- эффективная длина антенны.
Длина / .. зависит от размеров устройства, обладающего
антенными свойствами (DL и / на рис. 4.26, а) и длины падающей
волны. Для конкретных объектов она определена в нормах
DIN/VDE0848, ч.1. Например, при частоте /=300 МГц, £х=10В/см,
I = 0,1 м / .= 0,2 м, напряжение U$t = 2 В.
Защитой от электромагнитного поля, как для ослабления
излучения, так и для уменьшения проникновения, служат
экранирующие стенки, устанавливаемые между источником и
приемником (рис. 4.26, б). Такой стенкой напряженность
падающего поля уменьшается от значения Ео до значения Ех. Это
обусловлено, с одной стороны, поглощением энергии поля в
материале экрана, а с другой - отражением падающей волны.
Затухание зависит от толщины экрана, электропроводности и
магнитной проницаемости материала, частоты излучения (см.
§5-4).
Глава пятая. ПАССИВНЫЕПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩИЕ
И ЗАЩИТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
5.1. Обзор
При обеспечении электромагнитной совместимости во
многих случаях необходимо ослабить эмиссию помех,
обусловленную гальваническими связями с источниками, или
проникновение таких помех через чувствительный элемент, предотвратить
возникновение перенапряжений в потенциальных источниках
помех и ограничить опасные для изоляции перенапряжения
или для функционирования напряжения помех, а также
ослабить излучаемые источником электромагнитные поля и
предотвратить проникновение этих полей через чувствительные
элементы. Для этого используются пассивные помехоподавляющие
устройства в виде фильтров, ограничителей напряжения и
экранов. В зависимости от решаемой задачи они могут быть уста-
Рис. 5.1. Взаимные расположения источника
помех Q, приемника S и защитного
компонента Е:
а - защита отсутствует; б — защита
приемника; в — подавление помехи х у источника
новлены непосредственно у чувствительного элемента (рис. 5.1, б)
или у источника (рис. 5.1, в). Наглядно защитное действие таких
компонентов представляется в виде отношения z/zr.
5.2. Фильтры
5.2.1. Принцип действия
Помехоподавляющие фильтры представляют собой элементы
для обеспечения затухания поступающей по проводам помехи
[К.36, К.37, 5.2-5.10, 5.50-5.52]. Целесообразное их применение
предполагает, что спектральные составляющие полезного
сигнала и помехи достаточно отличаются друг от друга. Это
позволяет при соответствующих параметрах фильтра обеспечить
селективное демпфирование помехи при отсутствии заметного
искажения полезного сигнала. При этом собственно эффект
112
демпфирования достигается делением напряжения. Поясним
это на простейшем примере.
Бели в низкочастотный контур полезного сигнала (полезные
величины UN, Ijsj на рис. 5.2, а) поступает высокочастотное
напряжение помехи Uo, то на полном сопротивлении приемника
Zs появляется составляющая напряжения помехи
(5.1)
Введение зависящего от частоты продольного полного
сопротивления ZL (рис. 5.2,б), например в форме со L,
представляющего для низкочастотного тока IN очень малое, а для
высокочастотного тока j^ - очень большое сопротивление,
обеспечивает ослабление помехи, и составляющая, напряжения помехи
снижается до
и* - и*
zs
(5.2)
Достигаемый эффект затухания можно характеризовать
коэффициентом затухания - отношением падений напряжений на
Zs при наличии ZL и без него:
(5.3)
Коэффициент затухания приводится, как правило, в
виде логарифма отношения напряжений и выражается в де-
/*v«
£sh\&+&i
^ГЩ±
Ю
r j
Источник попех
Приемник помвх
-7—Л / 4^^/77^ r-r
Рис. 5.2. Цепь без фильтра (а) и с
фильтром F (б)
Рис. 5.3. Токовый контур с фильтром
ИЗ
цибеллах:
а - 20 lg
Й
(5.4)
Согласно (5.3) эффект затухания зависит не только от ZL, но и
от полных сопротивлений Zq и Zs.
В общем случае, фильтр F любой структуры представлет собой
четырехполюсник, объединяющий источник помехи и
приемник (рис. 5.3). Для расчета фильтра пригодны известные
соотношения:
U = A U + А I • (5 5)
il=^21^2 + ^22l2, (5.6)
где All9 A12f A2l, А22 - комплексные параметры
четырехполюсника.
Их конкретные значения для простейших фильтровых
структур представлены в табл. 5.1.
Далее (рис. 5.3) можно записать:
УошУ1 + 2о!х1 (5.7)
U2 = ZSI2. (5.8)
Напряжение на входе приемника без фильтра определяется
как
У20 - Ц> —— . (5.9)
Аналогично (5.4) ослабление сигнала в фильтре описывается
как логарифм отношения напряжений на входе приемника без
фильтра и2Оис фильтром U2:
fle = 201g|l/2O/l/2|. (5.10)
Коэффициент затухания в фильтре любой структуры в
соответствии с (5.5)-(5.10) можно выразить как
V
+ •
= 201g
гд+г6
Zs
?q+Zs -"'
...... J^ \
Zn+ZQ
1
Iq+Zs
~22
(5.11)
114
Таблица 5.1. Параметры четырехполюсников гфо
фильтров [5.1]
тейших cxffM
Схема
Коэффициент
2,
ЦТ" *
2,
Zz
Z,
2,+2,
г.
2,2,
1+2,/2.
1+2./2,
Отсюда следует, что коэффициент затухания зависит, с
одной сторону от параметров фильтра Л119 А12, А21$ А22 (см.
табл. 5.1), а с другой - от полных сопротивлений участвующих
в процессе источника и приемника помех, что уже отмечалось
в связи с обсуждением (5.4). Коэффициент затухания в
зависимости от конкретных условий может иметь сильно
различающиеся значения для одного и того же фильтра (рис. 5.4). Один и
115
121,0"
>
У
/
/
/
34
''у
'\
/
/
//
У А''
//
/
/
/
/
\J
\j
Рис. 5.4. Кажущееся сопротивление
электроэнергетических сетей [К.7]:
1 — жилые территории с
воздушными линиями электропередачи; 2 —
публикация 3 CIS PR; 3 - промышленные
сети; 4 — жилые территории с
кабельными линиями
W2
5
3
W7
5
3
W0- т
тот же фильтр при различных условиях, т.е. в зависимости от
значения и частотных характеристик полных сопротивлений
?о и -S> может вызывать сильно различающееся затухание.
Поэтому практически невозможно задать общую
характеристику фильтра независимо от конкретных условий, и приводимые
в фирменных каталогах значения коэффициента затухания
фильтров согласно (5.10) (как и представленные на рис. 5.14, б;
5.15, б; 5.16, б; 5.17, б; 5.18, в; 5.19, в) относятся всегда к особому
случаю системного согласования (ZQ * Zs) и к средним
значениям ZQ и Zs, например 50, 60,150 или 600 Ом. Соответствующие
нормированные в международном масштабе схемы для
измерения коэффициента затухания ае (f) приведены на рис. 5.5.
Паспортные данные о коэффициенте затухания ае (f) можно
использовать лишь при конкретных обстоятельствах, а именно
в качестве показателя качества при изготовлении фильтра
или как характеристику при сравнении фильтров одинаковой
конструкции, поставляемых различными изготовителями, а
также при анализе фильтрового действия в сопоставимых схе-
а)
Рис. 5.5. Схемы для измерений симметричного (а) и асимметричного
коэффициентов затуханий (б) ае фильтров (CISPR17,1981):
при Zq = zs = 50 Ом из (5.10) следует ае = 20 lg Ujl U2, дБ, так как U20 = UQ/2
согласно (5.9)
116
Таблица 5.2. Рекомендации по выбору структуры фильтра
Сопротивление источника Схема фильтра Сопротивление приемника
Мало
Мало
Велико
Мало
Велико
Велико
Велико
Мало
Мало, неизвестно
Велико, неизвестно
Мало, неизвестно
Велико, неизвестно
мах. Во всех остальных случаях фактическая эффективность
фильтра определяется лишь экспериментально в соответствии
с (5.10) или же расчетным путем согласно (5.11), если точно
известно соотношение полных сопротивлений Zq и Zs.
Если значения Zq и Zs известны приблизительно, выбор
подходящей фильтровой структуры может производиться с
использованием данных табл. 5.2.
5.2.2. Фильтровые элементы
Основными составными элементами фильтров являются
катушки индуктивности и конденсаторы. Они могут
использоваться для подавления помех отдельно или в комбинации
друг с другом (см. табл. 5.2). Рисунки 5.6 и 5.7 дают общие
представления о важнейших видах исполнения фильтров.
Фильтровые элементы представляют собой в зависимости от
номинального напряжения и пропускной способности по току приборы
для монтажа в помещениях, компактные элементы,
встраиваемые в шкафы, приборы, в разъемы или чип-элементы для
монтажа на печатных платах.
117
в)
Рис. 5.6. Примеры выполнения
помехозащитных конденсаторов:
а - конденсатор с двумя выводами; б —
конденсатор^вод с тремя выводами; в -
конденсатор-четырехполюсник; г —
многоэлементный конденсатор
Рис. 5.7. Примеры выполнения
помехозащитных катушек с рабочим током /5 и
синфазным током помехи /с:
а — стержневая катушка; б —
простейшая катушка с кольцевым сердечником;
в - кольцевая катушка с двумя
встречными обмотками и компенсацией
магнитного потока, создаваемого рабочим током
*Ь» г — ферритовые кольца; д — феррито-
вые сердечники для плоских жгутов; е —
линии с повышенным затуханием, с
охватывающей оболочкой из материала с
высоким затуханием; ж - ферритовые
пластины со многими отверстиями для
штекерных соединений и интегральных схем
Двухполюсные конденсаторы (рис. 5.6, а) в зависимости от
соединения их в токовую цепь (между прямым и обратным
проводами или же между проводом и землей) пригодны для
защиты как от синфазных, так и от противофазных помех (рис. 5.8, а).
Конденсаторы-вводы (рис 5.6,6) при соединении с корпусом
служат для защиты только от синфазных помех (рис. 5.8, б).
Конденсаторы-четырехполюсники (рис. 5.6, в) защищают от
противофазных помех (рис. 5.8, в), а многосекционные конденсаторы
(рис. 5.6, г) - как от противофазных, так и синфазных помех
(рис. 5.8, г).
118
Тоже
Тоже
То же
■Су
'Q2
О0 Ь
"II
'82
ЗСЩ4-
'Q2
в)
Z* )
Тоже
—— \сУ/де еГ*
Рис. 5.8. Защита катушками индуктивности и конденсаторами от синфазных
и противофазных токов помех (пояснения см. в тексте):
Q1,Q2- источники противофазных Jj и синфазных 1С токов помех; СЕ —
паразитные емкости участка схемы относительно заземленного корпуса
Защитные катушки индуктивности представляют собой
катушки с возможно малыми емкостью и активным
сопротивлением обмотки. Они имеют замкнутые или разомкнутые
сердечники (стержни, кольца из ферромагнитного материала - транс-
119
форматорной стали, металлооксидной керамики,
прессованного порошка из карбонильного железа [5,52]). Катушки
индуктивности со стержневым или простым кольцевым сердечником
(рис. 5.7, а, б) демпфируют как синфазные, так и
противофазные сигналы (рис. 5.8, а).
Так как в катушках индуктивности с сердечниками
магнитная цепь не замкнута, то их магнитная проницаемость и
индуктивность практически не зависят от рабочего тока. Впрочем,
при больших токах габаритные размеры таких катушек
индуктивности велики. Меньшие размеры имеют катушки
индуктивности со скомпенсированным магнитным полем или током
(рис. 5.7, в), в которых магнитное поле, создаваемое рабочим
током /ь, компенсируется благодаря встречному включению
обмоток. Такие катушки индуктивности демпфируют лишь
синфазные токи 1С (рис. 5.8, е). Это же относится к ферритовым
кольцам (рис. 5.7, г), одеваемым на провода или на плоские
жгуты (рис. 5.7, д), к линиям с усиленным затуханием (рис. 5.7, е),
имеющим, в частности, при частотах / > 1 МГц хорошие
показатели затухания, к ферритовым пластинам со многими
отверстиями (рис. 5.7, ж), применяемым в разъемах и внутренних
соединениях.
При использовании катушек индуктивности и конденсаторов
для фильтрации следует иметь в виду, что любой конденсатор
наряду с емкостью С обладает паразитной индуктивностью L ,
зависящей от длины выводов конденсатора. Она особенно
велика у двухполюсных конденсаторов и мала у коаксиальных
конденсаторов-вводов. Каждая катушка индуктивности в
дополнение к ее индуктивности L имеет паразитную емкость С .
Поэтому для кажущегося сопротивления существует
зависимость от частоты, представленная на рис. 5.9, обладающая ре-
Рис. 5.9. Частотные зависимости кажущихся сопротивлений конденсатора (а)
и катушки индуктивности (б)
120
Рис. 5.10. Значения собственных резо-
нансных частот /0 помехоподавляющих
конденсаторов в зависимости от их ем-
кости С [5.2]
W1
ч.
*щ
^^0У
^*ч
щ
10°
Ю1 ГО2 103 10*С,пФ
зонансной точкой, в отличие от идеальной характеристики.
Сведения о собственных резонансных частотах конденсаторов,
применяемых для подавления помех, приведены на рис. 5.10.
Пренебрегая активной составляющей, можно для
зависимостей на рис. 5.9 использовать следующие выражения.
Для конденсаторов (рис. 5.9, а) кажущееся сопротивление
(5.12)
Идеальная характеристика при отсутствии Lp
рассчитывается как
(5.13)
(5.14)
где/0 p
Для катушек индуктивности (рис. 5.9, б) кажущееся
сопротивление
lg|z| = lg(l/2nC)-lg/.
Реальная характеристика с учетом Lp:
lg|2|«lg
2л/ С
1
(5.15)
идеальная характеристика при отсутствии Ср
(5.16)
121
реальная характеристика с учетом С
lg 111 - lg
2nfL
(5.17)
В дополнение к сказанному определим коэффициент
затухания, дБ, фильтра - поперечного конденсатора (например, Сх на
рис. 5.8, а), обладающего индуктивностью, в режиме
согласования (ZQ = ZS = ZA). При Atl = 1, Al2 ш О, А21 ш 1/ZO, А22 - 1 (см.
табл. 5.1) из (5.11)
ае = 20lg f 1 + ZA/2ZO|. (5.18)
При кажущемся сопротивлении конденсатора Zo = 1/JcoC +
+ juLp vt G)o = 1/>/с Lp для резонансной частоты коэффициент
затухания
о =101g 1 +
2[1-(со/сой)а]
(5.19)
Для частот, отличающихся от со0, можно использовать
следующие приближения:
при(о)/о>0)2>1 и (со CZA/2)2>1
ee - 20 lg л С ZA + 20 lg/; (5.20)
при(0)/(0о)2>1 и (ZA/2coLp)2>l
oe-201g(ZA/4nLp)-201g/. (5.21)
На рис. 5.11 показаны прямые, рассчитанные по (5.20) и (5.21)
для определенного значения ZA, а также зависимость
коэффициента затухания ае от частоты при различных С и 1р. Уравне-
Рис. 5.11. Коэффициент затухания ае
фильтра, состоящего из реальных кон-
денсаторов, в зависимости от частоты /:
ния (5.19)-(5.21) совместно с рис. 5.11 показывают, что при
заданной емкости С коэффициент затухания ае тем выше, чем
больше ZA и меньше паразитная индуктивность конденсатора 1р.
Отсюда можно сделать два вывода:
не каждый имеющийся в распоряжении конденсатор можно
использовать в качестве помехоподавляющего;
емкостный фильтр предпочтителен, если имеют место
высокие сопротивления источника и приемника помех (см. табл. 5.2).
Коэффициент затухания фильтра любой другой структуры
можно таким же образом приближенно или точно рассчитать.
Рисунок 5.12,6 дает представление о затухании LC-фильтрас
реальными элементами (рис. 5.12, а); в зависимости от
диапазона частот коэффициент затухания определяется параметрами
фильтра L, С или паразитными параметрами Lp, Cp. При низких
частотах, когда элементы фильтра можно считать
идеальными, коэффициент затухания ае увеличивается
пропорционально квадрату частоты. Затем начинает сказываться влияние
паразитных параметров 1р и Ср, и ае остается приблизительно
неизменным. При высоких частотах эффект демпфирования в
основном определяется паразитными параметрами Lp, Cp, и
коэффициент ае уменьшается обратно пропорционально
квадрату частоты.
Все предыдущие рассуждения относятся к случаю
синусоидальной помехи. Бели имеет место импульсная помеха, то
необходимо определить ее спектр и на основании изложенного
материала можно определить коэффициент затухания.
Отметим, что демпфирующие свойства фильтра при
импульсном воздействии не всегда выражаются зависимостью ае от
частоты, так как часто затрудняется переход от частотной области во
временную вследствие нелинейности элементов фильтра, в
Рис. 5.12. Коэффициент затухания ае фильтра LC [K.7, К.37,5.2]:
а - схема замещения фильтра; б — принципиальная частотная зависимость
коэффициента затухания ае
123
Рис. 5.13. Формы импульсов
частности катушек индуктивности. Однако при известной
форме импульса помехи (рис. 5.13) в первом приближении можно
при выборе фильтра исходить из того, что область пропускания
фильтра должна достигать по крайней мере частот fg = I/At
или L « 1/Гг. Например, при времени нарастания Тг = 5 не
частота 4 = 200
5.2.3. Сетевые фильтры
Сетевые помехоподавляющие фильтры представляют собой
фильтры низких частот, свободно пропускающие напряжение
сети (полезный сигнал) и фильтрующие содержащиеся в сети
высокочастотные составляющие (гармонические, в том числе
и образующие спектр импульсных помех). Их применение
преследует две цели: во-первых, защиту устройства от помех,
поступающих из сети питания, и, во-вторых, снижение уровня
эмиссии возможной помехи, исходящей от прибора по проводам
питания. Продольный элемент фильтра выбирается с учетом
потребляемого из сети тока. Хотя обычно значение полного
сопротивления источника и приемника помех неизвестно,
часто можно принять сопротивление со стороны сети малым, а со
стороны нагрузки - большим. В связи с этим для защиты
приборов от помех со стороны сети доминируют фильтры (см.
строку 3 в табл. 5.2). На рис. 5.14 приведена схема фильтра,
содержащего катушку индуктивности со скомпенсированным
магнитным полем. Фильтр содержит конденсатор Сх для демп-
N
f-\
к»
= E
e,\
- Cy-
П1
?
i
s
I
а)
60
40
20
0
s
fZZZ
V
10°
JO'
d)
Рис. 5.14. Пример сетевого фильтра на 250 В, 1 А [5.9,5.50]:
а - схема, С% - 0,1 мкФ, Су = 2x3 нФ, L = 2x3,7 мГн; б — частотная зависимость
ае, схемы измерений согласно рис. 5.5; 1 — асимметричные помехи; 2 -
симметричные помехи
124
Рис. 5.15. Пример трехфазного
сетевого фильтра на 440 В, 16 А [5.9]:
а - схема, Ы = 60 мкГн, L2 = 4,4 мГн,
Сх = 2,2 мкФ, Су = 15 нФ, R — разрядные
сопротивления; б — частотная
зависимость ае: 1 - асимметричные помехи;
2 - симметричные помехи
фирования симметричных напряжений помехи и два
конденсатора CY для отвода асимметричных токов помехи. Впрочем,
существует множество вариаций фильтров [5.3, 5.9, 5.50, 5.51],
различающихся в зависимости от изготовителя схемными и
конструктивными деталями и поэтому обладающих
различными демпфирующими свойствами.
В заключение приведем схему и частотную характеристику
трехфазного сетевого фильтра (рис. 5.15).
Через типичные для сетевых фильтров конденсаторы,
включенные между проводами сети и, как правило, заземленным
корпусом прибора (CY на рис. 5.14 и 5.15), в нормальном режиме
протекает ток. При этом не должно создаваться опасности при
прикосновении к корпусу прибора в отсутствие или
повреждении заземляющего провода. Поэтому ток через конденсаторы
не должен превышать значений, лежащих в диапазоне
0,75-3 мА, что соответствует предельному значению емкости
конденсаторов Су.
Приведенный пример иллюстрирует, что при использовании
фильтров необходимо удовлетворять требованиям
соответствующих норм по технике безопасности (VDE 0565).
5.2.4. Фильтры для сигнальных цепей и линий передачи данных
Эти фильтры отличаются от сетевых тем, что они рассчитаны
на низкие частоты рабочих токов и напряжений, работают в
большинстве случаев в согласованных системах (Zq * Z5), a
полезные сигналы имеют широкий спектр частот.
125
1
/
f
I
\
W2'
7 0 Г Z 3 4»
'f,ru
dJ
Рис. 5.16. Четырехзвенный фильтр для линии управления 440/250 В [5.3]:
а - схема; б — частотная зависимость ае
100
60
20
О
10"
(
i
3
А
Рис. 5.17. Фильтр для согласованной линии управления для подавления
синфазных и противофазных помех [К.7,5.3] с граничной частотой около 10 кГц:
а — схема; б — частотная зависимость ар
1 23
/
I
—v
Ч
zoo
600
в)
Рис. 5Л8. Миниатюрный разъем-ввод с фильтром, выполненным в виде плоских
пластин [5.5]:
а — конструкция: 1 — штифт-электрод; 2 — изоляция; 3 - электрод-масса; 4 —
керамическая втулка; 5 - промежуточная прокладка; 6 — керамическое
основание; б — схема замещения; в — частотная зависимость ае
Если частотный диапазон помехи сильно отличается от
частотного спектра полезного сигнала, то вполне допустимо
использовать простейший ЯС-фильтр низких частот. При высо-
126
X 1 Jj^ 2-Z'J
М' 2-2' 3-3'
а)
Рис. 5.19. LC-фильтр низких частот [5.10]:
а - конструкция; б - схема замещения; в - частотная зависимость ае
кочастотном полезном сигнале практически находят
применение лишь многозвенные L С-фильтры, характеристика затухания
которых, начиная от некоторой граничной частоты,
приобретает весьма высокую крутизну. На последующих рисунках
показаны схемы и характеристики некоторых типичных
фильтрующих устройств из большого числа применяющихся и
предлагаемых изготовителями вариантов, а именно: на рис. 5.16 -
фильтр для четырехпроводной линии управления на
напряжение 444/250 В, на рис. 5.17 - многозвенный фильтр для линии
управления и информационных сигналов, на рис. 5.18 -
миниатюрный фильтр-разъем для соединения линии передачи
данных с фильтром в виде многослойной структуры [5.5] и,
наконец, на рис. 5.19 показан фильтр низких частот I С, выполненный
в виде чип-элемента для монтажа на печатных платах.
5.3. Ограничители перенапряжений
5.3.1. Принцип действия
Ограничители перенапряжений - специальные элементы,
защитные схемы и приборы (DIN VDE 0845) - служат для
снижения перенапряжений в электроэнергетических и
информационно-электронных системах, вызванных молнией, разрядами
статического электричества коммутационными процессами или
другими причинами. Для обеспечения электромагнитной
совместимости они выполняют защитные функции с целью
предотвратить, в первую очередь, выход из строя электрических и
электронных средств и вызванные этим нарушения нормального
функционирования системы [К.26, К.36, К.37].
127
Рис. 5.20. Ограничение перенапряжений при помощи нелинейного
сопротивления^:
а - схема без защиты; б- схема с защитой; в - изменение напряжений во
времени; Ugp — импульсная прочность входной цепи
Принцип действия ограничителей базируется на
использовании резисторов RB, обладающих нелинейной вольт-амперной
характеристикой (рис. 5.20). В конкретных случаях она
выбирается такой, чтобы в допустимых пределах изменения рабочего
напряжения имело место очень большое сопротивление, а при
превышении заданного напряжения - очень малое. Вместе с
сопротивлением источника помехи ограничитель образует
схему нелинейного делителя напряжения (рис. 5.20,б), который и
снижает переходное перенапряжение до допустимого значения
не превышающего импульсную электрическую прочность
защищаемого элемента (рис. 5.20, в).
5.3.2. Защитные элементы
Для ограничения перенапряжений используются защитные
разрядные промежутки, варисторы и лавинные диоды.
Соответственно физические принципы действия этих устройств
различны. Поэтому такие характеристики защитных элементов,
как напряжение и время срабатывания, уровень ограничения,
степень точности ограничения напряжения, допустимая
токовая нагрузка, остаточное сопротивление, гасящие свойства и
другие, сильно различаются.
Разрядники [К.26, К.36, 5.11, 5.12] конструктивно
изготовляются в виде воздушных, газонаполненных устройся или
элементов со скользящим разрядом. На практике они выполняют
функции грубой защиты. Газонаполненный разрядник пред-
128
ставляет собой два электрода с фиксированным расстоянием
между ними, помещенными в герметичный керамический или
стеклянный корпус, заполненный инертным газом.
Защищаемую систему такой разрядник нагружает слабо, так как
сопротивление изоляции между электродами составляет более
1010 Ом, а емкость - менее 10 пФ. Если воздействующее
напряжение превышает напряжение пробоя l/z, то происходит разряд
между электродами, при этом сопротивление разрядника
понижается приблизительно на 10 порядков. Напряжение на
разряднике понижается до значения UG, обусловленного тлеющим
разрядом, или же, если это допускает соотношение
сопротивлений цепи, до значения дугового напряжения UB (рис. 5.21).
Напряжение пробоя Uz газонаполненного разрядника
зависит от изменения воздействующего напряжения du/dt (рис. 5.22).
При du/dt = 100 В/с определяется статическое UZs, а при du/dt =
= 1 кВ/мкс - динамическое напряжение UZd пробоя разрядника
(600-700 В). Типичное изменение напряжения на разряднике
во времени приведено на рис. 5.23. При очень коротких
импульсах напряжения (менее 30 не) газонаполненный разрядник
не срабатывает.
Газонаполненные разрядники надежно пропускают
стандартные токи (8/20 мке) амплитудой до нескольких десятков кило-
ампер, однако они способны самостоятельно гасить токи, не
превышающие 1 А. Поэтому их применение в цепях
электроснабжения требует последовательного включения защитного
устройства, способного отключить возможный сопровождающий
ток.
* 1,мА
* 700mA
Рис. 5.21. Вольт-амперная характеристика газонаполненного разрядника с
ориентировочными значениями напряжений тлеющего (Uq) и дугового (UB)
разрядов: и% - напряжение зажигания (см. рис. 5.22);
1 - область начальных и тлеющих разрядов; 2 - область дуговых разрядов
129
Vz
и,кВ
1
оА
1 БОО
и
7 Z
-700В I
-305
i i i i i
3 4 5 6 7 tMKC
100В/С 1кВ/мкс du/di
Рис. 5.22. Характеристики зажигания газонаполненного разрядника (1) и
разрядника со скользящим разрядом (2):
Ugs — статическое напряжение срабатывания; U^d — динамическое
напряжение срабатывания
Рис. 5.23. Типичная характеристика зажигания газонаполненного разрядника
Воздушные защитные промежутки образуются электродами,
находящимися в окружающем воздухе. Их разрядные и
рабочие характеристики близки к характеристикам
газонаполненных разрядников. Так как они не способны обрывать
сопровождающие токи, то их применение в качестве ограничительных
элементов в цепях электроснабжения возможно лишь в
комбинации с предохранителями или варисторами, выполняющими
функции дугогашения.
Находят также применение и закрытые воздушные (так
называемые разделительные) промежутки в местах сближения
грозозащитных устройств с другими заземленными частями
устройства или металлическими конструкциями, которые по
условиям коррозионной стойкости не должны быть
гальванически долго соединены друг с другом. При грозовых
воздействиях защитные промежутки устанавливаются там, где должны
происходить пробои, тем самым устраняются неконтролируемые
перекрытия и гарантируется выравнивание потенциалов в
течение грозового разряда частей устройства, отделенных друг от
друга в нормальном режиме.
Разрядники со скользящим разрядом содержат между
электродами изоляционный материал. Вольт-секундные
характеристики таких разрядников более пологие, чем газонаполненных
(рис. 5.22). Поэтому независимо от крутизны импульс
перенапряжения ограничивается до значения 2-3 кВ. Такие разрядники
способны самостоятельно обрывать сопровождающие токи,
и поэтому они более подходят для грубой защиты в цепях
электропитания.
130
i m
Рис 5.24. Типичные вольт-амперные характеристики варисторов в линейных (а)
и логарифмических (б) координатах:
/ - область токов утечек; II - область импульсных токов; III — диапазон
рабочих напряжений; JV— область перенапряжений
Варисторы (Variable Resistors) [5.13-5.18] представляют собой
элементы с симметричной вольт-амперной характеристикой
(рис. 5.24). При 1 > 0 она выражается в виде
I = KUa, (5.23)
где 1С - постоянная, зависящая от размеров резистора; а -
показатель, зависящий от материала.
Для применяемых в настоящее время металлооксидных
варисторов на базе оксида цинка значение а находится в
пределах от 25 до 40.
Эффект ограничения напряжения основан на том, что при
превышении рабочего напряжения, рассчитанного по (5.23),
сопротивление
R=l/KUa~l (5.24)
уменьшается на много порядков (рис. 5.24, б).
Защитный уровень варисторов в зависимости от их
исполнения может лежать как в диапазоне низких, так и высоких
напряжений, причем они способны поглотить значительную
энергию. Их время срабатывания сравнительно мало и составляет
десятки наносекунд. Оно определяется
индуктивностью токоподводов. Собственная емкость варисторов велика
(0,4-40 нФ), и поэтому их применение для ограничения
перенапряжений в высокочастотных системах исключено.
Конструктивно варисторы выполняются в виде шайб, блоков,
а также втулок для разъемных соединений. На практике
варисторы используют преимущественно для грубой защиты.
131
При часто повторяющихся 'перенапряжениях варистор
нагревается и сопровождающий ток возрастает. Этот эффект можно
использовать для контроля функциональных способностей ва-
ристора[5.17].
Кремниевые лавинные диоды обладают свойством не
повреждаться* при воздействии напряжения, превышающего
граничные, при котором они находятся в закрытом состоянии.
Их разновидность - так называемые Z-диоды (стабилитроны) с
напряжением Uz = 3 * 200 В (рис. 5.25) давно используются в
электронных схемах для стабилизации напряжения и защиты от
перенапряжений. Разработаны и специальные лавинные
диоды, предназначенные для ограничения переходных
перенапряжений, отличающиеся от обычных Z-диодов более высокой
пропускной способности по току, малым временем
запаздывания (пикосекунды), большой поглощаемой энергией. Такие
диоды выпускаются под названием ограничителей
перенапряжений, супрессдиодов (ограничительных стабилитронов),
трансвильдиодов или ТА Z-диодов (ТА Z - от Transient Absorbing
Zener).
На рис. 5.26 приведена характеристика ограничительного
стабилитрона. Она аналогична характеристике Z-диода.
Напряжение UR - максимальное напряжение, при котором диод еще
закрыт; UB - напряжение начала ограничения, при котором ток
/ = 1 мА; Uc - напряжение ограничения для импульса тока
1рр (8/20 мкс).
Достигаемые уровни ограничения напряжения лежат в
диапазоне 6-440 В. Защитные стабилитроны выпускаются также в
виде биполярных элементов (рис. 5.27, [5.19]). Для них UR = ±6 В;
UB = ±6,5 В; Uc = ±12 В при токе 1рр = 40 А (8/20 мкс).
W"
1мА
-и
+1/
7
ик ив ис
Рис. 5.25. Вольт-амперная характеристика Z-диода с напряжением Uz = 3 -г- 200 В
Рис. 5.26. Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его важнейшие
параметры
132
3
о
I
2
о
vo
о*
-Й-
-E3-
+
+
I Ч> о .о
3 Т Г >
л s
133
Рис. 5.27. Схема со стабилитронами для ограничения
перенапряжений в линиях передачи данных: ' С
слева - незащищенные входы; справа - защищенные Z [
выходы
/С
61
3L
101
Описанные выше газонаполненные
разрядники, ограничители с поверхностным
разрядом, варисторы,^диоды и ограничительные
стабилитроны используются для ограничения
перенапряжений отдельно или в комбинации друг с другом, а
также с фильтрами. В табл. 5.3 приведены параметры
ограничителей перенапряжений [5.20].
120
Цв
V7
ув
•113
•112
-111
5.3.3. Сетевые защитные элементы
Элементы защиты от перенапряжений, устанавливаемые в
цепях питания, служат для исключения проникновения в
устройства и оборудование, эксплуатируемое в помещениях,
импульсов, способных вызвать помехи или повреждения, или же
для снижения остаточного напряжения устройств грубой
защиты до допу^гимых для установленного оборудования значений
[К.26, 5.21-5.26]. В качестве примера на рис. 5.28 приведена
схема грубой защиты при централизованном питании. Она защища-
Рис. 5.28. Устройство для защиты от перенапряжений при централизованном
электропитании устройств оборудования в здании
134
Сеть
Прибор
Сеть
РЕ-
РЕ?*
Рис. 5.29. А&аптер для зашиты от перенапряжений с контролем термического
режима варисторов и передачей сигнала о дефекте по светодиоду [5.21]
Рис. 5.30. Адаптер-розетка для защиты от перенапряжений со встроенным
сетевым фильтром на 220 6
ет фазы и нейтраль от поступающих внешних перенапряжений
и состоит из параллельно включенных в каждой цепи
разрядника с поверхностным разрядом и металлооксидных варисторов
с тепловой сигнализацией (контакты аиЬ служат для
дистанционного контроля нагрева варистора из-за повышенного тока
утечки, перегрева). Разрядники способны выдерживать токи,
обусловленные молнией, и гасить дугу сопровождающего тока.
При приходе импульса перенапряжения сначала работает
варистор (время срабатывания примерно 25 не), а затем
срабатывает разрядник с запаздыванием порядка микросекунд.
Пропускная способность такого устройства по току может
достигать 100 к А (импульсы 8/20 мке), а перенапряжение
ограничивается до 2-3 кВ. Эти напряжения являются слишком большими
для промышленных электронных устройств, и поэтому они
дополнительно ограничиваются, как правило, варисторами,
рассчитанными на ток до 10 к А и напряжение до 1 кВ. Такие
приборы, как компьютеры, терминалы, печатающие устройства,
плоттеры и другие, защищаются дополнительно при помощи
устройств, вмонтированных в сетевые розетки или при помощи
включения адаптеров (рис, 5.29). Ток подобных устройств лежит
в пределах 2,5-5 кА, поперечное напряжение ограничивается
до 600-700 В, продольное - до значения менее 1,5 кВ. Часто
адаптеры сочетают функции ограничителя перенапряжений и
фильтра для подавления высокочастотных помех (рис. 530).
Важными параметрами, которые необходимо учитывать при
выборе защитных сетевых элементов (в распределительной
сети, у потребителей, непосредственно в сетевых розетках)
является длительно выдерживаемое напряжение, приложенное
к их вводам, токовая импульсная нагрузка и связанное с ней
напряжение ограничения.
5.3.4. Защитные элементы для линий передачи
измерительной информации, сигналов регулирования
и управления, данных
Элементы, ограничивающие перенапряжения в этой области,
должны, с одной стороны, обладать способностью отводить
сильные импульсные токи (до 10 к А), а с другой - быстро
ограничивать перенапряжения, близкие по значениям к рабочим
напряжениям. Эти требования удовлетворяются в
многоступенчатых схемах. На рис. 5.31 приведена схема одного из таких
устройств, состоящего из газонаполненного разрядника, метал-
лооксидного варистора (грубая защита) и ограничительного
стабилитрона (тонкая защита). При появлении импульса
перенапряжения сначала срабатывает стабилитрон. Ток ix вызывает
падение напряжения на индуктивности Li uLl = dij dt, что
приводит к срабатыванию варистора. Под воздействием
напряжения uL2 = L2 di2/ dt разрядник пробивается. Таким образом
приходящий импульс (10 кВ) со скоростью изменения напряжения
1 кВ/мкс ступенчато ограничивается до 35 В.
Аналогичные схемы разнообразных модификаций по
системам передачи сигналов, напряжению и току являются
обычными для линий передачи измерительной информации, сигналов
регулирования и управления как связанных с заземлением, так
и изолированных от земли. Конструктивно они встраиваются в
корпусы приборов, в стандартные шины, клеммы или
печатные платы для монтажа в стандартные устройства
европейского формата (19 дюймов) [5.23-5.26].
Вход
1t1KCt
МКС
Jmxc
ПНС
Рис. 5.31. Трехступенчатый
ограничитель перенапряжений
с газонаполненным
разрядником, варистором (грубая
защита) и стабилитроном
(тонкая защита). Под
графиками указано время
срабатывания ступеней
136
Выход
I
Рис. 5.32. Блок защиты от перенапряжений для устройства V.24/RS232 С [5.21]:
I — защитное заземление; 2 — вывод данных; 3 — ввод данных; 4 — рабочее
заземление, система опорного потенциала
Рис. 5.33. Блок защиты от перенапряжений для коаксиальных линий [5.21]
Устройства для защиты от перенапряжений линий
передачи данных должны обеспечить защитные функции, не
ухудшая свойства линии, т.е. они не должны вызывать в заданном
частотном диапазоне недопустимого демпфирования. В таких
устройствах исключается использование индуктивностей и ва-
ристоров из-за большой их собственной емкости.
На рис. 5.32 в качестве примера приведена схема адаптера
для устройства V.24/ RS 232 С [5.21]. Он рассчитан на ток до 5 кА
(импульс 8/20 мкс), срабатывает за время 100 пкс, ограничивает
напряжение крутизной 1 кВ/мкс до 20 В и позволяет передавать
информацию до 40 Кбайт/с.
На рис. 5.33 показан другой пример - схема адаптера,
ограничивающего перенапряжения в коаксиальной системе передачи
данных с заземленным сигнальным токовым контуром. В ней
ограничительный стабилитрон, выполняющий функцию
тонкой защиты, включен в диагональ моста, образованного
диодами с малыми собственными емкостями. При этом собственная
емкость стабилитрона не учитывается. В таком защитном
устройстве граничная частота может быть выше 100 МГц.
Существуют также защитные устройства для всех широко
распространенных стандартных плат, конструктивно совмещенных
со встроенными разъемами [5.23-5.26].
При использовании ограничителей перенапряжений в
сигнальных цепях и токовых контурах управления необходимо
стремиться ограничить переходные перенапряжения до
безопасного значения, при котором остаточное напряжение не
будет восприниматься как полезный сигнал, что вызывало бы
непредвиденную реакцию системы. Чтобы предотвратить это,
необходимо использовать дальнейшие средства обеспечения
электромагнитной совместимости. . 137
5.4. Экранирование
5.4.1. Принцип действия экранов
Экранирование служит для ослабления электрических,
магнитных и электромагнитных полей, а именно для того, чтобы
исключить проникновение и воздействие таких полей на
элементы, блоки, приборы, кабели, помещения и здания, а также
для того, чтобы подавить исходящие из электрических и
электронных промышленных средств и устройств помехи,
обусловленные полями. Экран устанавливается между источником и
приемником помех и снижает напряженности Ео , Но
воздействующего поля до значений Е19 Нг за экраном (рис. 5.34).
Физически экранирование объясняется наведением на поверхности
экрана заряда или индуктированием в нем тока, после которых
накладывается на воздействующее, ослабляя его. Тем самым
как бы удаляется чувствительный приемник помехи от
источника.
На эффективность экранирования оказывают существенное
влияние частота поля, электропроводность и магнитная
проницаемость материала экрана, конфигурация и размеры экрана.
Для уточнения этих общих положений будем исходить из
того, что экранирование осуществляется частично поглощением
энергии поля материалом экрана (коэффициент затухания
aSA> обусловленный поглощением), а частично - отражением
падающей волны (коэффициент затухания aSR, обусловленный от-
ш1
\
\
ЛГ
10°
ДГ.Л7
Рис 5.34. Экранирование токовых контуров от внешних электрических и
магнитных полей:
а —принципиальное расположение контуров 1, 2 и экрана 5; б - граница
между условиями ближнего (нижняя левая часть) и дальнего (верхняя правая часть)
полей
138
ражением). Результирующий коэффициент затухания, дБ,
можно определить как
/£l) (5.25)
или же
V
'2Qlg(H0/Ht)9 (5.26)
т.е. as состоит из двух компонентов:
°S = °SA + USR • <5'27>
При этом не учитываются многократные отражения от стенок
экрана и помещения.
Для установления существенных взаимосвязей между этими
коэффициентами затухания и характеристиками магнитного
поля9 а также размерами экрана и свойствами его материала
удобно воспользоваться понятием полных сопротивлений [5.27,
К. 36] по аналогии с распространением волн в электрически
длинной двухпроводной линии.
В зависимости от расстояния х приемника помехи от
источника (рис. 5.34, а) и частоты /в ближней или дальней областях
(рис. 5.34, б) для определения коэффициентов затухания aSA и
aSR>дБ' пРигодны следующие выражения:
для магнитного поля в ближней зоне (x<c/2nf)
коэффициент отражения
aSR - [15 - 10 lg (цг/ 0г) + 20 lg (x/xj ] + 10 lg (///б) ; (5.28)
для электрического поля в этой зоне (x<c/2nf)
a5A = [202-101g(nr/or)-
-201gfr/^)]-301gtf//6); (5.29)
для электрического поля в дальней зоне (х > с / 2 л f)
e5R-[168-10lg(nr/or)]-10lgr///6)> (5.30)
а коэффициент поглощения как для ближней, так и дальней
зон
^eI(°^14d/c/6)v^Jv77^, (5.31)
где цг, ог - относительная магнитная проницаемость
материала, его электропроводность, отнесенная к электропроводнос-
139
ти меди (oCu = 5,8.107 См/м) [К .36]; /б = 1 Гц - базовая частота;
d - толщина экрана, отнесенная к d6 = 1 мм; ^ = 1м.
Кроме того, выражения, заключенные в квадратные скобки
формул (5.28)-(5.31), характеризуют влияние свойств материала
экрана и его толщины на коэффициент затухания, и при / = 1 Гц
ординаты функций (5.28)-(5.31) представляют собой значения
aSR**aSA'
Зависимость результирующего коэффициента as от частоты
при наличии магнитного поля для ближней зоны представлена
на рис. 5.35. Эта зависимость получается суммированием aSR
и aSA в соответствии с (5.27).
Зависимости aSA, aSR и as от частоты для дальнейшей зоны в
соответствии с (5.30) и (5.31) и для ближней зоны в соответствии
с (5.30) и (5.31) представлены на рис. 5.36.
Следует подчеркнуть, что спад коэффициента aSR согласно
(5.29) для ближней зоны происходит не на 10, как в остальных
случаях, а на 30 дБ при увеличении частоты на порядок.
Эффективность экранирующих устройств ориентировочно
может быть оценена следующим образом. Если as не выше 10 дБ, то
экранирование, как правило, недостаточно. При 10 < as < 30 дБ
удовлетворяются минимальные требования по экранированию.
О
10
7 2 J + 5 Sm7,
Г,Гц
Рис. 5.35. Принципиальные зависимости коэффициентов:
aS = aSA + aSR (V* aSA ® и aSR ® от частоты / для магнитного поля в
ней зоне
Рис. 5.36. Принципиальные зависимости коэффициентов затухания от частоты
для электромагнитного поля в дальней зоне и для электрического в ближней
юне:
■1 — а$ = Озд + aSR* ^ "" aSA * ^ ~~ aSR для электРомагнитного поля в дальней
зоне (5.30); 4 — а^ для электрического поля в ближней зоне (5.29)
140
Для многих случаев достаточно, если 30 < as < 60 дБ. Если 60 <
< as < 90 дБ, то имеет место хорошее экранирование, а при 90 <
< as< 120 дБ можно говорить о предельно хорошем
экранировании.
Принципиально следует иметь в виду, что эффективность
экранирования зависит от наличия дефектов и отверстий в
стенке экрана (трещин, дверных, вентиляционных и оконных
проемов, кабельных вводов и отверстий для элементов
обслуживания и сигнализации), а также то, что внутри экранированных
объемов могут возникать резонансные эффекты, так как любой
корпус прибора с проводящими стенками можно рассматривать
как объемный резонатор [2.1].
Конкретные рекомендации по расчетам, выбору размеров и
установке экранов содержатся в [К.З, К.7, К.11, К.12,5.28-5.36].
5.4.2. Материалы для изготовления экранов
Лля экранирования используют как немагнитные металлы,
чаще всего медь, так и ферромагнитные материалы.
Экранирующее действие известных немагнитных материалов 0ir = 1, ог =
= 0,6 -г 1) происходит из-за магнитных полей, созданных
вихревыми токами. При этом постоянное магнитное поле совсем не
экранируется, а низкочастотное переменное ослабляется
незначительно. Это видно также из (5.28) и рис. 5.35. Напротив,
электрические поля такими экранами демпфируются очень
хорошо [см. (5.29), (5.30) и рис. 5.36].
Экраны из ферромагнитных материалов (|ir » 1, ог < Л)
ослабляют электрические поля в области низких частот хуже, чем
экраны из немагнитных, однако, в отличие от последних, они
вызывают определенное ослабление постоянных магнитных
полей. С Аовышением частоты демпфирующее действие в
отношении и электрических, и магнитных полей возрастает, что
следует из (5.31) и рис. 5.35 и 5.36.
Имеются различные экранирующие материалы и устройства,
поставляемые в различных формах, в зависимости от решаемых
задач. Это:
прикрепляемые болтами пластины и привариваемые тонкие
стальные и медные листы для изготовления экранированных
корпусов и для покрытия стен помещений;
топкая легкоразрезаемая и деформируемая фольга из мягко-
141
магнитных сплавов с высокой магнитной проницаемостью для
изготовления образцов и серийных приборов;
металлические ленты и оплетки для кабелей;
металлические плетеные шланги для дополнительного
экранирования кабелей и кабельных жгутов;
металлические сотовые структуры для воздухопроницаемых
экранирующих элементов (например, для экранированных
кабин);
металлические сетки, проводящая прозрачная фольга и
стекла с напыленным металлом для окон при комплексном
высокочастотном экранировании;
наносимые на пластмассовые корпусы распылением
серебряные, никелевые или медные покрытия;
пластмассовые комбинированные материалы с проводящими
добавками (металлическим порошком, нитями, например, из
углерода и т.п.) для изготовления экранированных корпусов
[5.37,538];
тканые материалы со вплетенными нитями из нержавеющей
стали для высокочастотной экранирующей одежды
(коэффициент затухания достигает 30 дБ в области частот от 100 кГц до
40 ГГц).
Здания, массивные строительные сооружения без особых мер
защиты ослабляют внешние поля на 6-10 дБ, железобетонные
со сваренной стальной арматурой - до 25-30 дБ [5.39].
Для обеспечения экранирующих свойств корпусов, кабин и
помещений часто неизбежные вводы, щели, стыки стен, дверные
проемы и другие элементы, прозрачные для высокочастотного
излучения, уплотняются. Соответствующие уплотнения
должны гарантировать непрерывность вихревых токов,
индуктированных полем. Поэтому они должны быть изготовлены из
хорошо проводящих и механически формируемых материалов,
достаточно устойчивых к функционально обусловленным
воздействиям и окружающим условиям, обладать по возможности
малым контактным сопротивлением с соприкасающимися
металлическими конструктивными элементами.
Находят применение и другие уплотняющие материалы и
изделия [5.40,5.41]:
эластомеры с добавками, обеспечивающими достаточную
электропроводность, на основе силанового каучука в виде пластин,
кольцевых шнуров, .трубок. В качестве наполнителей
используют углерод, никелевые или серебряные частицы,
посеребренный медный, никелевый или стеклянный порошок,
посеребренную алюминиевую пудру;
полностью металлические плетеные изделия в форме чулка,
круглых или прямоугольных прокладок, двойных прокладок
с эластомерным сердечником или без него для уплотнения,
например, прикрепляемых болтами крышек, стенок корпуса;
проволочные оплетки, пропитанные эластомером, например,
для уплотнений электрических соединений;
пластины из силиконового каучука, содержащие
перпендикулярно расположенные к поверхности металлические нити;
пружиняцие устройства из бериллиевой бронзы для
уплотнения дверей;
проводящие технологические добавки для улучшения
переработки пластмассы и клея.
5.4.3. Экранирование приборов и помещений
Металлические корпусы электронных устройств обеспечивакуг
определенную защиту от проникновения из окружающего
пространства в него электромагнитных помех. Однако неизбежные
разрезы, швы,отверстия для кабелей и вентиляции сильно
снижают их экранирующее воздействие. В корпусах,
удовлетворяющих требованиям электромагнитной совместимости, этот
недостаток должен быть устранен [5.42]. Соответствующие
конструкции обеспечивают сплошное гальваническое соединение всех
стенок прибора, с применением подходящих уплотнений,
например проволочных плетеных прокладок. Приборные шкафы
имеют непрерывные коррозионно-стойкие контактные
поверхности, с которыми по всему периметру дверей соприкасаются
пружинные контакты из бериллиевой бронзы, причем
специальная система обеспечивает одинаковую силу прижатия пружин
по всему периметру двери. Отвод тепла из шкафов
осуществляется через отверстия или через жалюзи в стенках.
Электрические соединения с внешними устройствами осуществляются
исключительно при помощи разъемов. Иным образом внутрь
шкафа нельзя вводить кабели. При этом коэффициент затухания
достигает 40-100 дБ в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц.
Эффективное экранирование электронных приборов, с
пластмассовыми корпусами (компьютеров, радиопереговорных
устройств, измерительных приборов, мониторов и др.) достигается
применением металлических нитей в связующем материале
или металлизацией поверхности корпуса [5.28,5.45-5.47]. В табл. 5.4
приведены значения поверхностных сопротивлений, достигае-
143
Таблица 5.4. Толщина слоя и поверхностное сопротивление
Способ нанесения экранирующего
покрытия и материал
Нанесение проводя-
щего лака с
наполнителем
Напыление
металла
Процесс
ELAMENT
Графит
Медь
Никель
Серебро
Дуговое
аэрозольное
При помощи
горелки
Алюминий
Поверхностное сопротивление, Ом/см2,
при толщине покрытия, мкм
2 5 25
20-30
0,5
2
0,01-0,04
-
0,018 0,007
75
1 1 1 1
0,01-0,13
0,01-0,13
-
мых при различных способах нанесения покрытий, и на рис. 5.37
показаны значения достижимого коэффициента затухания в
зависимости от частоты при различных способах нанесения
покрытий. На рис. 5.38 приведены зависимости коэффициента
затухания настольного компьютера с пластмассовым корпусом с
нанесенным защитным покрытием и без него от частоты.
Коэффициент затухания, равный 60 дБ, достигается в диапазоне
частот 30-1000 МГц [5.43].
Обеспечение электромагнитной совместимости, создание
условий измерений и испытаний приборов без помех, как и
аспекты обеспечения надежности данных, требуют во многих случаях
электромагнитного экранирования помещений. Примерами
этого являются:
испытательные помещения и лаборатории для средств связи,
измерений, автоматизации и техники высоких напряжений;
измерительные помещения для научных исследований и
службы метрологии;
медицинские диагностические и терапевтические кабинеты
в больницах;
вычислительные центры на промышленных предприятиях, в
банках и многих других гражданских и военных организациях.
В последнем случае речь идет не только о защите вычисли-
144
5'120
100
80
60
40
20
О
О 200 Ш 600 800 /ОЩМГц
60
20
О
т~55дБ
W7 10е W9 ffu,
Рис. 5.37. Зависимости коэффициента затухания а^ от частоты / при различных
покрытиях:
1 — лаком, содержащим никелевую пудру; 2 - химически нанесенным слоем
никеля; 3 - лаком, содержащим серебряную пудру; 4 — напыленным цинком; 5 -
химически нанесенной медью
Рис. 5.38. Поле помех настольного компьютера с неэкранированным корпусом
(1) и с алюминиевым покрытием толщиной
2,5 мкм, нанесенным способом ELAMENT (2) [5.28]: 3- граничный допустимый
уровень
тельной техники от помех, но и о том, чтобы ограничить
распространение компрометирующего электромагнитного излучения
и тем самым-исключить возможность подслушивания секретной
информации.
Современные экранирующие устройства помещений
выполняются по модульному принципу. При этом техническая задача
состоит в том, чтобы для всего защищаемого помещения
создать однородную проводящую отражающую электромагнитное
излучение оболочку. Важнейшими элементами для реализации
этого являются:
экранирующие модули для стен и потолков (стальные листы,
стальная и медная фольга для болтового или сварного
соединения);
двери, ворота и тамбуры с высокочастотным уплотнением;
внутренние и внешние окна помещений с демпфирующими
высокочастотными свойствами [5.48];
сотовые каминные элементы для каналов
кондиционирования воздуха;
полые вводы для световодов;
электрические фильтры для системы электрообеспечения,
линий передачи данных, коммуникаций и управления,
предотвращающие как поступление, так и выход помех, обусловленных
гальванической связью. 14
При тщательном выполнении экранирования помещений
коэффициент затухания достигает 80-100 дБ в диапазоне гигагерц
[5.49].
По условиям обеспечения безопасности (защиты от
напряжения прикосновения) корпусы приборов и экраны помещений
заземляются в определенных точках.
5.4.4. Экраны кабелей
Кабельные экраны предназначены для снижения влияния
напряжений помех на кабели и излучений помех кабелями и
проводами, а также для того, чтобы обеспечить развязку поме-
хосодержащих и чувствительных к помехам проводов при их
прокладке в общих кабельных троссах, каналах или жгутах,
если это необходимо по каким-либо внешним условиям.
Как показано в гл. 4, в неэкранированных линиях, сетевых
проводах, линиях передачи данных, коммуникационных и
измерительных линиях, проводах регулирования и управления из-за
электрического поля £ может создаваться поперечное
(противофазное) напряжение Uq,a под воздействием магнитного поля
Я - продольное (синфазное) напряжение I// (рис. 5.39, а).
Кабельные экраны из хорошо проводящих материалов
(медные или алюминиевые оплетки) позволяют ослабить эти
напряжения, однако при этом существенную роль играет заземление
экрана. Бели экран заземлен только с одной стороны, то
снижается поперечное напряжение, вызванное полем £, вследствие
байпасного действия экрана (lfq< Uq). На первый взгляд, все
равно, заземлен ли экран слева или справа (рис. 5.39, б). При
двустороннем заземлении экрана (рис. 5.39, в) возникает
замкнутый контур, в котором при изменении магнитного поля Н во
времени индуктируется ток /. Продольное напряжение при этом
уменьшается (ifi « ZK1< Ul9 где ZK - комплексное полное
сопротивление связи экранированного кабеля).
Если затухание в одном экране недостаточно, используют
два экрана, наложенные друг на друга и изолированные один от
другого. При этом вновь возникает вопрос, как заземлить
внутренний экран? При двустороннем заземлении (рис, 5.39, г)
продольное напряжение
?Ка ?Ki
и - j , (5.32)
/SS///SS////////S///////S////////S////
///7///S//////S///////SS//////////Y/////
// r///////////////// ////////////
Рис. 5.39. Воздействие экранов кабелей:
а — неэкранированный кабель; б - одностороннее заземление экрана; в -
двустороннее заземление экрана; г - кабель с двойным экраном и двусторонним
заземлением внутреннего экрана; д— кабель с двойным экраном и
односторонним заземлением внутреннего экрана
а при одностороннем заземлении (рис. 5.39, д)
"Г*
(5.33)
В этих уравнениях I представляет собой индуктивность
соединения, а С - емкость между экранами, ZKa и ZKi -
комплексные полные сопротивления внутреннего и внешнего экранов
соответственно.
Сравнение (5.32) и (5.33) позволяет сделать следующие
выводы. Двусторонне заземленный внутренний экран при низких
147
частотах не оказывает сильного экранирующего действия, так
как практически параллельно соединены лишь ZKa и ZKi.
Напротив, при высоких частотах (|/о) L \ ^> | ZKa + ZKi |) имеет место
значительно лучшее экранирование, чем при одном экране. При
одностороннем заземлении внутреннего экрана картина
обратная.
Для того чтобы полностью использовать возможности кабель*
ных экранов, необходимо соблюдать следующие правила:
обычные экраны и внешние оболочки двойных экранов
должны иметь на обоих концах хорошие контакты с корпусами
приборов {5.53];
внутренний экран в зависимости от частоты поля помехи
следует заземлять с одной стороны или с обеих сторон;
внешний экран нельзя вводить внутрь прибора или там
заземлять, так как при этом могут частично утрачиваться
экранирующие свойства корпуса (см. п. 5.4.3).
Отметим* что экранирование кабелей служит и для того,
чтобы снизить влияние разности потенциалов между точками
заземления корпусов приборов, связанных кабелями (см. п. 4.2.2).
Отсюда вытекают дальнейшие требования по экранированию и
прокладке, например силовых кабелей, [5.33].
5.5. Разделительные элементы
Электронные средства автоматизации, такие, как
программное управление, промышленные компьютеры и процессорные
системы, содержащие подводящие провода с обширной
информацией и отводящие с сигналами управления, подвергаются
опасности нарушения функционирования из-за синфазных
напряжений помех, возникающих при кабельном соединении
элементов. Эффективное средство устранения такой опасности
состоит в гальванической развязке внешних и внутренних
токовых контуров. Для этого используют разделительные элементы,
параметры и обозначения которых приведены в табл. 5.5. При их
помощи можно реализовать разности потенциалов в несколько
киловольт. Однако эффективность разделения определяется
паразитной емкостью Ср элемента.
Рационально выполняя схему, необходимо позаботиться о
148
Таблица 5.5. Разделительные элементы для гальванической развязки
Разделительный элемент Обозначение Емкость Время задерж-
на схеме связи Ср, пФ ки, мс
' С
Электромеханическое реле >* f ц.^ До 5
0,5-20
Оптическая связь
I lh"-| До 1
10"4 - 0,5
Твердотельное реле
| IP*"! 5-10
8-10
Разделительный
трансформатор
JL
10-100
Разделительные схемы
До 1000
том, чтобы емкость Ср не возросла до недопустимого значения,
например, из-за параллельной прокладки входных и выходных
проводников.
Глава шестая. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПРИБОРОВ
6.1. Обзор
При обеспечении электромагнитной совместимости
электронных приборов принципиально имеют значение как
экономические аспекты (см. § 1.4), так и технические и
организационные мероприятия.
Для этого необходимо:
обеспечить внутреннюю помехоустойчивость Se [cm. (B.1)];
организовать помехоустойчивость к внешним влияниям
SF [см. (В.2)] в соответствии с возможными при эксплуатации
электромагнитными воздействиями (см. рис. 2.1 и 3.6);
ограничить излучение сигнала помехи Е [см. (В.З)] до
нормированных допустимых пределов.
При этом требуется предотвратить возникновение
электромагнитных помех или их излучение, повысить устойчивость
функциональных групп при воздействии помех, например,
посредством распознавания нарушения функционирования,
вызванного недостаточной электромагнитной совместимостью,
с последующей корреляцией функционирования.
Разработчики и изготовители приборов требуют для этого конкретных
рекомендаций по влияющим факторам и техническим
мероприятиям, которыми можно регулировать значения SE,SFviE
и тем самым целенаправленно влиять на электромагнитную
совместимость прибора в процессе его проектирования и
создания. Таблица 6.1 в первом приближении дает представление о
параметрах, влияющих факторах и технических мероприятиях
по повышению электромагнитной совместимости. Комплекс
технических мероприятий включает в себя схемные и
конструкционные, а также реализуемые при помощи
математического обеспечения.
6.2. Технические мероприятия
6.2.1. Схемные решения
Целью схемных решений являются:
обеспечение внутренней помехоустойчивости прибора;
защита от проникновения помех по проводам;
150
Таблица 6.1.Параметры электромагнитной совместимости,
влияющие факторы и мероприятия по обеспечению совмест
(обозначения те же» что и на рис ВЛ)
Параметр
Влияющий фактор
Мероприятия
Внутренняя
помехоустойчивость Se
Количество, вид, интенсивность,
топологическое расположение
внутренних источников помех Q\
и приемников 5/, конфигурация
схемы
Возможности распространения Zje
по функциональным или
паразитным путям
Помехоустойчивость элементов к
Концепция обработки сигналов
и временные режимы Q{ и S\
Схемные
Конструкционные
Программные
Стойкость к внешним
воздействиям Sp
-
Si
Возможности проникновения zae
по функциональным или
паразитным связям
Степень учета zae, проникшей
внутрь прибора, например, путем
применения помехоустойчивых
элементов, дополнительных
барьеров (фильтров, экранов) или выбора
концепции обработки с учетом
возможных помех
Схемные
Конструкционные
Программные
Излучение помех Е
Количество, вид, интенсивность,
топологическое расположение
внутренних источников Q\
Излучающие свойства схемы
Возникновение электромагнитных
влияний, обусловленных
внутренними источниками zje и
распространяющихся по функциональным или
паразитным связям
Схемные
Конструкционные
151
Сеть
I
LL-.
L. _______
Рис. 6.1. К решению задач по обеспечению электромагнитной совместимости
схемными способами:
_ _ 5 - см. пояснения в тексте; 6 - другие приборы; 7 - аналоговые и
цифровые датчики; 8 — земля; 9 — аналоговые и цифровые исполнительные и
сигнальные устройства
снижение воздействия проникшей составляющей помехи;
предотвращение излучения, в частности, радиопомех
проводами и нежелательного влияния на сеть питания.
При решении названных частных задач для наглядности на
рис. 6.1 отмечены такие элементы рассматриваемого прибора,
как: электронное оснащение 1; электропитание 2; система
опорного потенциала, соединение с корпусом, заземление 3;
коммуникационные связи с другими приборами 4; входные и
выходные цепи 5. Рассмотрим эти элементы подробнее.
Электронное оснащение. Концепция выбора
помехоустойчивых функциональных электронных единиц базируется на том,
что между помехой и полезным сигналом всегда имеется
характерное различие, проявляющееся в частотном спектре,
амплитуде, параметрах формы импульса, во времени
появления и длительности, в степени определенности, а также в
избыточности полезного сигнала [6.1]. Исходя из этого, можно
сформулировать следующие рекомендации:
выбор и реализация концепции обработки сигналов,
распознания помехи [К.16]. Это означает, что необходимо в
зависимости от постановки задачи и требуемой надежности,
обусловленной условиями эксплуатации, использовать
математическое обеспечение и схемные приемы, которые позволяют
распознавать сигналы помех, сигнализировать об этом, подавлять
помехи или же скомпенсировать случайные
кратковременные ошибки. Для этого служат фильтрующие устройства,
пороговые переключающие элементы, а также схемы,
фиксирующие определенные ненормальные состояния, или
логические барьеры, которые на основе контроля правдоподобия или
обработки дополнительной информации предотвращают оши-
152
бочную выдачу критических сигналов. Примеры этого
содержатся в [6.2];
использование избыточности [6.1] при обмене данными и
сигналами исполнения и сигнализации посредством
применения проверочных сигналов (введения паритетов), поблочного
введения проверочных последовательных сигналов, повторения
передаваемых сигналов, параллельной передачи Ъдной и
той же информации различными трактами, параллельного
сообщения истинного сигнала и сигнала, соответствующего
логической операции "НЕ", временного сдвига информации при
параллельной передаче;
применение в дискретных системах элементов с
обусловленными их функциями не со слишком высокой граничной
частотой (снижение емкостного влияния при воздействии
высокочастотного излучения, отражениях), с предельно высокой
статической и динамической помехоустойчивостью (см. § 3.3) и
источников с возможно меньшими сопротивлениями;
подключение к неиспользуемым коммуникационным
входам низкоомных, резисторов относительно шин Я или L, в
зависимости от того, что допустимо по условиям
функционирования;
при управлении одним сигналом многими
коммутационными контурами создание этого сигнала непосредственно вблизи
коммутируемого контура;
синхронно работающие тактовые сигналы предпочитать
асинхронным, при этом необходимо длительность тактовых
импульсов и их частоту выбирать как можно меньшими, а паузы
между импульсами - как можно большими, чтобы переходные
процессы, связанные с коммутациями, успевали затухать в
течение паузы, блокировать рабочие такты на время
периодически возникающих помех, например, при работе выпрямителей
или циклически функционирующих программируемых систем
управления, тщательно защищать (экранировать) тактовый
генератор и его провода в целях исключения как ошибочного
функционирования, так и излучения им помех на другие
элементы;
снижение или устранение емкостных, индуктивных,
гальванических влияний и воздействий излучения в соответствии с
рекомендациями, приведенными в гл. 4;
использование схем для снижения сигналов помех и помехо-
подавляющих компонентов (конденсаторов, катушек индук-
153
тивности, фильтров, ограничителей перенапряжений) для
защиты электронных и схемных элементов (см. гл. 5 и [6.3 - 6.16]).
Электропитание приборов. Обеспечение электромагнитной
совместимости систем электропитания приборов преследует
следующие цели:
улавливать напряжения помех, которые могут проникнуть
по цепям сетевого питания [высокочастотные гармоники,
сбросы напряжения, переходные напряжения и др. (см. п. 2.4.4)];
блокировать возможную эмиссию помех, которая может быть
связана с проводами электропитания или с электромагнитным
излучением;
предотвращать взаимное влияние отдельных
функциональных элементов через внутреннюю систему электропитания.
Это достигается следующими мероприятиями:
экранированием сетевых проводов при сильном
высокочастотном излучении, например от электротехнологических
устройств [5.35];
использованием ограничивающих перенапряжения
элементов (металлооксидных варисторов, стабилитронов, см. п. 5.3.2)
непосредственно на входе питающей сети, чтобы избежать
ущерба, который может быть вызван приходящими из сети
перенапряжениями;
применением фильтрующих устройств непосредственно в
месте присоединения сетевых проводов с целью защитить
прибор от высокочастотных симметричных и несимметричных
сетевых помех, а также от попадания таких помех, создаваемых
прибором, в сеть. Выбор структуры фильтра и параметров его
элементов определяется как требуемым уровнем подавления
помех, так и полными сопротивлениями сети и потребителя.
При этом применяются простые или многозвенные фильтры с
индуктивностью в диапазоне от микрогенри до миллигенри
и емкостью от нанофарад до микрофарад (см. п. 5.2.3) [К.З, К.7,
5.5,5.8,5.9,5.40,5.51,6.7, 6.8];
использованием для всех предохранительных элементов,
светящихся указателей и других вспомогательных устройств
сетевых фильтров [6.1];
использованием сетевых деталей (емкостных экранов между
обмотками трансформаторов, фильтрующих и сглаживающих
устройств с хорошими характеристиками, обеспечивающих
устранение высокочастотных составляющих), удовлетворяющих
требованиям электромагнитной совместимости.
Трансформаторы, предназначенные специально для приме-
нения в устройствах электропитания электронных приборов,
имеют емкость связи между первичной и вторичной
обмотками примерно 0,005 пФ (в обычных трансформаторах эта
емкость составляет 300-400 пФ),и поэтому симметричные помехи
ослабляются на 80 дБ, а несимметричные - на 146 дБ [6.9].
Современные сетевые переключающие элементы работают
в диапазоне частот сотни килогерц - мегагерцы.
Высокочастотные помехи, обусловленные крутыми фронтами при
коммутациях, воздействуют как на питаемый прибор, так и на
другие приборы, связанные с ним проводами питания и
управления или находящиеся в электромагнитном поле помех.
Поэтому выполнение сетевых коммутационных элементов в
соответствии с требованиями электромагнитной совместимости
имеет особое значение [6.10, 6.11]. Важнейшими аспектами
при этом являются:
обеспечение предельно малых площадей контуров с
коммутируемыми токами;
экранирование первичной и вторичной обмоток
трансформатора для предельного уменьшения паразитной емкости связи
между ними;
экранирование коммутирующего транзистора;
использование диодов с короткой и мягкой характеристикой
времени восстановления;
герметичное выполнение стальных корпусов сетевых
коммутационных устройств, использование конденсаторных
вводов для входных и выходных цепей.
На рис. 6.2 приведена схема системы питания электронных
устройств. Конденсаторы Сх служат для отвода
симметричных, а конденсаторы Су - несимметричных токов помех. Отме-
S Б
EF SR
*ч=
ILJI I
Рис. 6.2. Сетевой блок с помехоподавляющими фильтрами и защитой от
перенапряжений:
EF - помехоподавляющий фильтр; G - выпрямитель; SF - фильтр помех сети;
SR — коммутационный регулятор; Г - трансформатор с экраном S между
первичной и вторичной обмотками; О — варистор, защищающий от перенапряжений
15S
тим также следующие мероприятия по обеспечению
электромагнитной совместимости систем электропитания приборов:
нельзя прокладывать входные и выходные провода рядом
друг с другом. Необходимо использовать для подводки
двухпроводные экранированные кабели, оплетки с одной стороны
присоединять к защитным заземлениям;
необходимо соблюдать как можно большее расстояние между
проводами питания и сигнальными проводами, а если
параллельная прокладка из конструктивных соображений
неизбежна, экранировать провода питания, как указано ранее;
необходимо использовать по возможности короткие и низко-
омные провода питания электронных устройств с малым
волновым сопротивлением Z^. Это достигается путем
выполнения проводов в виде плоских лент, близко расположенных друг
от друга, с изоляционной прокладкой между ними,
обладающей высокой диэлектрической проницаемостью;
рекомендуется применять быстродействующие средства
стабилизации напряжения для каждой печатной платы, группы
плат или для отдельной схемы, такие, как микропроцессорные
регуляторы напряжения, фильтрующие конденсаторы (10 -
100 мкФ), малоиндуктивные керамические защитные
конденсаторы (0,01-1 мкФ), устанавливаемые в каждом контуре,
керамические многослойные помехоподавляющие конденсаторы
(0,01 -0,1 мкФ), встроенные в коммутационные цепи, и диоды,
защищающие от перенапряжений в каждой плате.
Соответствующие диоды для логических модулей с напряжением 5 В
имеют следующие параметры: время срабатывания -
несколько пикосекунд, мощность импульса до 500 Вт;
раздельное питание аналоговых и цифровых
функциональных единиц, в крайнем случае - использование гальванически
разделенных вторичных обмоток питающего трансформатора.
Система опорного потенциала, соединение с корпусом,
заземление. Каждая система опорного потенциала, связывающая
в аналоговых и цифровых устройствах сигнальные и питающие
цепи, таит в себе опасность гальванических влияний. Для ее
устранения необходимо, помимо рекомендаций, содержащихся
в § 4.2, соблюдать следующие условия:
проводники системы опорного потенциала выполнять
предельно низкоомными и малоиндуктивными;
использовать раздельные системы опорного потенциала для
аналоговой, цифровой и силовой частей прибора, устройства;
156
каждую систему опорного потенциала следует изолировать
одну от другой и от проводящего контура и его элементов;
физическую структуру системы выбирать в соответствии с
рабочими частотами. Например, при частотах менее 10 кГц
(аналоговая часть, система питания) ее следует выполнять
в виде звезды, а при частотах более 100 кГц (цифровая часть) -
в виде закольцованной структуры.
Корпус устройства автоматизации по условиям безопасности
должен быть соединен с нулевым проводом или заземлен
(VDE 0160). С точки зрения защиты от помех представляет
интерес вопрос, где и как присоединить вывод системы опорного
потенциала внутри прибора к корпусу, а также как
осуществить заземление корпуса.
Неблагоприятным может быть соединение с корпусом и
заземление системы опорного потенциала, если периферийные
элементы связаны с центральными функциональными
устройствами длинными проводниками и эти провода образуют
гальванически или через емкость замкнутые заземленные
контуры (см. рис. 4.9 и 4.16). При этом могут возникать
противофазные напряжения помех, накладывающиеся на напряжения
полезных сигналов. Заземление системы опорного потенциала
на приемной стороне приводит к появлению токов помех и
поэтому неблагоприятно. Впрочем, можно воспользоваться рядом
мер по уменьшению токов помех при заземлении системы
опорного потенциала (см. пп. 4.2.2 и 4.3.3).
Проводящее соединение системы опорного потенциала с
корпусом предпочтительно при больших значениях емкостей Сх
и С2 между электронными деталями схемы и корпусом, в
котором они находятся (рис. 6.3, а), так как при этом создаются
очень малые напряжения помех при обработке сигналов. Это
имеет место, если внутри корпуса плотно располагается
электронное оборудование, такое, как вычислительные
микросистемы. В этом случае могут влиять удаленные источники
помех из-за емкостных связей через источник питания, а также
источники помех внутри корпуса через емкостные связи
относительно стенок (рис. 6.3, б), создавая токи помех ist. Эти
токи можно отвести от опасных участков схемы путем
малоиндуктивного соединения V провода системы опорного
потенциала с корпусом или заземлением, образуя параллельный
контур для тока ist.
Как правило, имеющиеся в приборе системы опорных
потенциалов различных функциональных групп объединяются в
157
Tl
(/j
/]£.
'——■
6ji
ьсг
11 **
<
щ
Рис. б.З. Токи помех ist при изолированном проводе системы опорного
потенциала В:
CVC2 — паразитные емкости; N - блок питания; Re — входное сопротивление
элемента, чувствительного к помехам; V - малоиндуктивное соединение
провода системы опорного потенциала с проводящим корпусом
G
А
D
L
1 «-4 -.
шшт\
-^ а/
Рис. 6.4. Выравнивание потенциалов внутри прибора:
А - аналоговая часть; D - цифровая часть; G — корпус
прибора; L — силовая часть; ре - защитное заземление;
Z — центральная точка соединений систем опорного
потенциала
центральной точке, которая и соединяется с корпусом или
системой защитного заземления (рис. 6.4).
Коммуникационные связи (интерфейс).
Коммуникационные соединения элементов системы (устройств управления на
базе микроЭВМ, программируемого управления с памятью,
персональных и промышленных компьютеров) друг с другом,
таких, как мониторы, клавиатуры, принтеры, плоттеры,
приборы программирования и другие осуществляются при помощи
стандартных устройств (например, типа V.24 согласно DIN 66020
или RS 232 С, V.11 согласно DIN 66259/3 или RS 422A и др.), для
которых установлены логические, электрические и
конструктивные нормы, необходимые для успешной
коммуникативной совместной работы связанных между собой приборов.
Важнейшие показатели электромагнитной совместимости таких
устройств следующие [6.14]:
максимальное расстояние до приборов;
значение передаваемых сигналов;
вид модуляции и частота сигналов.
Выполнение тракта передачи может быть как
симметричным, так и несимметричном относительно земли, с разделе-
158
нием или без разделения потенциалов. Для обеспечения
электромагнитной совместимости служат фильтры (см. п. 5.2.4),
элементы защиты передачи (см. п. 5.3.4) и кабельные экраны с
правильно осуществленным их присоединением к корпусу,
заземлению (см. п. 5.4.4).
Таблица 6.2 отображает накопленный опыт по выбору
характеристик фрагментов устройства для обеспечения
электромагнитной совместимости. При помощи приведенной на рисунке
матрицы при заданных частоте сигналов и расстоянии до
приборов можно сформулировать требования к необходимому
коммуникационному устройству или же для заданного
устройства определить границы частот сигналов и расстояния до
приборов, при которых сохраняется помехоустойчивая работа.
Для серийно выпускаемых коммуникационных устройств
особым преимуществом является использование системы
передачи сигналов по световодам (см. рис. 4.20, з), так как такая
передача нечувствительна к электромагнитным воздействиям.
Входные и выходные цепи. Схемное выполнение входных и
выходных ступеней устройств автоматизации для передачи
сигналов исполнения, информации о процессах и
сигнализации тесно связано с принятой концепцией защиты от помех
соответствующих сигнальных проводов и проводов
управления. Как правило,при этом стоят задачи:
ограничить перенапряжения, возникающие в проводах, до
значений, безопасных для электронного и приборного
оборудования;
реализовать согласование параметров сигналов внешних
сигнальных, исполнительных контуров с параметрами
используемых для обработки сигналов электронных приборов;
осуществить предпочтительное с точки зрения защиты от
помех разделение потенциалов между внутренними и
внешними токовыми контурами (см. § 4.2, п. 4.3.2).
Специально для ограничения перенапряжений до значений,
безопасных для электронного оборудования, применяются
такие защитные элементы, как стабилитроны, ограничительные
диоды, металлооксидные варисторы (см. п. 5.3.2). Для
подавления напряжений помех, особенно импульсных, не вызывающих
повреждений, но которые могут быть восприняты как полезные
сигналы или способны исказить полезные сигналы,
используются фильтры (см. п. 5.2.4) и специальные схемы, действие
которых в основном базируется на том, что приходящий сигнал
воспринимается как полезный, если он имеет определенную
• 159
1
<D
I
t
I
I
V V
V Л
Л V
Sg
Л V
Л V
л л
I
ci
vo
«$
X
к
ю
a
н
160
s
I
J
D D || = II D D D О II II D
а и О О и О О О О О О
О О II II О II О О se D D
а О О О и = х = и = = ОО
D || || О srssxssrss: = Q О
I
II
О
Рис. 6.5. Принципиальные схемы бинарных входных ступеней с
электромеханическим реле (а) и с оптической развязкой -твердотельным реле (б), служащим
для разделения потенциалов: 5В — логический элемент
220D*
Рис. 6.6. Принципиальная схема выходной бинарной ступени с твердотельным
реле: 5В — логический элемент
длительность. Многочисленные примеры таких схем можно
найти в [6.3 - 6.6]. Для разделения потенциалов и
согласования напряжений служат электромагнитные и
полупроводниковые реле, схемы с делителями напряжения совместно с
оптическими каналами. Соответствующие примеры схем приведены
на рис. 6.5 и 6.6.
6.2.2. Мероприятия, связанные с разработкой конструкции
Цель этих мероприятий состоит в том, чтобы:
обеспечить собственную помехоустойчивость прибора;
в сочетании с другими техническими мероприятиями
гарантировать защиту от электромагнитных полей и от разрядов
статического электричества;
ослабить излучение прибором, например под влиянием
тактовых сигналов или коммутационных сетевых элементов
электромагнитных полей помех, в окружающее пространство
или снизить его до допустимого уровня.
161
Рассмотрим мероприятия, касающиеся выполнения
корпуса, его стенок и отверстий в них, применяемых материалов,
внутренней компоновки приборов и шкафов, т. е.
пространственного расположения отдельных блоков (входных и выходных
ступеней, устройств обработки и запоминания, сетевых
элементов), соединений проводами отдельных блоков, а также
подводов входных и выходных сигналов, электропитания. В
частности, рекомендуется выполнять следующие указания:
принципиально следует стремиться создать внутри корпуса по
крайней мере две зоны (рис. 6.7): одну с невозмущенным
пространством С, хорошо заэкранированную поглощающим
высокочастотные колебания металлическим экраном, в которой
размещаются быстродействующая логика, память и другие особенно
чувствительные к помехам блоки, и вторую, полуспокойную
зону В, в которой располагаются устройства коммутации,
сетевые и другие вспомогательные1 элементы. В зоне с
невозмущенным пространством не должны находиться сигнальные
провода и провода управления, связанные с оборудованием
внешней зоны А. Необходимые связи должны обеспечиваться
при помощи световодов. На рис. 6.8 приведен пример связи
сигнальных цепей и обрабатывающих сигналы электронных
Рис. 6.7. Различные зоны электромагнитной обстановки:
А —внешнее пространство (см. §2.5); В — полуспокойная зона (интерфейс,
силовая часть); С — спокойная зона (центральное процессорное устройство, память,
быстродействующая логика)
Рис. 6.8. Пример защиты электронного устройства, обрабатывающего
информацию от помех, приходящих по сигнальным линиям в тяжелых
электромагнитных условиях [6.14]:
1 — электронное устройство; 2 - проходные конденсаторы; 3 — устройства
разделения потенциалов; 4 - внутренний экран; 5 — экранированные сигнальные
линии
162
устройств (использование разделения потенциалов, фильтров-
конденсаторных вводов, экранов) при жестких требованиях
помехоустойчивости, с одной стороны, и тяжелой
электромагнитной обстановке, с другой, что имеет место, например, в
распределительных устройствах высокого напряжения [6.14];
конструктивно схема устройства должна выполняться так,
чтобы объем обмениваемых между блоками сигналов был как
можно меньшим;
должно быть логически последовательное
пространственное разделение электронных информационных,
электромеханических и силовых средств, а также аналоговых и цифровых
функциональных элементов (раздельные корпусы, вставные
блоки или предназначенные для разделения
ферромагнитные экранирующие пластины);
необходимо четкое пространственное разделение проводов
со слабыми сигналами и проводов питания с мощными
сигналами, в которых по условиям эксплуатации могут быть
большие du/dt или di/dt Если же это по каким-то причинам
невозможно, то упомянутые провода следует прокладывать
внутри ферромагнитных труб, шлангов или металлических
кабельных каналов, соединенных с корпусом или нулевым
проводом;
не располагать параллельно входные и выходные провода
сетевых блоков, фильтров и разделительных элементов;
системы опорных потенциалов сигнальных контуров
различных блоков, находящихся внутри прибора, необходимо
изолировать друг от друга и соединять звездой с корпусом и
защитной системой в одной центральной точке (см. рис. 6.4).
В отношении печатных плат рекомендуется [6.15 - 6.19]:
отдельно размещать элементы и прокладывать
соединительные провода, предназначенные для аналоговых, дискретных,
низкочастотных и высокочастотных режимов;
размещать как можно ближе к разъему высокочастотные и
быстродействующие логические коммутирующие элементы,
фильтры, разделительные устройства;
тактовые и сигнальные контуры выполнять предельно
малыми, чтобы слабо проявлялись их антенные свойства по
приему и излучению помех высоких частот, предусматривать
широкие расположенные рядом друг с другом дорожки для
питания электронных устройств. В многослойных платах подвод
питания и систему опорного потенциала следует осуществлять
163
в виде широких пластин на двух близко расположенных
от друга проводящих поверхностях (см. рис. 4.6);
для предотвращения влияния отражений следует
стремиться к тому, чтобы длина проводящей дорожки не превышала
значения lgr ** 2ТГ (здесь /^ выражена в см, а время нарастания
импульса Тт - в не). Обычно lgr = 10-^-20 см, Тт = 5 -«■ 10 не. Если
длина дорожки / оказьюается больше lgr, то необходимо
выполнять условия: Zw/Rt < 3 и R2/Zw ^ 3 (рис. 6.9, [6.16]). Здесь Zw -
волновое сопротивление, равное 70-100 Ом при отсутствии
нагрузки, и 30-50 Ом при наличии емкости разъема или входной схемы;
Rx - сопротивление источника; R2 - сопротивление приемника.
При конструктивном выполнении шин данных в
структурах микрокомпьютеров с высокой тактовой частотой (10-20 МГц)
следует удовлетворять требованиям [6.20]:
коэффициент отражения во всех возможных точках неодно-
родностей должен быть меньше 0,4;
коэффициент затухания связи между двумя ближайшими
шинами данных должен быть более 26 дБ;
для того чтобы устранить влияние быстрых переходных
процессов на напряжение питания, необходимо использовать
распределенные по всей структуре шин питания
малоиндуктивные конденсаторы емкостью не менее 2 нФ,-
Достаточную защиту от проникновения сторонних полей,
как и от излучения приборами высокочастотных помех,
обеспечивают металлические и пластмассовые корпусы,
выполненные с учетом требований по электромагнитной
совместимости (см. § 5.4). На рис. 6.10 приведены примеры
нерационального (рис. 6.10, а) и рационального (рис. 6.10, б) изготовления
элементов корпуса.
Разряды статического электричества на проводящий
корпус прибора сопровождаются большими значениями di/dt> что
соответствует очень быстрым изменениям поля. В результате в
Рис. 6.9. Сигнальный токовый контур:
Rv R2 — сопротивления источника и приемника; Тг — время нарастания
импульса (5-10 не, в зависимости от типа элемента); Z^ — волновое сопротивление
линии (70-100 Ом при ненагруженной линии, 30—50 Ом при емкостной
нагрузке в виде разъема или входной схемы приемника)
164
а) б)
Рис. 6.10. Примеры нерационального (а) и рационального (б) выполнения
фрагментов корпуса прибора:
1 — неплотные соединения стенок; 2 — большие отверстия; 3 — щели,
действующие как антенны; 4 - плохие контакты дверок; 5 — кабели с внешними
экранами, введенные внутрь прибора; 6 - неэкранированкые линии,
подведенные внутри к фильтрам; 7 — достаточное перекрытие в местах соединений
стенок; 8 — большие отверстия, закрытые металлическими сетками; 9 —
уплотнения приводящими эластомерами или пружинными контактами крышек,
дверок; 10 — малоиндуктивное соединение внешних экранов кабелей с
корпусом; 11 — фильтры, смонтированные непосредственно на стенке корпуса
электронных контурах индуктируются напряжения помех (см.
рис. 4.23). Поэтому чувствительные элементы схемы
дополнительно защищаются экранами, находящимися внутри прибора
и изолированными от его корпуса.
6.2.3. Мероприятия, связанные с математическим
обеспечением
В программируемых системах с памятью возможно
предусмотреть программно-технические меры по обеспечению
надежности функционирования при наличии помех. При этом
необходимы:
распознавание напряжений помех, приходящих по
сигнальным проводам и проводам управления в целях исключения их
воздействия на прибор;
проверка нормального функционирования устройств
обработки сигналов и при нарушении - осуществление
сигнализации об этом, повторное включение, отключение и т. д.;
165
предотвращение или, в зависимости от обстоятельств,
ограничение в допустимой мере выдачи выходных сигналов,
которые могут привести к тяжелым последствиям или вызвать
опасность для людей.
Например, периодические напряжения помех, наложенные
на аналоговый полезный сигнал, могут быть ослаблены
следующим образом. Измеряемый сигнал фиксируется дважды,
второй раз - с задержкой, равной половине периода
колебаний напряжения помехи. Ослабление помехи осуществляется
при определении среднего значения обоих сигналов.
При бинарной обработке сигнала можно выявить
импульсные напряжения помех многократным опросом сигнала
датчика и считать верным лишь тот сигнал, уровень которого
повторяется много раз. Могут быть также бинарные сигналы,
которые при нормальной работе следуют в определенном
порядке. Если порядок нарушается, то это свидетельствует о
появлении помехи, и такие сигналы не подлежат дальнейшей
обработке.
Что касается систем обработки сигналов, то для запуска их
устройств сброса можно использовать наступление
незапланированной, случайно проникшей комбинации сигналов или
отсутствие периодического сигнала, регулярно поступающего от
центрального обрабатывающего устройства в режиме
отсутствия помех на контролирующую схему. Кроме того,
профилактический обратный ход центрального обрабатывающего
устройства в определенные периодически повторяющиеся
моменты времени, если это позволяет программа, может
являться эффективным средством предотвращения
кратковременных нарушений функционирования, вызванных помехами.
Также рекомендуется в свободную память программного
устройства помещать такую информацию, которая позволяет
легко выявить наступление состояния, обусловленного
помехами, и обеспечить иное протекание процесса по заранее
предусмотренному виду и способу, например путем соедине-*
ния с центральным обрабатывающим устройством, имеющим
систему повторного запуска, например OFF H Restart 38 Н. Это
часто предотвращает бесконечные программные "петли*,
которые появляются в центральном обрабатывающем устройстве.
Путем использования при математической обработке так
называемых логических барьеров можно, учитывая
дополнительные значимые критерии и контроль правдоподобия, ис-
ш
ключить ошибочную выдачу критического выходного сигнала.
При анализе программно-технических мероприятий в связи
с обеспечением электромагнитной совместимости устройств
автоматизации принципиально следует иметь в виду, что эти
мероприятия требуют дополнительных объема памяти и
времени счета и поэтому объем их использования ограничен.
Кроме того, реализация этих мероприятий предполагает
наличие встроенной вычислительной машины, а дефекты
выполнения технических средств не могут быть восполнены
программными средствами.
Применительно к распределительным устройствам
подстанций высокого напряжения эти вопросы подробнее изложены
в гл. 10.
6.3. Организационные мероприятия
Организационные мероприятия, направленные на
обеспечение электромагнитной совместимости, ставят задачу
целенаправленно реализовывать обсужденные в предыдущих
главах технические мероприятия в процессе разработки
прибора, гарантировать условия создания прибора в соответствии с
требованиями к электромагнитной совместимости и
осуществлять необходимый контроль продукции. Это позволяет при
соответствующей подготовке и реализации требований по
электромагнитной совместимости на отдельных этапах
разработки соответствующим образом контролировать и
оценивать достигаемые результаты и затем путем разработки и
организационного внедрения определенных правил и норм
обеспечивать требуемую электромагнитную совместимость
электронных компонентов, блоков, приборов при их
изготовлении, монтаже, испытаниях, хранении и транспортировке,
например, чтобы предотвратить повреждения из-за разрядов
статического электричества.
Дальнейшие организационные мероприятия на этапе
использования могут служить для гарантированного ограничения
определенных функций, например исключения
одновременной работы источников сильных помех и особенно
чувствительных электронных промышленных устройств или для
реализации определенных окружающих условий, например
нейтрализации источников помех в непосредственной близости от уст-
167
ройства автоматизации или отказу от синтетических половых
покрытий в компьютерных и диспетчерских помещениях.
Основой для этого служат соответствующие специальные нормы
по эксплуатации, хранению, транспортировке, монтажу и
другие инструкции, связанные с использованием изделий.
Глава седьмая. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ УСТРОЙСТВ
7.1. Обзор
Аналогично, как и при изготовлении приборов, в процессе
проектирования и создания устройств необходимо
обеспечивать электромагнитную совместимость, т. е. путем реализации
соответствующих мероприятий гарантировать, что при вводе
в эксплуатацию устройства не потребуются дорогостоящие
дополнительные работы по совершенствованию, а при
дальнейшей эксплуатации не возникнут ограничения
функционирования, выходы из строя, повреждения или опасные режимы,
вызванные недостаточной электромагнитной совместимостью.
Это обеспечивается:
использованием промышленных элементов, показатели
которых (помехоустойчивость, эмиссия помех) соответствуют
ожидаемым параметрам окружающей среды, например в
устройстве, показанном на рис. 7.1, классам /2, /3» ^а (см# табл. 2.10),
а для промышленных устройств большой мощности -
требуемым уровням совместимости в точке присоединения к сети;
целесообразным выбором и размещением измерительных,
управляющих и регулирующих приборов, соединений между
ними и коммуникационных элементов с учетом имеющихся
в устройстве электроэнергетических элементов
(коммутационных, трансформаторных, электротехнологических,
подъемных механизмов, лифтов и т.д.);
проектированием здания (его конструкции, расположения
помещений, экранирование помещений и здания, кабельных
трасс);
реализацией ряда дополнительных технических и
организационных мероприятий.
При этом технические мероприятия направлены на выполне-
168
Рис. 7.1. Основные виды работ по обеспечению электромагнитной
совместимости устройств автоматизации:
AG — устройство автоматизации; LAN - локальная сеть; PAS — шина
выравнивания потенциалов; USV — бесперебойное электроснабжение; /2, /3, /4 —
классы окружающей среды согласно табл. 2.10; la, lb — системы питания
технологического устройства и устройства автоматизации; 2 — соединительные провода;
3 — заземление; 4 — защита от молнии и от перенапряжений; 5 —
высокочастотные и импульсные поля, созданные ядерными взрывами, молнией; 6 — разряды
статического электричества; 7 — сильноточные выпрямители; 8 —
электромагнитные приборы
ние удовлетворяющих условиям электромагнитной
совместимости системы электропитания, прокладки кабелей и
заземления, грозозащиты, ограничения коммутационных
перенапряжений, защиты от создающих помехи полей и от
влияния разрядов статического электричества, а также на
подавление помех, создаваемых выпрямителями и
электромагнитными устройствами.
Далее рассматриваются эти проблемы.
169
7.2. Технические мероприятия
7.2.1. Система электропитания
При создании системы электропитания технологических
установок или устройств автоматизации, удовлетворяющей
требованиям электромагнитной совместимости, необходимо
позаботиться, чтобы:
не нарушали работу устройства приходящие из сети помехи,
вызванные спадами и исчезновением, быстрыми и
медленными колебаниями напряжения, переходными процессами,
несимметрией сети, гармониками и субгармониками в сетевом
напряжении, отклонениями частоты от номинальной (см.
п. 2.4.4);
не нарушали нормальную работу приборов автоматизации
электроэнергетические промышленные устройства как через
систему электропитания, так из-за влияния магнитного поля;
обратное воздействие элементов устройства с большой
мощностью, таких, как дуговые печи, сварочные агрегаты, прессы,
пилорамы' и другие, не вызывало недопустимого снижения
качества напряжения сети, а эмиссия высокочастотных помех
не превышала допустимой;
не было взаимных помех электронных промышленных
устройств через систему питания.
Необходимо иметь в виду, что электропитание силовых
установок, осветительных устройств и устройств автоматизации
осуществляется по-разному.
Для обеспечения электромагнитной совместимости
электроэнергетических промышленных устройств потребителей
должны быть соблюдены определенные технические условия в
точке присоединения к сети, устанавливаемые производителем
электроэнергии. К ним относятся (рис. 7.2) [7.1]:
использование фильтров низких частот для снижения
скорости изменения тока в подводящих проводах, например, при
переключениях или коммутациях в выпрямителях (рис. 7.2, а);
введение дополнительных шунтирующих контуров,
настроенных на высшие гармоники, вызванные нелинейными
характеристиками промышленных устройств, в частности
выпрямителями (рис. 7.2, б);
использование маховиков (рис. 7.2, в) или динамических
компенсационных устройств (рис. 7.2, г) для сглаживания им-
170
ffj
Рис. 7.2. Мероприятия по снижению воздействия на сеть сильноточных
электромагнитных устройств [7.1]:
а - фильтр низких частот; б — дополнительные шунтирующие контуры,
настроенные на 5, 7, 11-е ... гармоники; в - махо вики; г - динамические
компенсаторы; д - симметрирование сети; е - подключение нагрузки на более
высокое напряжение; 1 - шины среднего напряжения; 2 - шины низкого
напряжения; 3 - пресс; 4 - устройство для точечной сварки; 5 - однофазная нагрузка;
6 — устройство большой мощности
пульсной нагрузки, например в прессах, пилорамах, точечных
сварочных машинах;
симметрирование сети реактивными элементами при
большой однофазной нагрузке (рис. 7.2, г, д);
подключение мощных потребителей к сети более высокого
напряжения (рис. 7.2, е).
При обеспечении электропитанием устройств измерения,
управления, регулирования и телеуправления необходимо
учитывать следующие особенности:
многие компоненты малой мощности требуют
качественного напряжения питания, а часто и надежного питания;
потребители могут иметь сетевые элементы с
неуправляемыми выпрямителями и защитными конденсаторами большой
емкости, а также сетевые коммутационные устройства, как
правило, создающие кратковременные (до 10 мс) срезы
напряжения при коротких замыканиях и нагружающие питающую сеть
большими пусковыми токами при включениях и
импульсными токами в стационарных режимах, что может создавать
помехи другим потребителям из-за внутреннего
сопротивления источника энергии.
Поэтому рекомендуется размещенные в устройстве
аппараты автоматизации питать раздельно (см. рис. 7.1), не
присоединяя к их системе питания другие потребители (освети-
171
тельные устройства и розетки для электроинструмента).
Помехи от других приборов, обусловленные их воздействием на сеть
питания, могут быть устранены подключением помехоподав-
ляющих компонентов и соединением системы питания
звездой (см. рис. 4.8). Чтобы обеспечить электромагнитную
совместимость и повысить надежность системы питания,
используются следующие технические средства:
сетевые помехоподавляющие фильтры (см. п. 5.2.3) для
сглаживания переходных напряжений (рис. 7.3, а).
Современные приборы автоматизации, как правило, снабжены такими
фильтрами (см. гл. 6);
трансформаторы, стабилизаторы напряжения [7.3, К.29] для
выравнивания колебаний напряжения и подавления высших
гармоник и переходных симметричных и несимметричных
напряжений помех (рис. 7.3, б);
системы бесперебойного питания [7.2, 7.4 - 7.6] для
гальванической развязки системы питания устройств
автоматики от сети, для обеспечения питания при длительных
уменьшениях и исчезновениях напряжения сети, а также для
обеспечения специфических требований к системе питания. При
этом различают статическую и динамическую системы
питания. Статическая система (рис. 7.3, в) состоит из
выпрямителя, аккумулятора - накопителя энергии с инвертором и позво-
Сеть низкого напряжений
д)
г ы гут rap ^i
Рис. 7.3. Мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости
устройств автоматизации с сетью питания [7.1]:
а - сетевые фильтры; б - стабилизаторы напряжения; в — статические
системы бесперебойного питания; г — динамические системы бесперебойного
питания; д — агрегаты резервного питания; е — агрегаты резервного питания
повышенной готовности
172
ляет в зависимости от параметров сети и вида потребителя
обеспечить питание продолжительностью от нескольких
минут до многих часов. Динамическая система (рис. 7.3, г) имеет
вращающийся умформер с маховиком - накопителем энергии
и позволяет компенсировать перерывы питания в течение
нескольких секунд;
при длительных перерьюах могут использоваться агрегаты
резервного питания (рис. 7.3, д), чаще всего дизель-генератор-
ные, а в особо ответственных случаях при большой мощности -
агрегаты повышенной готовности. Они состоят из
вращающегося умформера с дизельным двигателем и запускаются
автоматически при отключении сети за счет энергии маховика
(рис. 7.3, е).
7.2.2. Прокладка кабелей
Имеющиеся в устройстве электронные и электрические,
часто удаленные друг от друга, компоненты связаны с сетью
проводами питания, а между собой-сигнальными
проводами, линиями управления и передачи данных в соответствии с
предназначением устройства. Инфраструктура прокладки
кабелей, удовлетворяющая требованиям обеспечения
электромагнитной совместимости, должна:
не вызывать нарушений нормальной работы, вызванных
внешними помехами (токами молнии, замыканиями на
землю, полями);
предотвращать влияние силовых кабелей энергоемких
потребителей (приводов с выпрямителями, сварочных аппаратов
и т. д.) на измерительные, регулирующие, управляющие
устройства через их систему питания, сигнальные провода, линии
управления и передачи данных;
исключать взаимные влияния сигнальных проводов, линий
управления и передачи данных.
Исходя из этих требований и следуя рекомендациям гл. 4
и п. 5.4.4 по устранению влияния на линии, можно
сформулировать следующие указания по прокладке кабелей в
устройствах:
необходимо скручивание пары проводов - прямого и
обратного для сигналов. Это означает, что нельзя при многих
сигналах использовать общий обратный провод (жилу или экран
кабеля, корпус). Тем самым симметрируются емкости связей
параллельных линий и предотвращается образование прово-
173
дящих контуров. Бели кабель для измерений, регулирования
и управления, состоящий из отдельных экранированных пар
проводов, экраны которых с одной стороны связаны с системой
опорного потенциала, имеет металлическую защитную
оболочку, то она заземляется с двух сторон и может быть
использована для защиты от воздействия молнии (рис. 7.4) [К .26].
Впрочем, экран может отсутствовать, если входные и
выходные элементы электронного устройства достаточно
помехоустойчивы. Например, двойные линии датчиков и систем
регулирования обычно не экранируются [7.8];
линии передачи данных и сигналов следует размещать на
возможно большем расстоянии (более 10 см) от токовых
цепей, силовых кабелей и проводов, в которых в нормальных
режимах могут возникать быстрые изменения тока или
напряжения;
там, где существуют сильные низкочастотные помехи,
сигнальные провода и линии передачи данных следует
прокладывать в ферромагнитных стальных трубах или шлангах,
которые одновременно защищают провода и кабели от
механических повреждений. В пределах здания рекомендуется
прокладывать кабели и провода в заземленных и закрываемых
кабельных каналах, элементы которых надежно соединены
электрически друг с другом. Каналы могут иметь несколько
камер, в которых раздельно прокладываются несущие помехи
и чувствительные к помехам кабели (рис. 7.5);
г 1
Рис. 7.4. Кабель для передачи измерительных сигналов, сигналов управления
и регулирования [К.26]:
1 - медные гибкие жилы; 2 - изоляция жил; 3 - экранированные пары
проводов со вспомогательными заземляющими проводами; 4 - пластмассовая лента;
5 - внешний экран (медная оплетка); 6 - поливинилхлоридная внешняя
оболочка
Рис- 7*5- Кабельная эстакада с тремя сталь-
„ыми кабельными каналами:
1 - силовые кабели 380 В; 2 - кабели уп-
равления 220 В; 3 - сигнальные кабели
174
1 /
Z
/
&го|ос
/
г
||
1
кабели, выходящие из здания и пересекающие некоторое
открытое пространство, должны иметь внешний экран,
рассчитанный на пропускание сильного тока, или их следует
прокладывать в трубчатых металлических каналах или в
железобетонных каналах с электрически объединенными крышками;
чтобы предотвратить проникновение синфазных помех по
проводам в сигнальный контур, необходимо выполнять
рекомендации, приведенные в пп. 4.2.2 и 4.33. Особое значение
имеет разделение потенциалов при помощи
электромагнитных, электромеханических или электрооптических устройств
(см. табл. 4.1, рис. 4.20), которое осуществляется во входных
и выходных цепях электронных промышленных }стройств (см.
рис. 6.5, 6.6) или в отдельных блоках;
дальнейшая возможность снижения воздействия помех на
передающие участки устройства заключается в выборе
большого полезного сигнала при передаче с последующим его
понижением до требуемого значения перед обработкой. При
этом напряжение помехи снижается пропорционально
уменьшению сигнала.
Абсолютно помехоустойчивы при электромагнитном
воздействии световоды. Они обеспечивают разделение
потенциалов датчика и приемника, повышенную безопасность работы
по взрывоопасной обстановке, малую занимаемую площадь
и высокую (до 10 Мбайт/с) скорость передачи.
Специально для локальных сетей можно сформулировать
следующие рекомендации [7.7]:
не прокладывать линии передачи данных параллельно
сильноточным проводам на длине более 10 м;
при необходимости близкой прокладки проводов, несущих
сильные помехи, экранировать участки линий передачи
данных (при коаксиальной системе передачи для этого
требуются кабели с дополнительным экраном);
при симметричных участках передачи сигналов
применять трансформаторы (трансформаторная передача помимо
разделения потенциалов обладает гораздо лучшими
симметрирующими и развязывающими свойствами, чем
симметричные относительно земли резистивные схемы);
как можно чаще следует реализовывать коаксиальные
системы (уменьшение сопротивления связи);
при симметричных системах по возможности необходимо
скручивать провода (снижение влияния площади контура);
175
при присоединении экранированной линии к корпусу
прибора нужно добиваться хорошего контакта по всей
окружности экрана;
экраны линий всех цепей, присоединенных к шине данных,
рекомендуется соединять с единой системой заземления;
шины данных следует прокладывать рядом с проводящими
поверхностями, в металлических кабельных каналах (в
экранированных системах провода, несущие сильные помехи,
прокладывать на расстоянии не менее 30 см, а в неэкранирован-
ных системах - не менее 1 м, что часто практически
реализовать невозможно).
Большие преимущества имеют системы передачи данных
на базе световодов. При достижимых в настоящее время
коэффициентах затухания возможно создание волоконных
линий передачи данных длиной в несколько километров.
7.2.3. Заземляющие устройства
В устройствах автоматизации со многими приборами или
шкафами взаимные помехи будут наименьшими, если все
корпусы и проводящие детали здания и устройства находятся под
одним напряжением. Для этого приборы автоматизации
подходящим образом соединяют с заземляющим устройством,
требующимся также для защиты от напряжения
прикосновения, грозовых и коммутационных перенапряжений, а также
для рабочего заземления электротехнических установок.
Сильноточное заземляющее устройство состоит, как
правило, из фундаментного заземлителя [кольцеобразного
сборного проводника, расположенного на нижнем этаже здания,
рис. 7.6], к которому присоединены все естественные и
дополнительные заземлители. К естественным заземлителям
относятся все металлические элементы, соприкасающиеся с
землей (трубы, фундамент здания, металлические
конструкции технических и технологических агрегатов, оболочки
кабелей, рельсовые пути, экраны кабельных каналов,
приходящих в здание), а также система заземления
электрооборудования.
Для заземления электронных промышленных средств в
устройствах автоматизации применяют в основном два вида
соединений заземляющих проводов: соединение их в звезду или
присоединение к плоскому заземлителю.
176
При соединении в звезду изолированные провода системы
опорного потенциала всех приборов объединяются в одной
точке, также изолированной, которая кратчайшим путем
соединяется с системой заземления, предназначенной для
электротехнических установок и грозозащиты (рис. 7.6, а).
При использовании плоского заземлителя системы опорного
потенциала непосредственно соединяются с корпусами
приборов (см. рис. 6.4), которые проводниками кратчайшим путем
связываются с изолированным плоским заземлителем,
сооруженным на полу производственного помещения,
подсоединенным в одной точке к заземлению электротехнических устройств
(рис. 7.6, б).
Соединение в звезду является классическим видом
заземления аналоговых и небыстродействующих цифровых устройств
автоматизации. Для быстродействующих устройств полные
сопротивления отдельных расположенных в виде лучей
проводов заземления становятся слишком высокими, чтобы
гарантировать нормальное функционирование заземляющего
устройства, и поэтому используется плоское заземление [7.9,
7.10]. Часто применяется комбинация этих двух видов зазем-
Рис. 7.6. Заземления устройств автоматизации в виде звезды (а) и плоской
системы (б):
А — приборы автоматизации (пульты, шкафы); В — провода системы опорного
потенциала; F — плоский заземлитель; FE - фундаментный заземлитель; GB -
арматура здания; КЕ - искусственный заземлитель; NE — естественные зазем-
лители; SP — изолированная центральная точка соединений проводов опорного
потенциала; Е - устройство заземления
ления, например в производственных помещениях с
управляющей и вычислительной техникой - плоское заземление,
а в пределах общего пространственно разветвленного
устройства, которое, естественно, может содержать также
аналоговые компоненты - звездой. В этом случае повторяется
принцип занулений внутри прибора, поясненный на рис. 6.4.
7.2.4. Ограничение грозовых и коммутационных
перенапряжений
Опасность, связанная с грозовыми разрядами и
коммутациями в сети, устраняется реализацией внешней и внутренней
защиты.
Задачей внешней грозозащиты является отвод тока молнии
в землю таким образом, чтобы внутри помещения не
возникало больших разностей потенциалов и сильных
электромагнитных полей помех. Практически это достигается заземленной
системой проводников, сооруженных наподобие клетки Фара-
дея, по которой ток молнии протекает по многим
параллельным путям с учетом фундамента и металлических элементов
фасада здания.
Внутренняя грозозащита направлена на то, чтобы остаточные
воздействия на электронные приборы снизить до допустимых.
Они одновременно защищают промышленные электронные
приборы и от других помех, например вызываемых
находящимися вблизи электроэнергетическими или
электротехнологическими устройствами, а также обусловленных коммутациями
в сети. К внутренней грозозащите относятся:
выравнивание напряжения между металлическим
оборудованием, системой трубопроводов, оболочками кабелей,
металлическими фундаментами оборудования путем соединения их
проводами и подсоединения к заземлению;
выравнивание потенциалов при помощи экранирующих
проводников - металлических труб, кабельных перемычек,
металлических коробов и закрытых кабельных коробов, в
которых прокладываются провода управления, сигнальные
линии и линии передачи данных между зданиями и
пространственно разделенными устройствами;
выравнивание напряжения между сетевыми,
телефонными и измерительными линиями, линиями передачи данных,
управления, регулирования, и землей через ограничиэающие
перенапряжения устройства.
178
В момент удара молнии все активные и пассивные
металлические элементы оборудования защищаемого устройства
оказываются электрически объединенными, т. е. образуют
эквипотенциальную систему, в которой не возникает опасной
разности потенциалов.
Следующими, обеспечивающими внутреннюю грозозащиту
и защиту от перенапряжений средствами являются требуемые
по другим причинам для обеспечения электромагнитной
совместимости экранирования отдельных функциональных
элементов (приборов, кабелей, проводов и помещений),
разделение потенциалов между внутренними и наружными
токовыми контурами системы автоматизации, использование
световодов и т.д.
В заключение на рис. 7.7 приведен пример реализации
грозозащиты и защиты от перенапряжений устройства автомати-
LJ
АТФ
Рис. 7.7. Защита от молнии и от перенапряжений в устройствах автоматизации:
AG - прибор; D - линии передачи данных; FE - фундаментный заземлитель;
GA — арматура здания; КЕ — искусственный заземлитель; PAS — рабочее
заземление; 5 - кабель управления с молниестойким внешним экраном; VI -
ступень грубой защиты от перенапряжений (см. рис. 5.28); U2 — ступень тонкой
защиты (см. рис, 5.29); U3 — ступень тонкой защиты линии передачи данных
(см. рис. 5.32); U4 — защита линий измерений, управления, регулирования
(см. рис. 5.31); 1 - внешний молниеприемник; 2 - проводящий спуск; 3 -
электропитание; 4 — промышленное устройство
179
зации. Конкретные указания по проектированию и созданию
грозозащитных устройств содержатся-в [К.26, К.ЗО, 7.11 - 7.15].
Электромагнитный импульс ядерного взрыва (см. п. 2.3.4)
воздействует так же, как и импульс грозового разряда, однако
при нем необходимо учитывать более высокие скорости
изменения напряжения и тока [К.21].
7.2.5. Мероприятия по снижению влияния разрядов
статического электричества
Из-за разрядов статического электричества с тела человека
или передвижного устройства (см. п. 2.3.2) может наступить
повреждение или нарушение функционирования
электронных приборов на рабочих местах, пультах управления, в
диспетчерских или компьютерных залах при работе с приборами
или сервисном обслуживании. В комфортабельно
оборудованных помещениях с синтетическими непроводящими
покрытиями полов и с покрытыми пластиком предметами
устройства такая опасность особенно велика. Меры по устранению
этой опасности в основном направлены на то, чтобы вблизи
электронных устройств затормозить образование статических
зарядов или нейтрализовать заряды, если их образование
неизбежно. В частности, это осуществляется:
применением проводящих покрытий полов (проводящей
резины, войлочных материалов, специальных проводящих
пластмасс, а также половой краски с поверхностным
сопротивлением 105 - 108 Ом);
покрытием гладких полов антистатической мастикой;
поддержанием относительной влажности воздуха выше 50%
увлажнителями воздуха или кондиционерами;
использованием приборов, стойких и испытанных к
воздействиям разрядов статического электричества.
При обращении с электронными деталями и платами,
например при сервисном обслуживании, необходимо соблюдать
нормы защиты от разрядов статического электричества [К. 15,
К.19]. Важнейшими из них являются:
хранение и транспортировка отдельных схем и плат с
закороченными выводами в упаковке из проводящих
антистатических материалов;
все требуемые манипуляции с электронными элементами
проводить только на рабочих местах, оборудованных
антистатическими устройствами [К.25].
7.2.6. Устранение влияния электромагнитного излучения
Электромагнитное излучение может быть вызвано радио-
и телепередатчиками, устройствами дистанционного
управления, радиопереговорными приборами, а также
электротехнологическими устройствами, дугами в отключающих
аппаратах, молнией, разрядами статического электричества и
воздействовать на измерительные, управляющие процессами
регулирующие приборы и т.д. (см. § 4.5).
Достаточная защита электронных приборов от излучения
обычно обеспечивается металлическими шкафами,
пультами, корпусами, в которых электронные устройства находятся
в рабочем режиме. Металлизированные пластмассовые
корпусы также выполняют эту задачу. Падающие
электромагнитные волны могут частично поглощаться стенками или
отражаться от их поверхности. При особых требованиях к
электромагнитной совместимости при высоких частотах
используются специальные системы корпусов (см. п. 5.4.3).
Защита силовых, сигнальных проводов, линий управления
и передачи данных от излучения осуществляется
использованием кабельных экранов (см. п. 5.4.4), соответствующим
образом защищенной прокладкой кабелей (см. п. 7.2.2), а также
использованием световодов. Особо ответственные и такие
высоконадежные приборы, как центральные
вычислительные машины, системы управления процессами и другие,
непременно должны размещаться в экранированных
помещениях (см. п. 5.4.3).
7.2.7. Защита от влияния выпрямительных устройств
При работе выпрямительных устройств вследствие
процессов коммутации оказывается влияние на сеть в виде
наложенных на нормальное напряжение напряжений помех с высокой
du/dt, а также сетевых токов, содержащих составляющие с
большими di/dt. Выпрямительные устройства в комбинации с
требуемыми для их работы схемами управления могут
создавать высокочастотные помехи в диапазоне мегагерц. Поэтому
информационные линии необходимо располагать подальше
от проводов питания, которые идут к выпрямительному
устройству. Впрочем, специалисты, использующие выпрямитель-
181
ные устройства, в состоянии устранить их влияние на сеть,
реализуя следующие мероприятия [К. 18, 7.16, 7.17]:
использование схем выпрямления, мало влияющих на сеть;
целесообразный выбор места присоединения
выпрямительного устройства к сети;
оптимальный выбор параметров сглаживающих реакторов;
управление выпрямительным устройством, при котором
воздействие на сеть минимально;
празильные выбор, размещение и определение параметров
компенсации реактивней мощности (шунтирующие контуры,
компенсационные конденсаторы и выпрямители и т. д.).
7.2.8. Защита от влияния электромагнитов
Приборы, содержащие такие электромагнитные системы,
как реле, пневматические контакторы, электромагниты,
вибраторы, гидравлические клапаны, магнитные вентили,
тормозные муфты, амортизаторы и другие аналогичные устройства,
совместно с проводами питания могут создавать, особенно при
отключении, индуктированные перенапряжения (рис. 7.8),
имеющие высокие скорости нарастания напряжения (Aus/At =
= 0,1-5-20 В/нс) и во много раз превышающие рабочее
напряжение (usmax =100-5- 2000 В).
Если такой прибор функционально работает совместно с
электронным устройством, то ожидаемые перенапряжения при
отключении требуется ограничить при помощи
соответствующих защитных схем по возможности непосредственно в месте
их возникновения. На рис. 7.9 показаны наиболее
употребляемые помехозащитные цепи. Они выпускаются в виде модулей
и по возможности их необходимо монтировать
непосредственно на обмотке электромагнита, чтобы сохранять малыми
собственную индуктивность и антенное влияние
соединительных проводов.
Функционально эти модули должны работать лишь при
напряжении, превышающем номинальное напряжение
обмотки. При отключении они должны рассеивать энергию,
остающуюся в обмотке (Ь5/^ом/2), и пропускать номинальный ток
*ном» Можно сформулировать следующие рекомендации по
применению помехозащитных устройств электромагнитов.
Для электромагнитов постоянного тока:
182
Рис. 7.8. Перенапряжения при отключении устройств с электромагнитами:
а - схема замещения электромагнита; б - изменение напряжения и^ во
времени на катушке электромагнита с шихтованным сердечником; в — то же со
сплошным сердечником; ииом - номинальное напряжение; Rs - сопротивление
катушки (1 -104 Ом); L§ - индуктивность катушки (1 мГн - 10 Гн); С§ - емкость
катушки; fa - частота колебаний
ин
а) (Г) в) г) д)
Рис. 7.9. Цепи для снижения индуктивных перенапряжений
если время обратного хода электромагнита не играет роли,
то лучше всего для защиты использовать диод (рис. 7.9, а);
если время реакции защищаемого устройства должно быть
по возможности малым, то преимущественны комбинации с ме-
таллооксидным варистором (рис. 7.9, б) специальных
ограничительных стабилитронов (рис. 7.9, в) или JRC-цепей (рис. 7.9, г).
В последнем случае Ср ** Ls/4R^;Rp * 0,2Rs;
схема на рис. 7.9, д специально предназначена для
коммутационных электромагнитных аппаратов. Из-за наличия диода
в схеме защиты обратный ток невозможен, благодаря чему
предотвращается повторное втягивание сердечника при
отключении. Для этой схемы
Cp*Ls/(2-4)R2s; RE
Tp/3Cp,
где Тр - длительность паузы между двумя коммутациями.
Для электромагнитов переменного тока:
применение #С-цепей (рис. 7.9, г) имеет ряд преимуществ.
Они дешевы, компактны, в стационарном режиме компенси-
Ш
руют реактивную мощность и гарантируют при самом
неблагоприятном моменте коммутации и достаточном ограничении
перенапряжений времени обратного хода такие же, как и при
их отсутствии. Соотношения параметров следующие:
Ср * L5/4((/H0M//H0M)2, Яр*0,21/ном//ном;
такими же хорошими свойствами обладают металлооксид-
ные варисторы (рис. 7.9, б) и ограничивающие стабилитроны
(рис. 7.9, в).
Подробные указания по выбору и определению параметров
помехозащитных элементов электромагнитов содержатся в
[К.З, К.25].
7.3. Организационные мероприятия
Организационные мероприятия, способствующие
обеспечению электромагнитной совместимости, направлены на то,
чтобы рассмотренные технические мероприятия реализовать
при планировании, проектировании и создании приборов и
длительно обеспечивать достигнутое качество в отношении
электромагнитной совместимости в стадии использования,
обслуживания, ввода в эксплуатацию устройства. В большинстве
случаев эти мероприятия дают экономический эффект и
могут оказаться достаточными для поддержания определенного
качества электромагнитной совместимости. Они позволяют
снизить материальные затраты путем ограничения
функционирования устройства или соблюдения установленных правил
эксплуатации. Ограничение функционирования означает
локальное или временное регламентирование протекания
производственного процесса. Например, может быть установлено,
чтобы определенные, создающие сильные помехи устройства
не работали одновременно с особо чувствительными
измерительными и аналитическими приборами.
Организационные мероприятия включают в себя
предписания, такие, как ношение экранирующей защитной одежды
вблизи интенсивных источников излучения, порядок
обращения с электронными деталями, 6исками и приборами, или
184
запрет использования радиопереговорных устройств в
определенных чувствительных зонах, например в пультовых,
диспетчерских помещениях.
Среди эксплуатационных и профилактических
мероприятий, относящихся также к организационным, есть и такие, как
осмотр и измерение сопротивления заземления соединений
в заземляющем устройстве, которое может повлиять на
электромагнитную совместимость, проверка устройств разделения
различных потенциалов, эффективности фильтров, устройств
защиты от перенапряжений и экранов, предусмотренных по
условиям обеспечения электромагнитной совместимости.
Дальнейшие организационные мероприятия направлены на
предотвращение неконтролируемого оснащения при
расширении или реконструкции устройства компонентами, кабелями
и проводами, которые могут создавать помехи или резко
понижать эффективность мероприятий по обеспечению
электромагнитной совместимости.
Глава восьмая. ИСПЫТАНИЯ И ПОДТВЕРЖДЕНИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
8.1. Обзор
Электромагнитная совместимость промышленных устройств
характеризует, с одной стороны, сопротивляемость
(функциональную устойчивость) к воздействующим помехам, а с другой -
отсутствие электромагнитного влияния на другие объекты.
При проектировании и изготовлении электронных средств
автоматизации для достижения требуемого качества
электромагнитной совместимости необходимо испытывать и
количественно определять электромагнитную совместимость
лабораторных и опытных образцов, а также готовых изделий. В
частности, речь идет при этом о доказательстве степени
устойчивости S# к внутренним помехам согласно (В.1), определении
помехоустойчивости к внешним воздействиям Sp (B.2) и о проверке
или об измерении эмиссии или излучения Е помех (В.З).
Исследования макетов и образцов преследуют цель
проверки соблюдения и эффективности мероприятий по обеспечению
электромагнитной совместимости, таких, как [8.1]:
целесообразность схемного и конструктивного решения;
185
целесообразность принятой системы соединений проводами
и кабелями;
эффективность встроенных фильтровых и разделительных
ступеней;
эффективность выбранного способа экранирования и
соединения с корпусом;
работоспособность предусмотренных помехоподавляющих
элементов и устройств защиты от перенапряжений.
В остальном все испытательные и контрольные мероприятия
для обеспечения электромагнитной совместимости должны
гармонично сочетаться с прочими измерениями и испытания-
ми, предусмотренными при проектировании и изготовлении
продукции.
8.2. Проверка собственной помехоустойчивости
При проверке собственной помехоустойчивости убеждаются,
что для рассматриваемого объекта в пределах допустимых
неэлектрических воздействий zan выполняется соотношение (3.9),
т. е. при любых возможных внутренних электромагнитных
воздействиях не наступает нарушение функционирования (см.
п. 3.4.1).
Для практического подтверждения внутренней
помехоустойчивости необходимо:
установить такие режимы функционирования, которые
гарантируют наибольшую активность внутренних источников
помех;
создать экстремальные внешние условия, т. е. zan min и zanmax,
в частности установить наибольшую допустимую температуру,
так как с изменением температуры изменяются пороговые
значения характеристик полупроводниковых элементов;
во время испытаний соблюдать условие zae ■ 0, т. е. объект
следует тщательно защитить от внешних влияний.
Данные о собственной помехоустойчивости прибора
достоверны лишь в том случае, если точно засвидетельствованы
условия испытаний (функции прибора, характеристики
испытательной установки, окружающие условия).
8.3. Испытания на устойчивость к внешним помехам
8.3.1. Постановка задачи
Испытание промышленного устройства на устойчивость к
внешним помехам должно показать способность устройства
переносить без нарушения функционирования внешнее
электромагнитное воздействие определенного вида и
установленной интенсивности. Для этого при помощи генератора помех
воспроизводятся испытательные помехи zp] 0 = 1> 2,...,гп),
которые непосредственно или косвенно через механизмы связи
подводятся к различным участкам прибора. При этом речь идет
об определении устойчивости к помехам, которые могут
поступать по сетевому проводу, через информационные входы и
выходы или через корпус прибора, а также к помехам,
обусловленным электрическими, магнитными или
электромагнитными полями, воздействующими на прибор.
Цель исследований при этом состоит в том, чтобы определить
конкретные значения выбранных компонентов вектора
внешней помехоустойчивости (см. рис. 3.6). Для этого (см. п. 3.4.1)
параметр испытательной помехи zpj ступенчато повышается до
граничного значения Sf (2.6), т. е. пока не наступит
нарушение функционирования (Да = е). Устойчивость к внешним
помехам подтверждается воздействием на объект
нормированной испытательной помехи в жестких условиях испытаний.
При этом прибор должен безотказно работать, т. е. в
соответствии с (1.5) должно соблюдаться условие Да < е.
8.3.2. Испытательные генераторы помех
Если ранее из-за отсутствия достаточного опыта и, как
следствие, норм испытания электронных приборов на
электромагнитную совместимость проводились с использованием
подручных средств, то в настоящее время имеются для объективной
оценки помехоустойчивости национальные и международные
стандарты, в которых рекомендуются и предписываются
репрезентативные испытательные воздействия на изделия ([3.7, ?.8,
8.2-8.14], табл. 3.6). В табл. 8.1 приведены схемы и
характеристики испытательных генераторов помех, предназначенных для
таких воздействий. Соответствующие—приборы или
испытательные системы выпускаются промышленностью и предлага-
187
S a
•г II
о И
II
II
13 2. ^ § «?
< С < S о*
н <
s
я
<а
а
s
ю
Н
188
1,1
а *
0) S
If
^LSJL
jg СО
III
III
S „- g
196
R^
.2 °
С -H
Д89
I
i
S
i
I
s?
l/f
••» cs* ^
ffl c* ill
- S g ?
i^ I|
Is
II h M **^
♦I. О
I;
и
а: ьг
i'.e
00 *H
II II
s s
14
0)
1
I
о
(0
3"
t-1
Q)
2
о
|
|
I00.
« 2>
190
с
,IM
STrfJ
й
ются рядом фирм [8.16]. По своим возможностям различаются
следующие основные группы таких приборов:
устройства для имитации типичных для сети помех, таких,
как высшие гармоники; импульсы, наложенные на
напряжение сети; изменения напряжения сети (снижения и паузы);
несимметрия фаз и изменения частоты. Примеры таких устройств
см. табл. 8.1, пп. 1-3;
генераторы для воздействия слабых и сильных напряжений и
токов переходных режимов, которые могут возникать как в
информационных, так и в энергетических линиях вследствие
аварий или коммутаций, а также из-за воздействия молнии
(см. табл. 8.1, пп. 4-6);
генераторы для имитации разрядов статического
электричества, в частности с тела человека (см. табл. 8.1, п. 7);
генераторы промышленной частоты и импульсные
устройства, имитирующие магнитные поля от рабочих токов и токов
коротких замыканий, а также молний (см. табл. 8.1, п. 8);
генераторы средней и высокой частоты для имитации
электромагнитного поля частотой от 10 кГц до 18 ГГц, создаваемого
стационарными и передвижными передатчиками любого вида
(см. табл. 8.1, п. 9) (с качающейся частотой и модуляцией).
Кроме того, известны специальные испытательные
генераторы для имитации электромагнитных полей ядерного
взрыва (см. п. 2.3.4, [8.17, 8.18]). Существуют также приборы для
имитации помех, характерных только для определенных
технических областей, например для автотранспорта [8.19].
Вспомогательными элементами при проведении
испытаний на помехоустойчивость являются устройства связи в виде
специальных схем и приспособлений (емкостные и
индуктивные щупы, электроды для воспроизведения разрядов
статического электричества, антенны) для присоединения объекта
испытаний к генератору помех или имитации воздействия поля
на объект, а также необходимые измерительные средства.
Важнейшие вспомогательные устройства нормированы [8.2 -
8.14].
8.3.3 Технологическая подготовка к испытаниям
Перед тем как проводить измерения и испытания, например
в соответствии с требованиями стандартов к
помехоустойчивости (см. п. 3.4.2), необходимо:
192
установить элементы прибора, подлежащие испытанию:
включить в программу испытаний вид испытательной помехи
и степень жесткости испытаний;
выяснить режим работы испытуемого объекта во время
испытаний и выбрать четкие критерии для оценки
функциональных свойств объекта. В частности, для этого можно
использовать результаты внутренней диагностики вычислительных
микросистем, реакцию компонентов математического
обеспечения на воздействие для самоконтроля приборов или при
электронном управлении - реакцию на '-выбранных выходах
при определенном положении входа;
наконец, должна быть зафиксирована последовательность
этапов испытаний, позволяющая обработать результаты и из
которой ясны порядок исследования объекта и его участков
помехой определенного значения.
Для оценки надежности воспроизводимости и возможности
сравнения результатов испытаний необходимо иметь в виду,
что испытания на помехоустойчивость должны проводиться
всегда при определенных условиях. Они включают в себя:
гарантию требуемой электромагнитной обстановки;
поддержание определенных климатических условий;
заданные электрические параметры генератора помех, в
частности его внутреннее сопротивление, а также разбросы
значений генерируемой помехи;
известные электрические и конструктивные параметры
элемента или устройства связи;
известные герметические конфигурации, соединения эле-
ментов, заземления требуемой для испытаний
измерительной аппаратуры и объекта.
Конкретные указания по этим вопросам можно найти в
нормативных документах [8.2 - 8.14]. При испытаниях
рекомендуется поддерживать климатические условия в следующих
пределах:
температура окружающего воздуха 15-35°С;
относительная влажность 45-75%;
давление 68-106 кПа.
При испытаниях необходимо гарантировать, чтобы
созданные генератором значения помех несильно возмущали
окружающее пространство, а другие помехи, например от сети или
сторонних полей, не влияли на результаты испытаний.
При проведении лабораторных испытаний, связанных с
помехами в проводах, объект необходимо располагать на расстоя-
193
нии не менее 0,1 м от плоских поверхностей, имеющих
потенциал земли. Такие поверхности выполняют из медных,
алюминиевых листов толщиной 0,25 мм или из металлической
сетки из проводов диаметром 0,65 мм. Поверхности должны иметь
площадь не менее 1x1 м и окружать объект со всех сторон.
Поверхности соединяются с защитным заземлением.
Настольные приборы при испытаниях располагаются на деревянных
столах на расстоянии 1 м от поверхности, имеющей потенциал
земли. Объект заземляют так, как требуют условия его
эксплуатации.
Испытания на помехоустойчивость под воздействием поля
проводятся в экранированных помещениях, оборудованных
поглощающими конусами (в безэховых помещениях).
8.3.4. Устойчивость к помехам, поступающим по проводам
Такие помехи могут попадать в прибор через вводы
питания, входные и выходные элементы сигнальных и
управляющих устройств, линий передачи данных (см. рис. 2.1).
На вводах питания могут иметь место (см. п. 2.4.4)
возмущения напряжения питания, такие, как гармоники, изменения
(уменьшение и исчезновение; напряжения, несимметрия фаз,
наложения на напряжение питания импульсов и
высокочастотных колебаний, переходные перенапряжения и отклонения
частоты от номинальной. Эти параметры представлены в
табл. 3.6, а для имитации помех используются приведенные
в табл. 8.1 схемы и другие испытательные генераторы.
Сеть
Сеть
.J
\nNP
2
1
l
ii
i I
Рис. 8.1. Испытания сетевых входных цепей:
а, б •*• принципиальные схемы испытаний; в - компоновка испытательного
устройства; 1 - генератор испытательной помехи; 2 - объект испытания; 3 -
приборы контроля функционирования объекта; 4 - элемент связи с сетью; 5 -
деревянный стол; 6 — заземление
194
На рис. 8.1, а изображена принципиальная схема для
испытаний на помехоустойчивость при спадах напряжения или
перерывах питания, изменении частоты и несимметрии сети, а
на рис. 8.1, б - для определения помехоустойчивости при
наложении на напряжение питания импульсов, напряжений
сигналов, высокочастотных напряжений и гармоник. На рис. 8.1, в
показана компоновка испытательного устройства. В нем все
приборы расположены на деревянной подставке на высоте
10 см от заземленной медной или алюминиевой поверхности.
При испытаниях объекта на устойчивость к снижениям
напряжения или перерывам питания испытательный генератор
помехи включится непосредственно между сетью и объектом
(рис. 8.1, а). При воздействии на объект питающего напряжения
с наложенными импульсами или высокочастотными
колебаниями требуется устройство связи генератора, объекта и сети
друге другом (рис. 8.1, б), при помощи которого
испытательная помеха подводится к объекту испытаний при
нормированных условиях и при исключении сторонних помех.
Коэффициенты демпфирования устройства связи DGP, DGN и DNP должны
удовлетворять следующим требованиям: DGP должен быть по
возможности малым, a DGN - как можно большим, DNP - очень
малым для напряжения сети и предельно большим для
высокочастотных сетевых помех. На рисунке 8.2 изображено
простейшее устройство связи, на примере которого поясняются
три возможные вида связи: симметричная, несимметричная и
Сеть
т
L1V
L1\
Р£\
50пкГн
AKN
0,1 мк Ф
50мкГн
2
\ Л
3
А /
РО
PG
Рис. 8.2. Устройство связи AKN генератора испытательных помех PG с сетевыми
проводами питания объекта РО:
1 - симметричные; 2 — несимметричные; 3 — асимметричные помехи
195
6 Рис. 8.3. Схемы испытаний
информационных входов Е (а) и выходов 'А (б)
промышленного устройства:
1 - сетевой фильтр; 2 - испытуемый
объект; 3 — устройство связи; 4 -
испытательный генератор; 5 - приборы
контроля функционирования объекта;
6 - сеть
асимметричная. Другие примеры схем устройств связи можно
найти в [8.5, 8.7, 8.11, 8.12, 8.20-8.22].
В сигнальных проводах, линиях управления и передачи
данных могут на полезный сигнал накладываться переходные и
периодически изменяющиеся синфазные и противофазные
напряжения помех, приходящих по проводам. Для испытания
помехоустойчивости соответствующих входов и выходов
приборов необходимо обеспечить параметры, указанные в табл. 3.6,
и подать испытательные помехи на входы и выходы объекта,
как показано на рис. 8.3. Некоторые необходимые для таких
испытаний генераторы и их основные параметры приведены
в табл. 8.1.
Для того чтобы обеспечить воспроизводимость результатов
испытаний, в испытательных схемах на рис. 8.3, а, б
предусмотрен сетевой фильтр 1 для устранения влияния помех,
поступающих из сети. Пространственное размещение
элементов испытательной схемы осуществляется, например, как
показано на рис. 8.1, в, а испытания проводят при определенных
климатических и других условиях, описанных в п. 8.3.3.
Выполнение устройств связи зависит от того, как
информационная линия подвергается воздействиям: непосредственно
или косвенно. При непосредственном воздействии
испытательный генератор напрямую гальванически соединяется со
входом или выходом объекта. На рис. 8.4 приведены два
примера с использованием устройства связи, аналогичного
показанному на рис. 8.2.
При непосредственной связи генератора целесообразно
согласование его внутреннего сопротивления с волновым
сопротивлением Zw сигнальной линии. Из-за большого диапазона
изменений волновых сопротивлений различных линий (Zw =
= 50 + 1000 Ом) используют генераторы с подстраиваемым
внутренним полным сопротивлением. При косвенной связи
испытательный генератор включается к входу или выходу линии по-
196
Рис. 8.4. Схемы испытаний бинарных входа (а) и выхода (б):
1 — имитатор процесса; 2 — объект испытаний; 3 - устройство связи; 4 -
генератор помехи
Рис. 8.5. Испытательное устройство с емкостной связью:
1 - заземленная медная или алюминиевая плоскость; 2 — зона емкостной
связи (металлический кожух определенных размеров, например, согласно
[8.7]); 3 - жгут проводов; 4 - изоляционные (деревянные) подкладки; 5 -
испытательный генератор; 6 — испытуемые объекты; 7 - заземление
средством емкостного или индуктивного щупа с опредеЛенньнли
геометрическими размерами [8.5, 8.7, 8.11, 8.12, 8.16].
На рмс. 8.5 приведен пример устройства с емкостной связью.
Устройства с емкостной связью с фиксированным воздушным
промежутком применимы для испытаний не только
отдельных линий, но и жгутов. Еще одно преимущество таких
устройств состоит в том, что при их помощи простейшим способом
можно проверить эффективность экранирования, соединения
с корпусом, заземления, применения фильтров и т. д.
8.3.5. Помехоустойчивость при воздействии разрядов
статического электричества
Особое значение имеют разряды статического
электричества, которые возможны с тела человека на корпус
обслуживаемого прибора. Возникающие при этом воздействия (см. табл. 2.4)
при соответствующих испытаниях на помехоустойчивость
имитируются генераторами (см. табл. 8.1) [8.3, 8.10]. На
рис. 8.6. а, в, д приведены типичные для таких испытаний
схемы, а на рис. 8.6, б, г, е - виды стендов для испытаний
настольных приборов. Устройства для испытаний устанавливаемых
на полу приборов (шкафов) аналогичны.
Питание 4 испытательного генератора осуществляется так,
чтобы в сеть не попадали помехи по проводам.
Накопительный конденсатор С$ и разрядный резистор R^ (см. табл. 8.1)
вместе с разрядными электродами, конструкция которых
нормирована [8.3, 8.10], размещаются в электроде-пистолете 7.
Во всех случаях объект располагается изолированно на
деревянном столе высотой 0,8 м, покрытом проводящей
пластиной. Стол установлен на проводящей плоскости 6, соединен-
Рис. 8.6. Испытания на устойчивость к разрядам статического электричества:
а, б — с непосредственным контактом; в, г — без контакта; d, e — с искровым
контактом; I - испытуемый объект; 2 - горизонтальная алюминиевая или
медная пластина (0,8x1,6 м); 3 — деревянный стол высотой 0,8 м; 4 — блок питания;
5 - сетевой фильтр; 6 — защитное заземление; 7 - испытательный пистолет; 8 -
приборы контроля функционирования объекта; 9 - вертикальная медная или
алюминиевая пластина связи (0,5 х 0,5 м)
198
ной с защитным заземлением (рис, 8.6, б, г, е). Испытуемый
объект питается через сетевой фильтр 5. Устройство 8 служит
для контроля функционирования объекта во время
испытаний.
Испытания приборов с металлическими корпусами
проводятся при непосредственном контакте электрода 7
испытательного генератора с поверхностью прибора десятью
импульсами с интервалом между ними примерно 1 с (рис. 8.6, а, б).
Точки контакта соответствуют местам соприкосновения
оператора с прибором при его эксплуатации или сервисном
обслуживании (стенки корпуса, переключатели, кнопки и т. д.).
Осуществляя разряды на металлическое покрытие стола 2
или вертикальную пластину связи 9, расположенную на
расстоянии 0,1 м от стенки прибора (рис. 8.6, в, г), можно
контролировать, в какой степени объект устойчив к разрядам
статического электричества на предметы, расположенные в
непосредственной близости от него.
Приборы с защитной изоляцией, например с пластмассовыми
корпусами, испытываются по схемам, показанным на
рис. 8.6, д, е. При этом электрод испытательного генератора
медленно приближают к корпусу прибора до момента
возникновения разряда с острия на корпус. Затем электрод отводят.
Принципиально такие испытания пригодны и для объекта с
металлическими корпусами. Вследствие разнообразия влияющих
воздействий при разряде с острия на корпус
воспроизводимость результатов значительно хуже, чем при испытаниях с
непосредственным контактом электрода с корпусом.
8.3.6. Помехоустойчивость к воздействиям поля
Электронные промышленные устройства, особенно
работающие на электростанциях, обычно подвергаются воздействию
длительных магнитных полей с частотой сети, обусловленных
рабочими токами электроэнергетического оборудования;
кратковременных электрических полей с частотой сети,
вызванных аварийными режимами; импульсных полей, создаваемых
молнией, токами коротких замыканий, а также
высокочастотных затухающих полей, возникающих, например, при работе
разъединителей в устройствах среднего и высокого
напряжений. Значения напряженностей таких полей приведены
в табл. 2.5 и 2.8.
199
в
Рис. 8.7. Пример устройства для испытаний объекта на воздействие магнитных
полей:
А, В- подсоединения испытательных генераторов (см. табл. 8.1); SQ, Sp Sc -
катушки; РЕ .*- защитное заземление
Для проверки приборов на помехоустойчивость при таких
воздействиях применяются (см. табл. 8.1) испытательные
помехи. Они создаются при помощи генераторов и воздействуют
на объект, помещенный в катушках специальной формы. На
рис. 8.7 показаны такие катушки, предназначенные для
испытания электронных шкафов [8.14]. Объект устанавливается
на изоляционной подставке высотой 0,1 м на металлическрм
полу, соединенном с защитным заземлением. Три
совмещенные катушки Sa, Sb и Sc, оси которых ортогональны друг другу,
создают охватывающее объект трехмерное переменное или
импульсное поле в зависимости от того, какой генератор
помехи подсоединен к катушкам. Катушки Sa и S& электрически
соединены с заземленной поверхностью, как показано на
рисунке. Размеры катушек зависят от габаритных размеров
объекта и выбираются такими, чтобы расстояние между катушкой
и стенкой объекта было бы не менее 20% длины катушки.
Размещение испытательного устройства в экранированном
помещении необязательно, однако рекомендуется, если
имеется опасность создать помехи находящимся вблизи
электронным устройствам.
Помехи функционированию электронных промышленных
средств могут быть вызваны и высокочастотными
электромагнитными полями, излучаемыми радио- и телепередатчиками,
200
Рис. 8.8. Устройство для испытаний на
устойчивость к воздействию
электромагнитных полей:
А1 — биконическая антенна (27 —
200 МГЦ); А2 - коническая
логарифмическая спираль (200 — 500 МГц)
Сеть
SW
радиопереговорными устройствами, средствами
радиоуправления, медицинскими приборами, электротехнологическими
устройствами и другими источниками. При этом
напряженности могут достигать сотен вольт на метр, а частоты -
гигагерцевого диапазона. Принципиально испытания на
помехоустойчивость к электромагнитным полям должны
проводиться в экранированных кабинах или в помещениях,
оборудованных поглотителями излучения, чтобы с одной стороны,
исключить радиопомехи, а с другой - защитить работников и
регистрирующие приборы от используемых при испытаниях
высокочастотных полей. На рис. 8.8 показан пример такого
испытательного устройства [8.4].
Испытательное устройство включает в себя высокочастотный
генератор G (27-500 МГц) с автоматической
последовательной настройкой на различные частоты заданной полосы,
усилитель мощности L V для питания антенн А1 и А2, измеритель
напряженности поля ME, приемную антенну FS,
располагаемую непосредственно вблизи объекта РО. Для проведения
испытаний объект размещают в центре помещения с
экранированными стенами SW на расстоянии 1 м от излучающих антенн.
Настольные приборы помещают на поворачивающемся
деревянном столе. Стойки и шкафы изолируют от пола. Затем
устанавливают требуемую напряженность поля и изменяют
частоту излучения со скоростью 0,0015 декада/с в пределах
заданного диапазона и приборами контроля UE регистрируют
функциональные характеристики испытуемого объекта.
Интернациональные нормы частотных диапазонов 1-27 МГц
и 500 МГц - 1 ГГц находятся в стадии подготовки.
Предусматривается также модуляция несущей волны (Публикация
МЭК 801-3). 201
SL1
500м
Рис 8.9. Испытательное устройство с полосковыми линиями SL1 и SL2:
С — высокочастотный генератор; LV—усилитель мощности; РО - испытуемый
объект
Небольшие объекты размерами до 30 см могут быть испытаны
в полосковых линиях открытых волноводов, как показано на
рис. 8.9 [8.4]. В таком устройстве между обоими полосковыми
электродами SL1 и SL2 создают однородное электрическое
поле, напряженность которого прямо пропорциональна
приложенному высокочастотному напряжению U.
Следующим измерительным средством, при помощи которого
могут производиться как нормированные испытания на
помехоустойчивость, так и измерения помех, создаваемых объектом,
является так называемая гигагерцевая ТЕМ-ячейка (рис. 8.10).
Она напоминает кабель, образующий большое испытательное
пространство (приблизительно 0,5 х l x l м), с хорошо
согласованными в широком диапазоне частот полными сопротивлениями
на концах [8.23, 8.24]. Поглотитель А на противоположном от
Рис. 8.10. Гигагерцевая Г£М-ячейка:
а — вид сбоку; б ~ вид сзади; А — поглощающие конусы; AMS -
автоматизированная система измерений; FS - полевые зонды; МБ — измерительный
приемник; PG - генератор испытательной помехи; РО - испытуемый объект; W -
согласующий элемент; IEEE-BUS магистраль ШЕЕ
202
излучателя конце ячейки обеспечивает хорошее
согласование в диапазоне высоких частот, а резистор W - при низких
частотах*
В такой измерительной ячейке можно создавать поля
напряженностью до 200 В/м в диапазоне частот 0-1 ГГц, а также
импульсные (5/200 не). Измерения эмиссии помех возможны в
таком же диапазоне частот.
8.3.7. Оценка результатов испытаний и документация
Если в рамках испытаний на. помехоустойчивость
установлены значения устойчивости Spj прибора в определенных его
участках к заданной испытательной помехе zPj, по
совокупности результатов испытаний можно дать объективную,
конкретно подтвержденную характеристику помехоустойчивости
прибора. Исходя из этого, можно, например, найти разницу между
требуемыми Sp и достигнутыми Sp значениями для
сравнительной оценки свойств приборов
ASF = SF-S'F (8.1)
или провести сравнение качества помехоустойчивости
конструктивных вариантов одного типа приборов или сравнимых
изделий, выпускаемых различными изготовителями.
Если в результате испытания прибора определено, в какой
степени он соответствует устойчивости к воздействиям в
условиях эксплуатации или нормативным требованиям к
помехоустойчивости, то на основании результатов испытаний должно
быть сделано соответствующее заключение. Грубо можно
выделить три следующие степени соответствия:
испытуемый объект абсолютно устойчив к помехам, т. е.
при испытаниях не наблюдалось никаких нарушений
функционирования;
объект устойчив частично, т.е. наступают нарушения
функционирования, и использование прибора ограничено только
для предусмотренных целей;
объект абсолютно не помехоустойчив, т. е. либо при
испытаниях вышли из строя детали, либо наступили критические
режимы функционирования, что свидетельствует о
непригодности прибора.
Дальнейшие уточнения возможны и даже необходимы в
каждом конкретном случае.
Чтобы обеспечить воспроизводимость результатов
исследований помехоустойчивости, необходимо вести протокол
испытаний с указанием конкретных условий испытаний в
соответствии с п. 8.3.3, иметь программу испытаний, результаты
испытаний в соответствии с пп. 8.3.4 - 8.3.6 и обработать результаты.
При испытаниях лабораторных образцов рекомендуется сразу
же отметить выявленные возможности улучшения свойств
помехоустойчивости.
8.3.8. Автоматизированные испытания
на помехоустойчивость
Практическое проведение описанных в пп. 8.3.4 - 8.3.6
испытаний требует, как правило, следующих действий:
а) составление программы, в которой излагаются режим ра-
ооты объекта при испытаниях, четкие критерии оценки его
функционирования, а также этапы и другие условия
испытаний;
б) обеспечение необходимых условий испытаний;
в) установление на каждом этапе необходимых параметров
испытательного генератора;
г) проведение каждого этапа испытаний;
д) наблюдение и анализ реакции объекта испытаний на
воздействующую испытательную помеху. Испытание может быть
прекращено или продолжено в зависимости от результатов;
е) протоколирование хода испытаний;
ж) обработка результатов испытаний, составление протокола
испытаний.
При обычном проведении таких испытаний (рис. 8.11, а),
особенно при определении диапазонов разброса результатов, для
выполнения этапов а, б, в, д., е, ж необходима длительная
работа, результаты которой зависят от субъективных ошибок.
Поэтому целесообразен переход к автоматизированной
системе испытаний. Рисунок 8.11, б поясняет принцип работы
автоматизированного устройства. В основной своей части
устройство состоит из вычислительной машины LR9 соединенной
световодами с управляющими машинами SRl-SRn, отдельных
генераторов PG1 - PGn испытательных помех, которые по
выбору могут быть подключены к объекту РО через устройства
связи AKNl-AKNn [8.25-8.28].
При подготовке к испытаниям в машину вводится програм-
204
в
f
1
1
1
В
LR
■4^_Ij—н
1 О-
PG
AKN
+
РО
rrl
5Д-7
♦
AKN
1
...
*
-
РО
OT/r
W/y
*
AKN
n
1
rJ—i
| , J
♦
I
1
/Г/
2n
i
/«•
-4U
Рис. 8.11. Системы испытаний на помехоустойчивость с ручным управлением
(а) и с автоматическим (б):
AKN — элемент связи; В — оператор; LR — главная вычислительная
управляющая машина; LWL - оптические каналы передачи данных; ME - устройства
для автоматического учета окружающих неэлектрических условий zan; PG -
генераторы испытательных помех; РО — объект испытаний; SR — управляющие
машины
ма или же вызывается стандартная программа из памяти,
которая параметрируется. Затем по программе управляющая
машина обеспечивает зарядку необходимых генераторов помех и
автоматически реализует этапы испытаний. При этом задача
операторов, проводящих испытания, заключается в том, чтобы
наблюдать реакцию объекта и при наступлении нарушений
функционирования прервать автоматический ход испытаний
и прокомментировать результат.
Дополнительный комфорт создает использование так
называемого SET-компьютера в испытательной системе (SET-R на
рис. 8.11, б). Он может для испытуемого объекта служить в
качестве имитатора процесса и позволяет наблюдать поведение
объекта при воздействии испытательной помехи, а также
запоминать результаты испытаний для дальнейшей обработки.
Автоматизированное проведение испытаний имеет
следующие преимущества:
эффективное составление программы;
существенная экономия времени из-за автоматической
установки параметров генераторов и полностью автоматического
205
проведения испытаний во всем диапазоне изменения
параметров помехи;
автоматическое протоколирование результатов испытаний,
условий испытаний (функций объекта, неэлектрических
условий окружающей среды, даты, времени проведения
испытаний);
при помощи SET-компьютера возможно проведение
испытаний, недоступных для информационного восприятия
человеком.
Сказанное означает, что в ближайшем будущем могут быть
обеспечены более точные и надежные, совершенные и лучше
документированные результаты испытаний. Одновременно
повысится и их воспроизводимость.
8.4. Измерение эмиссии помех
8.4.1. Обзор
Измерение эмиссии помех электрическими промышленными
устройствами имеет цель либо установить, в какой степени
возмущается пространство вблизи них из-за излучения
электромагнитной энергии, создающей помехи, либо доказать,
например в рамках типовых испытаний, что параметры
излучения помех не выходят за границы, установленные
нормативными документами. Специально для гарантии радиоприема
без помех, а также нормального функционирования
радиослужб (радиопереговоры, радиорелейная связь,
радионавигация) установлены предельные значения радиопомех в
соответствующих нормативных документах DIN/VDE [K.31, 8.29 - 8.37].
Они базируются на интернациональных согласованных с МЭК
или Международным специальный комитетом по
радиопомехам (SISPR) значениях. С другой стороны, они ориентированы
на всегда имеющееся неустранимое базовое нижнее (фоновое)
значение таких естественных помех, как космические и
атмосферные шумы. Это означает, что помехи, исходящие из
промышленной установки, в зависимости от ее
предназначения, должны уменьшаться до фонового значения, например
при удалении на 3 или Юм.
Для обеспечения воспроизводимости результатов измерений
эмиссии помех условия измерений и основные требования,
предъявляемые к измерительным приборам, нормированы
206
[8,29 - 8.37), как и при измерениях и испытаниях на
помехоустойчивость. Этому способствует и документирование
результатов в измерительном протоколе, где помимо измеренных
значений и условий измерений приводят такие
дополнительные сведения, как точное обозначение объекта, его режим
работы, использованные измерительные средства и
стандарты, дата, фамилия проводившего измерения и т. д.
8.4.2. Измеряемые величины и измерительные средства
Частоты помех, обусловленных гальваническими связями,
достигают 30 МГц, а вызванных полями - более 30 МГц (см.
рис. 4.1). Это связано с тем, что длина волны излучения
помехи соизмерима с геометрическими размерами объектов,
включая длину соединительных проводов.
Распространение помех происходит вдоль сигнальных и
сетевых проводов, линий управления и передачи данных,
которые присоединены к промышленному устройству. Эти помехи
представляют собой напряжения или токи и их можно
измерить в виде симметричных, несимметричных или
асимметричных компонентов.
Помехи при воздействии поля в ближней зоне (х < А./2л)
проявляются в виде электрического или магнитного полей,
в зависимости от того, какое воздействие на антенну
преобладает - напряжение или ток, а в дальней зоне (х > А./2л) - в
виде электромагнитного поля, для которого между напряжен-
ностями электрического и магнитного полей справедливо
четкое соотношение: Е/Н = 377 Ом. В этом случае для
характеристики эмиссии помех используют напряженность
электрического поля и мощность.
На рис. 8.12 показаны важнейшие измерительные средства,
используемые при измерениях эмиссии. В качестве
измерительных датчиков применяются:
токовые клещи (SWZ) для измерения токов помех Istl
схемы (NNB) для регистрации напряжений помех Ust;
абсорбционные измерительные щупы (AMZ) для регистрации
мощности помех Pst;
разнесенные антенны (рамочные, стержневые,
логарифмические и др.) для измерения напряженностей электрического
и магнитного полей.
От всех датчиков напряжения сигнал, пропорциональный
207
/ (х>х„1
Рис. 8.12. Средства измерения эмиссии помех (а) и примерная частотная
зависимость уровня помех (б):
AMZ - абсорбционные измерительные клещи, ME — измерительный
приемник; NNB - сетевой элемент; РО — испытуемый объект; SWZ - измерительный
трансформатор тока; 1 - удаленная зона; 2 - близкая зона; 3 - граничное
значение помехи
измеряемому значению (иц, up, щ, \хц, ue)> подводится к
единому приемнику измеряемых помех ME. Такой приемник
работает по принципу избирательного селективного
высокочастотного микровольтметра на базе высококачественного по
чувствительности и точности гетеродинного радиоприемника
с промежуточной частотой [К.36, К.40] (рис. 8.13).
Чтобы можно было лучше оценить воздействие измеренной
помехи на определенный чувствительный элемент прибора,
в усилителе промежуточной частоты предусматривается спе-
208
-
-И-
- >
-
-ей-
_i
Рис. 8.13. Упрощенная структурная схема измерительного приемника помех:
1 - аттенюатор; 2 - калибровочный генератор; 3 - настраиваемый
резонансный контур; 4 — смеситель; 5 — гетеродинный генератор; 6 — усилитель
промежуточной частоты; 7 - детектор; 8 - вольтметр; 9 -настройка; 10 - принтер,
самописец
циальная анализирующая схема, при помощи которой на
выходе усилителя, по желанию, можно получить выпрямленное
напряжение, пропорциональное среднему, максимальному,
квазимаксимальному или эффективному значению
измеряемой помехи.
Максимальное значение помехи удобно использовать в
качестве меры влияния на электронные устройства, в то время
как квазимаксимальное - меры оценки эффектов нарушений
функционирования по звуку с учетом физиологических
особенностей.
Современные измерительные приемники могут
автоматически выполнять сложные измерения и документировать
результаты, составлять графики, аналогичные показанным
на рис. 8.12, б. В табл. 8.2 дан обзор по измерениям
радиопомех от приборов и промышленных устройств, применению
средств измерений и норм.
8.4.3. Измерение помех, приходящих по проводам
Токи помех, генерируемых электрическими и электронными
устройствами, создают на внутреннем сопротивлении сети
низкого напряжения, бортовой, коммуникационной или иной
сети падения напряжений, которые являются напряжениями
помех. Чтобы можно было объективно, независимо от
внутреннего сопротивления рассматриваемой сети измерять
напряжение помехи, применяют так называемые сетевые
эквиваленты. Они представляют собой для токов помех
нормированные сопротивления и содержат дополнительные фильтры,
209
s
x
I
!
<s
oo
«j
Ю
н в
SS
и
210
L-
N -
РЕ-
NNB
=
1
=
(
-ск
zN fe"
z
~fst'\
Vtt*
PO
a)
500m
Рис. 8.14. Схема для измерения несимметричных напряжений помех Usip
и полное сопротивление сетевого элемента (б) в диапазоне частот 0,15-30 МГц:
РО - испытуемый объект; 1 — фильтр низких частот; 2 — область выделения
помех
которые снижают влияние на результаты измерений помех,
поступающих из сети. Имеются специальные сетевые
эквиваленты для измерений симметричных, несимметричных и
асимметричных напряжений помех в различных упомянутых выше
категориях сетей (см. DIN VDE 0876 и [8.21, 8.22]). На рис. 8.14, а
показан пример сетевого эквивалента для измерений
напряжений помех в однофазной цепи питания испытуемого
объекта. Исходящие из объекта токи помех Istl, Ist2 протекают по
емкостям Ск и нормированным полным сопротивлениям ZN.
На этих сопротивлениях создаются падения напряжения,
являющиеся несимметричными напряжениями помех Ustl и
Ust2> которые могут быть измерены. Объект питается через
фильтр низких частот, который одновременно отделяет объект
от сети при высоких частотах. Структура полного
сопротивления ZN определяется особенностями рассматриваемой
сети. На рис. 8.14, б изображена схема устройства, характерная
для промышленной сети. Активное сопротивление (50 Ом)
представляет собой входное сопротивление измерительного
приемника.
Непосредственное измерение токов помех Ist, исходящих
из объекта, возможно при помощи высокочастотного
трансформатора тока [8.32, К.36] (рис. 8.15). При этом
малоиндуктивный конденсатор С выполняет функции низкоомного
шунта для высокочастотных токов как объекта Isu так и
приходящих из сети токов IstN, и поэтому последние не оказывают
влияния на выходной сигнал трансформатора Ux.
При коэффициенте трансформации Zyj (зависящем от
частоты) возможно следующее соотношение между током помехи
211
N •
Рис. 8.15. Измерение тока помех при
помощи высокочастотного
трансформатора
Рис. 8.16. Типичное устройство для измерения эмиссии помех, обусловленных
проводами:
А - экранированный соединительный провод; В — сложенный в виде меандра
жгут проводов; С — клемма для присоединения проводов системы опорного
потенциала; ME — измерительный приемник; NNB - сетевой элемент; РО -
испытуемый объект; Я-большая (>4м2) пластина системы опорного потенциала
Ist и напряжением Ux на зажимах трансформатора:
1st - Ux/Zw; (8.2)
При известном сопротивлении ZN (рис. 8.14, б) можно
определить напряжение помехи
Ust-Ist^ С8-3)
Высокочастотный трансформатор тока состоит из
магнитного кольцевого сердечника и обмотки с напряжением Ul9
пропорциональным высокочастотному току. Сердечник
разъемный, что позволяет перед измерением не разрывать
проводник, по которому протекает ток помехи.
При измерениях эмиссии помех требуется помимо
использования нормированных способов и средств измерений
соблюдение соответствующих инструкций в отношении
геометрических размеров всех требующихся для измерений
компонентов, соединяющих их кабелей и проводов, а также топологии
системы заземления. В качестве примера на рис. 8.16 приведе-
212
на компоновка устройства для измерения помех, поиходящих
по проводам [8.33].
8.4.4. Измерение помех, вызванных полем
Электрические и магнитные поля измеряются при помощи
антенн, напряжение на выводах которых пропорционально
напряженности измеряемого поля. Это напряжение, как уже
отмечалось в п. 8.4.2, регистрируется измерительным
приемником.
Связь между напряженностью воздействующего на
антенну поля и напряжением на входе подключенного к антенне
измерительного приемника характеризуется так называемым
антенным коэффициентом AF. Он учитывает затухание в
измерительном кабеле и нагрузку антенны в виде входного
сопротивления приемника (50 Ом).
Для £-антенны (рис. 8.17, а)
AFE-\Egt/Ugt\9
или
AFE = 20lg\Est/Ust\, дБ.
Для Н-антенны (рис. 8.17,6)
AFH = \Hst/Ust\,
или
AFH = 20lg|H5,/l/5,|, дБ.
(8.4)
(8.5)
(8.6)
(8.7)
Антенные коэффициенты AFE и AF# представляют собой
зависящие от частоты параметры антенны. Они измеряются из-
а)
Рис. 8.17. Устройства для измерения напряженностей электрического (а) и
магнитного (б) полей:
ME — измерительный приемник
213
готовителем антенны и в виде графика прикладываются к
паспорту антенны. Например, для устройства, показанного на
рис. 8.17, а, с использованием (8.5) напряженность
электрического поля,
P&. (8.8)
Здесь базовыми величинами являются напряженность поля
£б = 1 мкВ/м или напряжение t/6 = 1 мкВ. Для дальней зоны
можно определить напряженность магнитного поля,
используя (8.8) и соотношение Е/Н = 377 Ом.
В остальных случаях согласно (8.7) для измерительного
устройства на рис. 8.17, б можно записать:
Hst ш Ust + AFH, дБ.
(8.9)
Базовыми величинами в этом случае являются 1 мкА/м и
1 мкВ.
В зависимости от вида поля, значения помех, частотного
диапазона и соотношений размеров измерительного устройства
применяют различные виды антенн (см. п. 8.4.2). Измерения
помех, излучаемых объектом, проводятся либо на открытых
площадках, либо в экранированных безэховых помещениях
(рис. 8.18).
В последнее время для этого используются также
измерительные гигагерцевые ТЕМ-ячейки (см. рис. 8.10). На рис. 8.18, а
показаны размеры свободного пространства, которые
необходимо соблюдать при измерениях на открытой площадке. На
Рис. 8.18. Открытая (а) и закрытая (б), в безэховом помещении, площадки для
измерения излучения помех:
d — нормированное расстояние (d = 3; 10; 30 м); D - вращающийся стол,
подставка; РО - объект
214
площади, ограниченной эллипсом (рис. 8.18, а), не должно
находиться никаких отражающих предметов, кроме объекта и
антенны. Отражения от объектов, находящихся за
пределами эллипса (зданий, ограждений, заборов, осветительных мачт
и т. д.), не должны создавать помехи при измерениях.
При практическом проведении измерений объект в
зависимости от его размеров помещается на поворачивающихся
подставке или столе, и для каждой регистрируемой частоты
определяется максимальное значение напряженности поля
помех. Впрочем, для достижения воспроизводимости
результатов необходимо строго соблюдать соответствующие нормы
при проведении измерений DIN VDE 0877 [8.34, К.31].
Если длина волны помехи больше размеров предмета, то
излучение в основном обусловлено присоединенными к
предмету проводами и линиями. В этом случае вместо
трудоемкой регистрации напряженности поля помех возможно
измерение мощности [8.32, 8.33]. При этом используют так
называемые абсорбционные измерительные датчики (рис. 8.19). Ток
помех, излучаемых объектом и измеряемый, например, при
помощи трансформатора тока SW на сетевых проводах, вместе с
полным сопротивлением проводов может служить для
определения мощности излучения. Два столба А кольцевых
сердечников из поглощающего материала, с одной стороны,
предотвращают попадание токов помех в сеть, а с другой -
искажение результатов измерений из-за помех сети за счет
емкостной связи с измерительными сигнальными проводами.
Кольцевые сердечники абсорбера являются разъемными и
монтируются в деревянных клещах. Они охватывают сетевые
AMZ
Сеть
Рис. 8.19. Устройство для измерения мощности помех:
AMZ — абсорбционный измерительный щуп; ME - измерительный приемник;
РО - объект; SW - измерительный трансформатор тока; 4 > 5 м при 30 МГц
215
провода, как показано на рис. 8.19. Так как в сетевых проводах
могут образовываться стоячие волны, то деревянные клещи
размещаются на тех участках проводов, где измерительный
приемник показывает наибольшие помехи.
8.5. Измерительные и испытательные центры
Для подтверждения электромагнитной совместимости
требуется проведение измерений как помехоустойчивости, так и
излучения помех приборами и системами. Такие измерения
проводятся в специально создаваемых для этого
испытательных центрах, принадлежащих фирмам или работающих на
коммерческой основе. Они располагают, как правило, большим,
объемом в несколько тысяч кубометров, безэховым
помещением, а также рядом измерительных кабин для проведения
стандартных или специально согласованных испытаний
электромагнитной совместимости (рис. 8.20).
Рис. 8.20. План одного из
испытательных центров [8.39,8.40]:
1 - кабина для испытаний на
воздействие электромагнитного импульса
ядерного взрыва; 2 - измерительная
кабина; 3 - помещения управления,
контроля; 4 ~ безэховый зал; 5 -
вращающийся стол; 6 — вращающаяся шайба;
7 — устройство с СО у 8 — ворота; 9 -
шлюз
Имитационное и измерительное оборудование
управляется ЭВМ, а получение данных измерений, их обработка и
документация производятся при помощи различных средств
вычислительной техники. Параметры одного из таких
европейских репрезентативных центров можно найти в [8.39, 8.40].
Планируемые центры описаны в [8.41, 8.42].
Глава девятая.ПЛАНИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ РАБОТ
ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
9.1. Обзор
Надежность функционирования и эффективное
использование современных промышленных устройств и оснащенных ими
установок характеризуется определенным качеством
электромагнитной совместимости. Научное разрешение этой
проблемы предполагает целенаправленные работы по
обеспечению совместимости, начиная со стадии планирования
выпуска изделий. Это означает, что должны быть узаконены
основные понятия и требования, которые ранее были
обоснованы в § 1.3 и 1.4, прежде всего в виде обязательных норм,
которые необходимо выполнять начиная с эскизной проработки
изделий и их компонентов и планомерно осуществлять на
стадиях проектирования и создания изделий. При этом
ответственность за достижение требуемого качества электромагнитной
совместимости лежит на соответствующем руководителе
темы, координирующем деятельность подразделений,
занимающихся подготовительными и основными работами по
созданию продукции. Так как значительная часть работ по
электромагнитной совместимости (см., например, гл. 6 и 7) тесно
переплетена с прочими работами по созданию продукции, то эти
работы должны проводиться разработчиками, которые
обладают соответствующими основными и специальными
знаниями в области электромагнитной совместимости.
Для организации контроля работ по обеспечению
электромагнитной совместимости требуется, по крайней мере на
крупных предприятиях, иметь специалистов, в обязанности
которых вменяется постоянно заниматься координацией,
проведением и контролем работ, связанных с электромагнитной
совместимостью. Этими специалистами должна реализовывать-
ся разработанная программа работ по совместимости, и они
должны выполнять функции специального органа, который
собирает и обобщает опыт работ по совместимости,
осуществляет контроль при проектировании и проводит совместные
работы с потребителями продукции по формулировке
технически и научно обоснованных требований в отношении
электромагнитной совместимости, например, в соответствии с
материалом § 1.4.
217
9.2. Работы по электромагнитной совместимости
на стадии эскизного проектирования продукции
Работы по обеспечению электромагнитной совместимости
при проектировании продукции начинаются с анализа
электромагнитных условий в месте эксплуатации, возможного
ущерба, включая стоимость потерь из-за недостаточной
электромагнитной совместимости продукции при эксплуатации, а
также с зондирования, в какой степени потребуется
удовлетворять технические аспекты надежности и специальные
нормы по электромагнитной совместимости. При этом следует
учитывать, что создаваемая продукция должна удовлетворять
обязательным стандартам и нормам по электромагнитной
совместимости (см. § 1.5), т. е. она должна соответствовать
определенному классу по помехоустойчивости (см. п. 3.4.2)
и не создавать радиопомехи в соответствии с нормами
DINVDE 0871 или 0875. Затем составляется программа
обеспечения электромагнитной совместимости, в которой указы-
Таблица 9.1. Работы по обеспечению электромагнитной совместимости
продукции на различных стадиях проектирования [9.1]
Стадия проектирования
Вид работ по электромагнитной совместимости
Разработка концепции
Составление
документации
Определение параметров
Обслуживание продукции
Выяснение областей применения
Анализ условий применения,идентификация
соответствующих норм
Определение требований электромагнитной
совместимости, помехоустойчивости, граничны*
значений эмиссии помех и соответствующих уело
вий испытаний и подтверждений электромагнит
ной совместимости
Составление программы обеспечения
электромагнитной совместимости
Разработка схемы в соответствии с требованиями
электромагнитной совместимости
Разработка конструкций печатных плат и корпуса
прибора, удовлетворяющих требованиям
электромагнитной совместимости
Проведение измерений в процессе разработки
продукции
Доработка и совершенствование
Типовые испытания, сертификация
Обеспечение, электромагнитной совместимости
при изменениях и заменах деталей
218
ваютря конкретные мероприятия по реализации требуемых
свойств, а также по контролю электромагнитной совместимости
на определенных этапах создания продукции (расчет влияющих
величин в критических точках, испытания на
помехоустойчивость, измерение создаваемых помех и т. д.). Представление
об этих работах на различных стадиях проектирования дает
табл. 9.1.
На стадии создания продукции особое значение имеют
мероприятия, изложенные в гл.6. В дальнейшем при широком
внедрении вычислительной техники качество обеспечения
электромагнитной совместимости, как и эффективность
проектирования, существенно возрастает [4.3,6.15-6.17].
Для того чтобы облегчить обнаружение внутренних
участков с тяжелыми условиями влияния, можно привлечь при
проектировании приборов и устройств так называемую
матрицу воздействий (табл. 9.2). В ней компоненты 1, 2, 3,..., п
структурированной системы первый раз представлены как
источники помех, а второй - как приемники. Степень опасности их
взаимного влияния качественно обозначается знаками "+",
Таблица 9.2.Матрица воздействий
Источник помех
Элементы системы
Элемент 1
Элемент 2
Элемент 3
1
2
3
Приемник помех
1 2 3 ... л
- +
?
+ - +
Элемент л л - - -
Примечание:
+ — электромагнитная совместимость гарантируется без
использования особых средств;
обеспечение совместимости требует дополнительных
мероприятий;
? — ситуация не ясна, требуются дополнительные
исследования.
219
"-" и "?", а пути критического влияния изучаются
количественно и определяется применение адекватных мероприятий
по обеспечению электромагнитной совместимости.
9.3. Работы по электромагнитной совместимости
на стадии рабочего проектирования
На этой стадии работы по обеспечению электромагнитной
совместимости также целесообразно начинать с зондирования
ожидаемых электромагнитных условий (с информационного
поиска, изучения мест эксплуатации изделия) и расчленения
устройства на различные зоны, характеризующиеся
различными условиями помех и совместимости. Затем следует
проанализировать ожидаемые воздействия, используя матрицу
воздействий (см. табл. 9.2), установить требуемые параметры
помехоустойчивости и допустимые эмиссии помех для
различных компонентов системы, необходимые общие и
специальные мероприятия по обеспечению совместимости, требуемые
методы подтверждения совместимости, а также контрольные
мероприятия при проектировании. Завершается работа
составлением документации, содержащей все реализуемые
мероприятия и данные системы обеспечения совместимости,
являющейся основой для надзора, изменений и совершенствования
[9.1-9.5].
Соответствующие работы проводятся подразделениями,
занятыми проектированием и строительством, а намечаются,
курируются и контролируются либо компетентными в
вопросах электромагнитной совместимости экспертами, либо
рабочей группой по электромагнитной совместимости,
составленной из представителей заказчика и исполнителя. В табл. 9.3
приведены виды работ по электромагнитной совместимости,
проводимые на различных стадиях проектирования устройств
автоматизации. При этом выделены следующие виды
работ.
Исходные определения: создание рабочей группы по
электромагнитной совместимости, регламентирование ее функций,
разработка программы обеспечения совместимости, анализ
электромагнитной обстановки, качественный анализ
возможных влияний (составление матрицы воздействий),
идентификация обших мероприятий в соответствии с нормативными
документами.
220
Таблица 9.3. Виды работ по электромагнитной совместимости
при эксплуатации [9.2]
Проектирова- Л _
„МЛ Опреде- Изготовле- Ввод в Экс-
Этап создания ление па- ние эксплу- плуата-
продукции Эскиз- Рабо- раметров атацию ция
ное чее
Исходные опре- хххххххххх
деления
Проектирование хххххххххххххххххх хххххххххх
Контроль в про- хххххххххх
цессе создания
Подтверждение ххххххх
совместимости
Поддержание хххххх
совместимости
Проектирование: количественный анализ электромагнитной
совместимости, определение конкретных мероприятий,
требуемой помехоустойчивости и допустимого излучения помех,
разработка концепции экранирования, использования
фильтров, соединений с корпусом и с заземлением, прокладки
кабелей, выбор системы молниезащиты и защиты от
перенапряжений, формулировка требований по электромагнитной
совместимости к используемым приборам и частям системы,
установление способов проверки электромагнитной совместимости,
определение программы и средств измерений
совместимости.
Контроль в процессе создания: визуальный контроль,
измерения, оформление соответствующих документов.
Подтверждение электромагнитной совместимости:
измерения параметров электромагнитной совместимости,
реализация изменений и дополнительных мероприятий, составление
документации по совместимости.
Поддержание совместимости: сравнительные измерения,
ревизии, согласования при изменениях и расширении
устройства.
Глава десятая.ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ НА ПОДСТАНЦИЯХ
10.1. Обзор
Техника управления электроэнергетическими устройствами
и подстанциями представляет собой совокупность
многочисленных электротехнических средств для локального,
централизованного и дистанционного обслуживания на стороне высокого
напряжения, устройств релейной защиты для осуществления
задач управления, регулирования и контроля. Во все
возрастающей степени реализуются эти функции в виде сети
вычислительных устройств (рис. ЮЛ), причем образуется единая локаль-
I
Рис. ЮЛ. Иерархия управляющей техники на базе микроэлектроники:
ER — внешняя ЭВМ; к - коммуникации; LAN - локальная сеть (до 10 Мбит/с);
VE - периферийная электроника; WAN - удаленная сеть (0,1-64 Кбит/с); 1 -
сеть управления; 2 - резервная сеть управления; 3 — станция, подстанция (см.
рис. 10.2); 4-ячейки (см. рис. 10.3)
222
w
LWL
40-бООм
Рис. 10.2. Структура подстанции:
LWL — световоды; VEn — периферийные электроника и компьютеры в
коммутационном устройстве; W — здание диспетчерской со стационарным
компьютером (управляющей машиной), коммутационной периферией,
телеуправлением и системой Литания; / — коммутационное поле; Я, Ш — коммутационные
устройства
ная сеть управления LAN. Вычислительные сети различают
по их структуре [10.1].
На типичной открытой подстанции (рис. 10.2) [10.2]
микроэлектронные компоненты системы управления располагаются
во многих (до нескольких сотен) местах на основных
устройствах, занимающих площадь в несколько гектаров.
К надежности и безопасности функционирования
оборудования, особенно устройств управления и защиты,
предъявляются жесткие требования, так как их повреждения или
выходы из строя могут привести к авариям, повреждениям
дорогостоящих устройств, а также к перерывам в
электроснабжении промышленных предприятий, транспорта и жилых
массивов в соответствующих районах.
Кроме tforo, к технике управления на подстанциях
предъявляются высокие требования к разрешению во времени. Для
обработки 500-2000 сигналов отводится 1-10 мс. В зависимости от
обстоятельств, за это время для функционирования защиты
могут понадобиться одновременные измерения мгновенных
значений сигналов более чем 100 регистрируемых величин,
чтобы реализовать время на выдачу команды 5-30 мс [103].
223
Типичные для подстанций помехи и создающие их
явления имеют очень широкий спектр (рис. 10.3). На подстанции
380 кВ помимо кратковременных аварийных токов до 100 к А
возможно длительное существование максимальных
напряжений на проводах относительно земли до 350 кВ при частоте
50 или 60 Гц. Кратковременные коммутационные и грозовые
перенапряжения достигают еще больших значений и
содержат частоты до 1 МГц. Особое значение имеют напряжения
помех с частотой до 100 МГц, возникающие в результате
распространения волновых процессов в проводах или в сети
заземления при срабатывании разъединителей, например при
многократной перезарядке емкости проводов при повторных
зажиганиях дуги или при преддуговых процессах при замыканиях
и размыканиях контактов [10.3 - 10.9]. Поэтому требуется
осуществлять ряд мероприятий при разработке проекта и
конструкции устройств, чтобы обеспечить электромагнитную совмес-
<XiB
д
Рис. 10.3. Возможные влияния на коммутационном поле:
а < 1 - коэффициент уменьшения тока молнии ig (значение ig — до 100 кА
в течение микросекунд); if - ток помехи, короткого замыкания (до 80 кА в
течение 5 мс); iifo — рабочее напряжение (до 400 кВ, 50 Гц); Uusmax — грозовое
перенапряжение (до 1000 кВ в течение микросекунд);
i — перекрытие изоляции; 2 — удар молнии; 3 — коммутационный аппарат
(разъединитель); 4 — сборные шины; 5 — разряд статического электричества;
6 — заземление; 7 — периферийная электроника; 8 — кольцевая система
питания; 9 — информационные линии диспетчерской; 10 — высокочастотное поле
дуги; 11 - магнитное поле 50 Гц; 12 - переходные процессы Uusmax
224
тимость в этих условиях. При этом рекомендуется следующая
четырехступенчатая программа [10.10] реализации
мероприятий применительно к электронным приборам управления:
снижение проникновения помех в приборы и детали
устройства;
уменьшение действия проникших помех;
наблюдение за функционированием устройств в условиях
остаточных помех;
проверка эффективности рассматриваемых мероприятий.
10.2. Мероприятия по снижению проникновения помех
10.2.1. Гальваническая развязка
Влияние помех при передаче и обработке измеряемых
величин, сообщений и команд управления ограничивается
выбором параметров полезного сигнала, например напряжения
100 - 220 В и его минимальной длительности 5-20 мс.
При внедрении микроэлектронных устройств
чувствительность к помехам возросла на два порядка. Поэтому логично
реализовать гальваническую развязку между электронной
частью и остальными устройствами, включая вспомогательные
устройства электропитания (рис. 10.4).
При конкретных выполнениях развязки учитывается, что
малые значения паразитных емкостной связи Ск оптических
каналов и реле (табл. 10.1) достигаются лишь тогда, когда
концепция и конструкция устройства не предусматривают
Таблица 10.1.Типичные значения емкостной связи и времени
запаздывания устройств га
Вид развязки
Выключатель сетевой
Промежуточный
преобразователь:
с наложенными друг на
друга обмотками
с расположенными рядом
обмотками
Реле'
Оптическая развязка
яьваническои развязки
Паразитная емкость,
пФ
До 1000
До 100
До 10
До 5
До 1
Время запаздывания,
мс
-
—
2-20
0,1-1
225
ii
Электропита-220"
ние постоям- ШЩ OJ!OjjuZ
ным тоном i ни»
Измеряемые
Величины
Сигна
связь
потенциала-
, , Паразитная емкость
—Н И—-Ъ-»» 0,1 -ЮОО /7 <Р (таил. 70.1)
Рис. 10.4. Пояснения принципа гальванической развязки
*■Диспетчерская
Управление
разъединителем
Улрабление
бь/клтателегг
3
д-w
"Г
-Хо4
II
X
^5<
>Р^
^feM
.н^.
dEgt,
EBP
OO-j_
///
"Ж
в/
4/
Q
I /// 1 L [®^
^y
(Ц
226
близкого расположения разделяемых систем [10.11]. Это
требует, например, перпендикулярного друг к другу расположения
жгутов проводов (рис. 10.5, е) или последовательного
пространственного разделения проводов (рис. 10.5, г), чтобы
выполнить условия С15 < Со, С12 < Со и тем самым гарантировать
снижение емкостной связи Ск до Со. Эти паразитные
емкостные связи для типичных конструкций можно оценить при
помощи простейших моделей [10.12] (табл. 10.2). При значениях
емкостей более 5 пФ (при промежуточных преобразователях
без экранов или многих реле и оптических каналах) для
снижения помех можно, например, использовать фильтры. Для
вспомогательных источников питания принципиально
необходимы сетевые фильтры. Для промежуточных преобразователей
можно путем многократного экранирования обмоток достичь
более благоприятных значений емкости по сравнению с С,
приведенными в табл. 10.2.
При жестких требованиях к разрешению во времени (время
запаздывания менее 5 мс) рекомендуется использовать для
передачи сообщений и управления оптические каналы. В
сочетании с тиристорами при этом реализуемы мощности
управления выключателями высокого напряжения до 1000 Вт.
Автономное питание отдельных блоков с гальванической
развязкой от остальных электронных приборов обычно не
обеспечивает лучшую электромагнитную совместимость, чем
общая гальваническая развязка между оборудованием и
электронными приборами в сочетании с рассматриваемыми далее
мероприятиями.
Рис. 10.5. Примеры гальванических развязок при помощи оптических устройств
и реле:
а — оптическая развязка с соединением экрана кабеля с системой опорного
потенциала электроники ЕВР; б - то же с отводом тока помех ist по экранам
кабеля и блока; в - оптическая развязка (схема и фрагмент развязки) с
неблагоприятной связью проводами; г - пространственное разделение с уменьшенной
паразитной емкостью (схема и фрагмент развязки); д — паразитная емкость
реле с учетом влияния общего жгута проводов; е - уменьшение паразитной
емкости реле путем пространственного разнесения и перпендикулярного
расположения проводов; AS — схема управления; RBP - шина системы опорного
потенциала поворачивающейся рамки шкафа; / - схема; Я — неблагоприятно; Ш —
предпочтительно; IV — фрагмент развязки; Р — реле
227
Таблица 10.2. Емкости типичных электродных систем
№ Электроды
п/п
Формулы для расчета Типичные параметры
емкости С
(е = еге , ео = 8,86пФ/м) Размеры, мм Емкость С
пФ
3
4
л е г (2а - г)
2,5
Строка 5 или
строка б
при
0,3
12
1
12
19
45
24
173
89
10.2.2. Экранирование и заземление модулей и линий
Чувствительные модули, например оптические приемники
(О£), эффективно экранируются от воздействия
высокочастотных помех, создаваемых разрядами статического
электричества и другими источниками, путем размещения модулей в
228
Рис. 10.6. Экранирующее
действие корпуса шкафа и экранов
электронных блоков при разрядах
статического электричества:
ЕВР — шина системы опорного
потенциала электронного
устройства; ОЕ - оптический
приемник; RBP—шина системы
опорного потенциала
поворачивающейся рамки; £ВР-система
опорного потенциала шкафа,
например опорная пластина с
приваренной несущей рамой; 5Х
—стальные стенки шкафа; S2 -
стальные экраны блоков; £э ~" загтаян"
ные экраны-корпусы отдельных
блоков
Рязряд статического
/электричества
7^
Изоляционная
подбесна
запаянных герметичных корпусах из листовой меди.
Частичным экранированием поворачивающихся рамок и корпусов
шкафов достигается протекание токов разрядов
статического электричества по внешним проводящим экранам и
исключается их проникновение внутрь устройства (рис. 10.6). В
отличие от этого, магнитное поле частотой 50 Гц лишь
незначительно демпфируется стальными стенками корпуса.
Экраны коротких кабельных соединений, например в
устройствах аналогово-цифрового сопряжения или в
промежуточных преобразователях, выдающих аналоговые сигналы,
снижают проникшие в электронное устройство токи помех,
так как они отводятся через сравнительно большие емкости
между проводами и экранами (рис. 10.7, а).
Хорошее экранирование в аналоговых устройствах
достигается применением двух или трех малоиндуктивных экранов,
как это делается, например, в промежуточных
преобразователях 100/10 В (рис. 10.7, б). При мощных источниках помех ре-
229
Согласование
уровней
EBP
(Защита от \
повреждений) if
I Шкаф
1 SBP
Поворачивающаяся рамка
ДВР •
а)
JW-ЗЗОкВ
Промежуточный
преобразователь
ЮООВ' ГП]! i I
Влок
преобразователь '
высокого
напряжения
JOB
(
Шкаф
S3P
ч7овора чи. 6а юш, а яся
рамка RBP
Рис. 10.7. Экранирование в устройствах обработки измерительных сигналов и
сообщений:
а - экранированный кабель между устройствами согласования уровней
сигналов и оптического входа; б — экранированный промежуточный
преобразователь и кабель для передачи измерительных сигналов; ADU — аналоговоцифро-
войпреобразователь; ЕВР— шина системы опорного потенциала электронного
устройства; i$t - ток помехи 0st3 « ist2 < igtl ); RBP - шина системы опорного
потенциала поворачивающейся рамки; SBP - шина системы опорного
потенциала шкафа
комендуется эти группы экранов объединять
дополнительным контуром с симметрирующими преобразователями
(DIN VDE 0848, ч. 1).
Если в выходных устройствах управления предусмотрены не-
экранированные реле (рис. 10.8, а), то хорошие результаты
могут быть достигнуты использованием свободных контактов
230
Рис. 10.8. Экранирование выходов
управления:
а - полностью экранированное реле;
б— использование свободных
контактов реле в качестве
вспомогательного экрана совместно с
высокочастотным фильтром F (КС-цепь):
AS — схема управления; isi — ток
помехи (ist2 < i^j); RBP — шина системы
опорного потенциала
поворачивающейся рамки
аЩлЯВР
реле в качестве вспомогательных экранов и применением
высокочастотного фильтра (см. рис. 10.8 и п. 10.2.3).
В интерфейсах с гальванической развязкой нужно учитывать
то, что при неудачно выполненных заземлениях или
соединениях оболочек экранов (см. рис. 10.5) или при нескоордини-
рованном выборе соединений активных и пассивных
элементов (рис. 10.9) может проявиться ухудшение экранирующего
действия.
Принципиально действие экранов зависит от
малоиндуктивного отвода токов, т. е. от заземления и выполнения
системы опорного потенциала.
Шкафы со стальными стенками и поворачивающимися
рамками для периферийных электронных устройств из условий
обеспечения безопасности при прикосновении к ним [10.13]
соединяются с системой заземления подстанции (рис. 10.10).
Это соединение V должно быть предельно коротким
(малоиндуктивным), а точка присоединения к контуру заземления
не должна находиться рядом с заземляющими проводами за-
землителей ЕТ или разрядников UA.
Присоединения устройств защиты (например, варисторов)
приходящих линий измерения, сигнализации или
вспомогательного питания и экраны промежуточных преобразователей
соединяются непосредственно с системой опорного
потенциала шкафа SBP (рис. 10.7, б и 10.10).
Поворачивающиеся рамки подвешиваются на изоляционной
конструкции, при этом осуществляется только единственное
гальваническое соединение между системами опорных
потенциалов рамок RBP и шкафа SBP. Как и в шкафах,
выполнение проводов систем опорного потенциала в виде широких
малоиндуктивных шин и по возможности короткие присоеди-
231
""l^rfYt
—" y^ f^
H->
)
/■ / ~\
V \-/
L
r
иий-*^
О v|^J——
JL д 1 i i 1
П[ гСз^ж
j^
Рис. 10.9. Варианты соединений полюса А и заземлений оболочек кабелей в
устройствах с разделением потенциалов электронных блоков:
о — емкостная связь между гальванически разделенными блоками
(неблагоприятный вариант); б — снижение емкостного влияния путем использования
раздельных кабелей (улучшенный вариант); в - двустороннее питание блоков
с общим кабелем (благоприятный вариант); ЕВР — шина системы опорного
потенциала электронного устройства; RBP — шина системы опорного потенциала
поворачивающейся рамки
232
Рис. 10.10. Пример заземлений и соединений систем опорного потенциала в
шкафу периферийного электронного устройства на коммутационном поле
подстанции:
ADU - аналогово-цифровой преобразователь; ЕВР - шина системы опорного
потенциала электронного устройства; ЕТ - заземлитель на подстанции; F -
высокочастотный или низкочастотный фильтр; NFI — сетевой фильтр; РА -
устройство согласования сигналов; RBP - шина системы опорного потенциала
поворачивающейся рамки; SBP — шина системы опорного потенциала шкафа; SV -
модуль питания; UA — ограничитель грозовых перенапряжений подстанции;
W - промежуточный преобразователь; ZS - устройство защиты от повреждений;
1 — шкаф; 2 — поворачивающаяся рамка; 3 - изоляционная подвеска; 4-6 —
линии сигналов измерений, сообщений и вспомогательного электропитания: 7 -
заземлитель (вид сверху)
233
нения экранов кабелей и фильтров, конструктивно
закрепляемых непосредственно на шине опорного потенциала в рамках,
облегчает задачу отвода тока. Это означает, что шина
является главным трактом для токов помех.
Системы опорных потенциалов электронных устройств ЕВР
соединяются с системой опорного потенциала рамки через
резистор с большим сопротивлением, которое обеспечивает
стекание электростатических зарядов. Влияние небольших
токов помех средних частот, обусловленных внутренними
источниками (например, блоками питания), которые могут
протекать по аналоговым элементам электронных устройств,
ослабляются сетевыми фильтрами (рис. 10.11). Так как в 12-бито-
Измерение
Рис. 10.11. Заземление шин системы опорного потенциала электронных
устройств и его влияние на растекание токов внутренних помех (□ — мероприятия;
О - соответствующие пути влияния):
ADU - аналогово-цифровой преобразователь; ЕВР - шина системы опорного
потенциала электронного устройства; F — сетевой фильтр; ist — ток помехи;
RBP - шина системы опорного потенциала поворачивающейся рамки; SBP —
шина системы опорного потенциала шкафа
234
вых аналогово-цифровых преобразователях напряжения помех
выше 1 мВ могут приводить к погрешностям измеряемой
величины, то для снижения помех рекомендуется пропускать
токи по емкостным или гальваническим цепям (рис. 10.11).
Однако при этом следует проверить, в какой степени
реализована такая возможность мероприятиями, уже
предусмотренными для подавления внутренних помех [10.13].
10.2.3. Защитные схемы входов и выходов
Так как на подстанциях распространено напряжение 220 В
для питания вспомогательного оборудования и далеко не все
источники помех оснащены защитными устройствами,
например диодами и конденсаторами, устанавливаемыми на
катушках электромагнитов (см. п. 7.2.8), то необходимо учитывать
воздействие на периферийные электронные устройства сильных
помех. НеЛьзя считать, что защитные схемы источников помех,
не находящиеся под постоянным контролем, являются
эффективными барьерами для помех, и поэтому помимо
гальванической развязки используются дополнительные барьеры
(рис. 10.12).
Рекомендуется непосредственно на вводах проводов
питания периферийных электронных устройств осуществлять двух-
этапную защиту (см. рис. 10.10). Для снижения влияния
мощных помех (рис. 10.13), для питания постоянным током (как
правило, в этом случае оба провода питания не заземлены)
—
Рис. 10.12. Упрощенная модель барьеров для обеспечения электромагнитной
совместимости управляющей техники на подстанции:
и^ — напряжение помехи, воздействующее на управляющее устройство;
U* — ослабленное вторым барьером напряжение помехи; 1—3 - барьеры; 4 —
производственный процесс; 5 - окружающая среда; б - устройство управления;
7 - электронный блок; 8 — логическое устройство; 9 - ошибка управления
255
Рис. 10.13. Варисторы V и разрядный
' промежуток FS, используемые непо-
средственно на входе постоянного
напряжения питания шкафа (ZS на
рис. 10.10):
NFI - сетевой фильтр; &ВР — шина
системы опорного потенциала шкафа
первый этап защиты ZS можно выполнить при помощи варис-
торов или асимметрично включенных разрядников F& Так как
система питания изолирована от земли, то срабатывание
разрядника создает помехи, сравнимые по значениям с
другими помехами на подстанции, и поэтому должны
использоваться дополнительные барьеры (гальваническая развязка,
фильтры, идентификация помех и понижение помехочувствитель-
ности используемых устройств).
При отказе разрядника рекомендуется координация токовой
защиты питания в соответствии с диаметром шайб варистора.
В качестве второго этапа защиты можно использовать
серийные сетевые фильтры NFI (см. рис. 10.10). При этом следует
иметь в виду, что емкость фильтров (например, для кольцевых
катушек индуктивностью 10 мГн равная 2,4 нФ) представляет
собой дополнительную связь между системами опорных
потенциалов электронных устройств и поворачивающейся рамки
(см. рис. 10.11), по которой могут распространяться токи
внутренних источников помех (см. п. 10.2.2).
При наличии многих параллельных устройств возникающие
снижения постоянного напряжения питания вследствие
включений отдельных устройств могут быть ограничены
уменьшением пусковых токов, например применением ступенчатого
включения. Для входов линий сообщений перед устройством
согласования уровней РА можно использовать в качестве
защиты ZB варисторы, и тем самым обеспечить ограничение
продольных напряжений на оптическом канале (см. рис. 10.7, а
и 10.10). Для промежуточных преобразователей тока в
напряжение рекомендуется глубокое ограничение (до 15 В в
комбинации с более тонким ограничением до 10 В) напряжений
помех в блоках аналогово-цифрового преобразования.
Помехозащитные катушки индуктивности, шунтирующие
конденсаторы и их комбинации в виде высокочастотных
фильтров предпочтительны в качестве дополнительного
236
барьера к гальванической развязке, если ее паразитная емкость
Ск превышает 5 пФ, что может иметь место уже, например,
при нескольких параллельно функционирующих выходных кон-
такхах реле (см. табл. 10.1).
Эффективность защитных схем можно приближенно оценить,
используя упрощенные схемы замещения (табл. 10.3). При
этом предполагается, что примерно на 10 см проводящей
дорожки (например, провода заземления) на печатной плате,
обладающей индуктивностью L,- и сопротивлением и,-,
создается напряжение помехи Цц(О» обусловленное внешним
напряжением помехи U0(t). Ясно, что катушки индуктивности
La и конденсаторы Са в значительной степени снижают
частоту t^Li» и тем самым напряжение на проводящей дорожке в
пределах критического диапазона длительностей (десятки
наносекунд) оказывается небольшим.
Следует напомнить, что оказывают влияние и
неучитываемые паразитные емкости катушек индуктивности. При п
параллельных выходах результирующая емкость
Ср = п С (ЮЛ)
и индуктивность
Lp = L/n. (10.2)
Кроме того, необходимо учитывать дополнительные емкости
связи (рис. 10.5, д, табл. 10.2). Эффективность принятых
решений проверяется экспериментально [10.11] и
устанавливается соответствие теоретически определенного коэффициента
ослабления R^x измеренному (табл. 10.3).
Рассмотренные схемы пригодны для их конструктивного
совмещения с универсальными разъемами, например в разъемах
ввода данных [10.4] или сетевых розетках, вилках [10.15].
Необходимо учитывать, что при этом очень короткие и
крутые импульсы помех требуют координации между емкостной
проводимостью разъема и чувствительностью устройства (см.
п. 10.3.4 и рис. 19.24). Большие по амплитуде, но короткие, т.е.
не очень опасные импульсы, обусловленные емкостной связью,
могут быть трансформированы шунтирующим конденсатором
в импульсы с меньшей амплитудой, но более длительные,
которые становятся помехой. В этом случае эффективно
демпфирование импульсов резисторами и стабилитронами.
237
Таблица 10.3.
простейших способов повышения эффективности
Защитные меры Без защитных
Схемы, параметры, воз- мер
действуюхциее
напряжение, напряжение
на выходе
Катушка индук- Шунтирующие
тивности L конденсаторы С
Схема
-3-D
-^ю
n
и.
HBP
Схема замещения
Коэффициент
ослабления i?vl=
л
со
Пример*
Li/La
1/500
1/250
Напряжение на выходе
при воздействующем
напряжении:
WO ZOOt,HC -j
Пример:* uQ
238
; * = 10.101вВ/с2; ^--
защитных мер в устройствах с гальва!
Вспомогательные
экраны S
Высокочастотные
фильтры С L
Комбинация экранов
и фильтров SCL
° 1ш
ЯВР
Hbf&S
44
La
к к
LiCk/LaCa
1/50
1/125000
1/3125000
j
WO 200ttHc О WO 2Щнс
* = 2-10-12Ф; Щ = 50-Ю"3 Ом; £'а
= 2,540"9Ф; С* = 20.10-12Ф.
239
10.2.4. Применение световодов
В линиях передачи измеряемых величин, сообщений и
команд управления между электронными устройствами,
пультом управления и коммуникационными устройствами
подстанции даже при их экранировании не исключены
напряжения помех, если полные сопротивления связей оболочек,
емкостные сопротивления параллельных линий или кажущиеся
сопротивления при эксцентриситете кабелей превышают
несколько десятков миллиом на метр (DIN VDE 0848, ч. 1). Чтобы
не прибегать к специальной прокладке линий на участках с
высокой интенсивностью помех, к многократному
экранированию, дополнительным разделяющим устройствам и
тщательному симметрированию, рекомендуется использовать
световоды [10,16]. К световодам предъявляются умеренные
требования по затуханию (рис. 10.14, 10.15), поэтому можно
использовать сравнительно дешевые устройства, поставляемые мно-
Коммутационное пом
Рис. 10.14. Пример использования световодов на подстанции [10.10]:
1-3 — линии измерительных сигналов, сообщений и управления; 4 —
преобразователь; 5 — оптическая связь; 6 — умножитель; 7 — оптический излучатель;
8 - реле; 9 — делитель; 10 - оптический приемник; И — блоки питания; 12 —
диспетчерская; 13 — оптический приемник; 14 - микроЭВМ; 15 — оптический
излучатель; 16 - магистраль данных; 17 - световоды (0,1-1 км; 1-10 дБ/км;
0,2-2 Мбит/с); 18 - сеть электропитания
Рис. 10.15. Взаимосвязь скорости
передачи информации Л и максимальной
длины / световодов без промежуточных
усилителей для подстанций ПО. 17]
tyu
w6
w3
A
<
•
,:
-r-h
\ .
I
240
10°
W1 W2 W3
10м
гими изготовителями, и упрощается их сервисное
обслуживание. При их выборе необходимо учитывать передаваемую
мощность и затухание, температуру [10.18]. Для этого
предпочтительно использовать необременительные расчетные оценки
(см. п. 10.5.4)*
Более высокие требования к затуханию и механической
прочности предъявляются к световодам, вмонтированным в
силовые кабели или в провода воздушных линий передачи,
используемых для обмена информацией между подстанциями
и сетевыми диспетчерскими управлениями.
10.3. Снижение проникших помех средствами
вычислительной техники
10.3.1. Логические барьеры
По аналогии с использованием логических барьеров между
источниками и приемниками помех на пути их
распространения (см. рис. 10.12) предусматриваются логические барьеры
внутри электронных схем в цепях их управления. При этом
ставится цель исключения ошибочного функционирования
(активных аварийных и опасных режимов) даже в том случае,
если часть схемы из-за помех работает ошибочно [10.19].
Основной принцип создания логических барьеров (рис. 10.16, а)
состоит в применении в устройствах с обычным управлением
двухполюсной настройки коммутационных приборов (рис. 10.16, б).
При электронном управлении логические барьеры
распределяют по контурам схемы с напряжением 5 В, промежуточным
контурам с напряжением 24 В и цепям управления с
напряжениями 60 или 220 В для того, чтобы как можно сильнее
ослабить логическую зависимость барьеров между собой и
исключить прозрачность нескольких логических барьеров при
возникновении систематической помехи. Например, для элек-
Рис. 10.16. Образование логических
барьеров в цепях управления:
а — принципиальная схема; б —
схема обычного двухполюсного
управления; в - схема управления
разъединителем с двумя логическими барьерами;
Slt S2 ... - импульсы управления; F —
функция; А - логическая селекция адресов; НТ - выключатель привода
разъединителя
тронных приборов, в которых предусмотрена только одна
функция, предположим, защиты от ошибочных включений [10.20],
достаточно простое и надежное решение состоит в
блокировке цепи управления, если позволяют условия.
Следовательно, в таких приборах к наиболее тяжелым последствиям
может привести деблокировка. Ошибочное управление может
возникнуть только тогда, когда одновременно производится
управление и, кроме того, команда на управление, исходящая
от оператора, ошибочна.
Логические барьеры предназначены для предотвращения
угрозы, что в большинстве случаев означает ориентацию на
блокировку (рис. 10.16, в).
Эффективность барьера гарантируется лишь тогда, когда
имеется возможность ее проверки путем диагностики. Так
как при испытаниях одного барьера, логическое состояние
которого изменяется, может оказаться поврежденным второй
барьер (иметь тривиальное повреждение), то оптимальным во
многих случаях представляется выбор трех логических
барьеров.
При диагностике fio мере надобности испытываются
крайние режимы логического барьера, например при отсутствии
сигнала или самопроизвольном срабатывании
коммутационного аппарата. Так, при управлении коммутационными
аппаратами для кодирования адресов путем сравнения
проверяется, сработал ли только нужный тракт, или наряду с этим
сигнал поступил и по ложным трактам FP, или же не сработала
ни одна цепь {КР на рис. 10.17). Сообщение о повреждении
Рис. 10.17. Пример декодирования
адресов в схеме управления
разъединителем:
DEK - декодер; НТ -
управление приводом разъединителя; М —
сообщение; V - устройство
сравнения; 1 - адрес; 2 - старт; 3 -
катушки устройств включения и
отключения
передается в вычислительную машину более высокой иерархии,
чтобы, по крайней мере, при ложном тракте FP поддерживать
остальные логические барьеры в закрытом состоянии.
10.3.2. Целесообразный выбор переходов состояний
Из числа возможных состояний режимов электронная
система при данной команде управления принимает требуемое
состояние Вп. Вследствие воздействия помехи это состояние
может исказиться в другое состояние Bf или перейти в
свободное состояние JF, которое не является рабочим [10.19] (рис. 10.18).
В то время как состояние Bf вызывает активное нарушение
требуемого функционирования (опасность), в состоянии F
наступают активные или пассивные нарушения
функционирования (помехи). Так как состояние F невозможно в
нормальном рабочем режиме, оно может идентифицироваться как
ошибочное. Задача состоит в том, чтобы требуемое рабочее
состояние Вп из-за помех не перешло в какое-либо состояние
Bf, особенно с большой вероятностью в различные ошибочные
состояния Fa или Fp (рис. 10.18).
Г 2 ~| Г 3 I
I I
Рис. 10.18. Внутренние состояния последовательной схемы и переходы
состояний z под действием команд управления и электромагнитных помех:
Вп — актуальное рабочее состояние; -By - неактуальное состояние; В1 —
блокировка; FQ — активное ошибочное состояние; F- — пассивное ошибочное
состояние; 1 - количество состояний последовательной схемы; 2 - выдача сигналов без
контроля состояний; 3 - выдача сигналов с контролем состояний; 4 - команды
управления; 5 - помеха; б— рабочее состояние; 7 — сигнал без помехи; 8 —
активные ошибки функционирования; 9 — пассивные ошибки
функционирования; 10-ошибочные состояния; 11 —контроль ошибочных состояний
243
Предполагая вероятности переходов одинаковыми, можно
считать, что вероятность перехода Р/ в аварийное состояние
зависит от отношения
Pf= nF/(nB + nF)9 (10.3)
где пр - общее число ошибочных состояний; пв - число рабочих
состояний.
Следовательно, для того, чтобы вероятность Pf отличалась
от единицы, рабочие состояния должны быть отделены от
промежуточных ошибочных на определенную дистанцию Хеммин-
га. Однако это стремление малоэффективно, если при
воздействии помехи ожидаются не случайные переходы, а
упорядоченное поведение схемы. Оно имеет место, если
предполагается предпочтительное логическое состояние или
определенное такое состояние, которое может вызвать режимы,
характерные для схемы, например накопление, подсчет или
смещение и т. п. (QA, QB, Qc, QD в табл. 10.4).
Таблица 10.4. Очередность смещений
4-битового регистра при ust= —6B [10.19]
Режим
состояния
0
5
2
1
6
Qa
н
L
L
L
L
QB
Н
Н
L
L
L
Режим схемы
Qc
н
н
н
L
L
Qd
н
н
н
н
L
Характеристики регулирования можно использовать так,
чтобы вызванные помехами переходы различались как
ошибочные. Для этого, например, предпочтительные состояния схемы
следует воспринимать не как рабочие, а как ошибочные или
использовать свободные входы данных для ошибочных
состояний.
10.3.3. Контроль состояний и распознавание ошибок
Если последовательная схема почти полностью загружена
рабочими состояниями, то с большой вероятностью под
воздействием помех наступают иные рабочие состояния. В этом слу-
244
Рис. 10.19. Использование дополнительной последовательной схемы для
контроля состояний:
Во - рабочее состояние; Ф (BJ - функция рабочего состояния; О — устройство
контроля; 1 — последовательная схема; 2 - дополнительная схема; 3 — сигнал
запирания; 4 — сигнал сообщения
Рис. 10.20. Разнесенный двойной регистр для запоминания рабе чих состояний:
Во + Bz - рабочее состояние; FD - деблокировка ворот данных; FS - деблоки-
ровка ворот управления; М - сигнал сообщения; 5 - запирающий сигнал; TS -
ворота управления; TD — ворота данных; U — устройство контроля; 1 — входы
данных; 2 - входы управления
Рис. 10.21. Фазовая модель работы последовательной
схемы:
2 — активная фаза; 2 — запоминающая фаза; 3 —
рабочая фаза
чае предпочтительно дополнить последовательные части
схемы логическими состояниями Bz. Если приписать каждому
рабочему состоянию Во с функцией Ф отчетливое состояние из
запаса дополнительных Bz = Ф(£о), то это позволяет
образовать для каждого требуемого рабочего состояния общую схему
с Ба = Во, 5Z = Во, Ф(£о)- Тем самым все не относящиеся к
функции Bz и Во становятся различимыми ошибками.
Контрольным устройством можно определить, выполняется ли
функция ф (рис. 10.19). Например, можно выбрать в качестве
функции преимущественные состояния, равные Bz = Во. Тем
самым можно раздельно ввести рабочие состояния на торы
данных двойного регистра (рис. 10.20). Далее рекомендуется в
течение неактивной фазы последовательной схемы (рис. 10.21)
245
ввести на входы данных легко распознаваемые ошибочные
состояния. Устройство контроля может блокировать
активные ошибочные состояния только спустя время цикла tz .
Времена циклов составляют десятки наносекунд в комбинаторных
схемах и могут достигать сотен микросекунд в громоздких
последовательно работающих схемах с контролем алгоритма.
В течение рабочей фазы цикл контроля автоматически
запускается и регулярно повторяется.
10.3.4! Установление допуска ошибок путем
использования избыточности
Описанные ранее мероприятия позволяют обеспечить
высокую надежность борьбы с активными нарушениями
функционирования и обусловленой ими опасностью. Такого рода
активные ошибки с высокой вероятностью распознаются и
преобразуются в пассивные ошибки, помехи. Повышенная вероятность
блокирования опасного состояния подразделяется на уровни
путем использования принципа избыточности. Всегда
блокировка опасного состояния имеет приоритет по отношению к
задержанным состояниям, помехам. Упорядочивание для
каждой функции производится дифференциально. Например,
на подстанции высокого напряжения можно ожидать
опасности повреждения системы управления разъединителями
при активных ошибках функционирования и срабатывания
системы защиты при пассивных.
Избыточность обеспечивается многократным повторением
функционирования (последовательная избыточность) и
построением системы т из п (т < п) связанных частичных систем
(параллельная избыточность). При этом необходимо
учитывать, что последовательная избыточность пригодна для
работы только с помехами, а параллельная - и с повреждениями.
Примером этого является многократная автоматическая
выдача импульсов управления и создание двух равноценных
частичных систем [10.21, 10.22].
В дальнейшем допуски ошибок в значительной мере будут
обеспечиваться корректирующими микросхемами [10.23].
Также возможна координация стохастических воздействий
помех (U, s) и стохастической помехоустойчивости путем
соответствующего выбора типов схем (рис. 10.22). Исходя из
плотности вероятности/ (Umax, s) достигается при помощи схемы
246
Рис. 10.22. Возможности снижения
вероятности Р ошибки, вызванной
напряжением помехи Ust'<
а - зависимости вероятности Р от
максимального значения Usimax
напряжения помехи; б — зависимости
вероятности Р от скорости изменения
напряжения помехи; I — влияние
защитных схем; 2 — повышение
устойчивости к повреждениям; 3 - повышение
помехоустойчивости соответствующими
элементами; 4 - снижение паразитных
емкостей связи (пропускаются лишь
очень крутые импульсы); 5 - снижение
чувствительности схемы; f(s) —
плотность вероятности; F(s) -
интегральная функция распределения
Помехоустойчибость Ss/
/ / /Wj
Воздействие / / /щ
помехи /_ / /воет к \
J / /оазоишеним
\ у контура
\fAns)
» ^ Ср-прозрашсть
04k
с предпочтительными функциями распределения F
и F(s) малая вероятность ошибки
И f(Umax,s)F(Umax,s)dUmaxdx.
о
(10.4)
Например, для обычных емкостных связей (см. § 10.4,
табл. 10.1) и при использовании TTL-техники имеет место
относительно большой диапазон скоростей изменения сигналов
(рис. 10.22, б)у в котором становятся возможны ошибки за счет
прозрачности разделительного элемента и чувствительности
этой схемы. Снижением чувствительности схемы уменьшается
и вероятность ошибки.
10.4. Борьба с проникшими помехами программными
средствами
10.4.1. Постановка задач
Проникшие помехи в устройства микропроцессорной
обработки сигналов могут быть устранены или ослаблены
программными средствами. Проникшие помехи проявляются лишь б
последовательных схемах,
в которых переходные процессы,
247
вызванные помехами, могут изменить состояния или
частично разрушить память данных или программы. В результате
могут иметь место реализация программы с искаженными
данными или непредусмотренные в программе действия.
Основными задачами программных средств борьбы с
помехами является их распознавание [10.24 - 10.26], а также
устранение ошибочного функционирования, например, путем
задержки на допустимое время команд исполнения.
10.4.2. Распознавание искажения данных
Искажения данных вследствие помех могут возникать при
повреждениях в памяти, изменениях состояния данных или в
процессе считывания из памяти.
Простейшим тестом "запись - считывание" оперативной
памяти (RAM) распознаются длительные ошибки в памяти при
точной их локализации. Исправление ошибок осуществляется
немедленным стиранием поврежденных участков с
последующей заменой (табл. 10.5).
Если данные записаны с паритетом, то ошибка может быть
легко обнаружена проверкой паритета и исправлена с помощью
избыточности. Важные данные записываются с избыточностью
и с разнесением (например, х + х), чтобы исключить
наложение ошибок при систематических повреждениях в общей
системе. При запоминании на соседних участках памяти может
иметь место двойная ошибка с противоположной
характеристикой отказа, например в одном контуре "0", а в другом - "1".
Избыточная память с разнесением часто предпочтительна,
так как она не требует расчленения областей памяти. Само
собой разумеется, что при этом необходимо учитывать
характеристики регулирования при отказах (см. п. 10.3.2). Например,
однократное осуществление "смещения" вследствие одной
помехи может привести к тому, что память с адресом 55Н и
избыточное содержание памяти £ ААН преобразуются в
дополнительные величины ^ ААН или 55Н. Искаженные данные
возникают и при проверке разнесения, и такие ошибки
неразличимы указанным способом. Поэтому нельзя применять
состояния 55Н и # ААН, кроме 00 и 0FFH в качестве рабочих,
например адресов приборов, команд на коммутации или
семафоров.
Проверка памяти проводится циклически, и она предусмат-
248
Таблица 10.5. Мероприятия по обнаружению и исправлению
искажений данных
Область
Распознавание ошибок
Устранение ошибок
Ввод данных
Запоминание
Проверка правдоподобности
Избыточность и
разнесение
Вывод данных
Избыточность и
разнесение с соблюдением
режимов работы
Предотвращение
определенного сочетания данных
рабочих состояний,
например, OO,OFFH, 55H,OAAH
Проверка инвариантности
Проверка
запись—считывание
Сравнение результатов
разнесенных алгоритмов
Связка 2 из 2
UC+UQ)
ИзбыТОЧНОСТЬ (Цд, Ufr,
(2-битовые состояния)
Последовательные
сопоставления бинарных величин
Цифровые фильтры
аналоговых величин
Проверка состояний вместо их
переходов
(Перепроверка)
Сопоставление с сигналами
блокировки в стадии покоя (см.,
например, рис. 10.21 и § 10.3)
Избыточность
Переключение #АМ-областей
с последующей их заменой
Связка 2 из 3
Установление допусков для
выходных трактов
ривается в программе с низким приоритетом и
осуществляется лишь тогда, когда система не занята функциональными
операциями. Время циклов таких тестов Тр и временной
интервал по требованиям функционирования Ту определяют
вероятность того, что ошибка не будет распознана (рис. 10.23):
Р * Е(Гр)/£(Т)), Е(Тр) <£(!)),
(10.5)
где Е (Т) - ожидаемое значение случайной величины Т.
Даже если цикл для полного испытания при высоких
требованиях функционирования нельзя сократить, все же можно
достигнуть снижения этой вероятности за счет частичного
контроля наиболее важных данных непосредственно перед
осуществлением функции (рис. 10.23):
Р* tA/E(Tf), *д «£(!)).
(10.6)
249
Цикл испытании
i
Цикл
функционирования П1
и
ш
rf
Стохастический
помеха
HS53
Ошибка
распознана
Ошибка не
распознана
Рис. 10.23. Пояснение эффективности испытаний на помехоустойчивость:
Ту - интервал между двумя циклами функционирования; Тр - интервал
между двумя испытаниями,- *д - разница времени между испытанием и
последующий функционированием (приблизительно равна длительности испытаний)
Содержание данных периферийных контуров при высоких
требованиях по надежности должно многократно считываться
и в течение десятков миллисекунд сопоставляться (табл. 10.5).
Отдельный контроль фронтов при переходах из одного
состояния в другое лучше выявляет помехи. Для информации о
состояниях схемы, например о положениях разъединителя,
используются сообщения "Включено" и "Выключено". При этом
можно различить исчезновение напряжения сигнализации в
течение нескольких секунд, когда контакты находятся в
промежуточном состоянии (табл. 10.6, [10.27]).
Таблица 10.6. Режим работы выключателя и его системы
управления (Я - высокий потенциал; L - низкий потенциал)
Положение
главных контактов
Отключено
Включено
Любое
промежуточное
положение
Вспомогательные контакты системы
сигнализации
Контакт 1
Логика Уровень
0
1
0
1
Я
L
Я
L
Контакт 2
Логика Уровень
1
0
0
1
L
Н
Я
L
Напряже-
- ние
сигнализации
Отказа нет
Отказ
250
10.4.3. Обнаружение искажения программы
Искажения программы могут привести к нарушениям цикла
(например, к перерывам) или к отключениям во время
вычислений (например, к появлению бесконечных циклов, табл. 10.7).
При нарушениях в системе команд переход из нормальных
режимов в критические может быть предотвращен, если
программа предусматривает проверку правильного
функционирования системы управления. Для более легкого восприятия
Таблица 10.7. Обнаружение и устранение ошибок в программе
Вид ошибки Обнаружение ошибки
Устранение ошибки
Отклонение Сравнение начала и конца
хода решения решения задачи
Перепроверка сигналов
магистрали
Контроль стека
Проверка памяти
Контроль напряжения
питания
Без обнаружения
Без обнаружения
Контроль частоты
повторных запусков при решении
скрытых задач с низким
приоритетом, рутинное
обнаружение ошибок
Без обнаружения
Отклонение
во времени
Контроль времени хода
программы
Без обнаружения
Повторное включение
Приведение в исходное
состояние
Установление основного состояния
Запрет функционирования,
избыточность
Срочная программа до сброса
Ориентация на использование
свободной памяти для
разветвления при повторном запуске
Циклическая установка
основных состояний (El, RETI,
ср. с табл. 10.9)
Повторный запуск
Наиболее важные данные
считывать не из постоянного
запоминающего устройства, а из
оперативной памяти, блокирующие
данные вводить во время
неактивной фазы
Сброс
Не допускать зацикливания
синхроимпульсов или
выдаваемых значений
251
этого в табл. 10.8 приведен простейший пример системы
управления 8-битового компьютера. Если не вся неиспользуемая
память заполнена командами, то любое случайное
отклонение программы может быть обнаружено в этой памяти и
исправлено путем повторного запуска цикла. В микропроцессорах
команда на повторный запуск координируется с возможными
ошибочными состояниями памяти (например, с наличием
данных во внешних устройствах памяти). При
неконтролируемых отказах критической программы это простейшее
мероприятие (Например, при исполнении подпрограммы САРЕ,
табл. 10.8) неэффективно. В этих случаях необходимо
обеспечить, чтобы до распознавания ошибки не возникло активного
нарушения функционирования (например, не была выдана
команда управления) и чтобы ошибка была обнаружена в
течение приемлемого времени в цепях ограничения замедления
времени реакции исполнительной системы.
Неконтролируемая выдача команд управления
ограничивается, если адреса коммутационных устройств, команд
управления и выходных схем считываются не в виде
непосредственных констант памяти программы, а считываются и
сравниваются при реализации рабочей программы с избыточностью и
разнесением. В течение неактивной фазы выдачи команд
управления (см. рис. 10.21) в память вводятся согласованные
ошибочные состояния, что приводит при нарушениях критической
программы к блокированию выходов и к включению
программы анализа ошибки.
Схема контроля временного хода программы распознает
ошибки программы по времени выполнения циклов
(например, по появлению бесконечных циклов) и осуществляет
повторный запуск системы с использованием соответствующих
технических вычислительных средств повторного включения.
Применение для этого СТС-каналов позволяет избавиться
от бесконечных циклов путем запрета прерывания. Запуск
схемы контроля должен производиться лишь в моменты,
соответствующие основным состояниям системы, например при
опросе контрольного состояния очередности (табл. 10.9).
Промежуточного включения таких команд на запуск при
длительных задачах необходимо избегать, так как появляется
опасность попадания этих команд в бесконечные циклы и тем
самым подмены схемы контроля. Поэтому длительные- задачи
целесообразно разбивать на короткие, в которых и использовать
запуск схемы контроля.
252
2 2
Е о
и
<! ю
h
ig
g
5
* S Ъ
m о
ss &
I S
; s
t fc U,
О
*-» -и д IcJ
О ь. S Iw
д Q
О ь № ы
0
О О i-i О О
о о т^ ^ pq
О О >-< т-н ^-i
О тН «ч О О
О »Н гн »-1 О
Г1 -1 CQ Q Q
U d< b Ы 7
ou oi ^
PP3 g
(ju,
< <* О
U
< <^ О
N W Ю
>>
о.
1& Sf
Hi
ii
Sft
О
II
I
g
&
a
253
к
\о
«J
н
<D
s
X
4)
К
О
п
о
0Q
D!
254
Таблица 10.9. Периодический запуск схемы контроля
и воздействия на коммуникацшншую схему
Рабочая система
Программа,
Объект воздействия
Отработка
очередности обслуживания
CALL
1
j Задача v
— Возврат
Основное состояние
CALL
Указатель готовности
' Отмена
1 Запрет прерывания
Возврат из процедуры
прерывания .
I Задача ц
Функционирующие
приборы
Схема контроля,
сигнализация
Микропроцессор
Периферийные
коммутационные цепи
Функционирующие
приборы
10.4.4. Установление допусков помех с использованием
избыточности
Повторный запуск системы вызывает при случайных ошибках
запаздывание функционирования. При прерывистых или
длительных ошибках можно путем анализа частоты появления
помех при повторных запусках принять решение, продолжать ли
режим с ограниченным функционированием, переключить или
выключить участок памяти или предпринять переключения с
передачей функций на избыточные элементы. Длительность
обнаружения ошибки сокращается путем установления
допусков помех. Искажения содержания памяти можно распознать,
внутренним запоминанием 9 бит, т. е. введением паритета на
бит или слово, и скорректировать избыточным запоминанием
по крайней мере в двух областях памяти [10.28, 10.29].
Многократные искажения элементов памяти вследствие
недопустимых снижений напряжения предотвращаются контро-
255
лем напряжения. При увеличении или уменьшении
напряжения в одной из систем во всех остальных системах
напряжения отключаются, и устройство приторного включения
приводит все системы в начальное состояние. Чтобы
подготовить в этом состоянии, например, блокирование команд
управления и спасти важнейшие параметры системы в
защищаемом участке памяти, необходимо контролировать
напряжение сети. При превышении порогового значения можно
быстро, путем изменения хода программы, выполнить
предписанные шаги прежде, чем исчезнут напряжения системы. Тем
самым облегчается последующее повторное включение. Для
надежной выдачи команды, например на управление
разъединителем, необходимо иметь, по крайней мере, две цепи
управления (как и при образовании логических барьеров, см.
п. 10.3.1). Эта избыточность должна реализовываться при
разработке программы от запоминания данных и по выдачи
сигнала с использованием разнесения. Разнесение в программах
реализуется различными путями: от размещения программ
на различных участках памяти до программирования
разными разработчиками.
Установление допусков ошибок требует также жесткости
программы. Входные данные имеют обычно временные
ограничения. Всегда можно предусмотреть, в зависимости от
прошедших контрольных циклов программы, дальнейшее ее
осуществление или возврат в исходное состояние системы с
соответствующей сигнализацией об ошибке. Если из-за влияния
ошибки (например, искажения команды управления) не
происходит возврат в исходное состояние периферийного контура
из состояния задержки или если процессор не вырабатывает
сигнал на устранение запрета на задержку, то это
заторможенное состояние может быть устранено циклической отработкой
команды управления в процессе реализации основного
состояния (см. табл. 10.9).
Если провода шин данных постоянно подвергаются помехам,
то специальными программными средствами можно ввести
динамическую остановку программы или повторение обработки
ее циклов [10.30].
10.5. Проверка эффективности мероприятий по обеспечению
электромагнитной совместимости
10.5.1. Особенности и проблемы проверки
При разработке и внедрении микроэлектронной техники
управления меры по обеспечению электромагнитной
совместимости предусматриваются начиная с создания концепции
системы, так как последующее совершенствование этих мер при
проведении типовых испытаний требует увеличения затрат
не менее чем на три порядка, а возможные ущербы при
недостаточной совместимости могут превысить на три порядка
требуемые затраты. В зависимости от состояния разработки
различают испытания в процессе проектирования, типовые
испытания на месте эксплуатации. Применительно к
рассматриваемой, в данной области техники возникают специфические
особенности и проблемы, которые необходимо учитывать при
подготовке испытаний и оценке их результатов [10.31]:
Эффективность мероприятий по повышению устойчивости
одного из барьеров оценивается при испытаниях путем
наблюдения функциональных ошибок совместно с действием других
барьеров (см. рис. 10.12), поэтому ее нельзя однозначно
отнести к рассматриваемому барьеру;
наступление нарушения функционирования вследствие
выхода из строя элемента схемы может быть задержано во
времени или замаскировано за счет влияния других барьеров;
в процессе функционирования электронных схем
(технических электронных устройств и программ) существуют фазы с
различной чувствительностью к помехам (см. рис. 10.21).
Поэтому при испытаниях необходимо обеспечить воздействие помехи
с достаточной частотой повторения в течение критических
рабочих фаз. Для этого часто оказывается недостаточным
простой переход на серии, пачки импульсов.
Из сказанного следует, что испытания на
помехоустойчивость высоконадежных электронных приборов должны быть
специально подготовлены как с учетом возникновения помех
в объекте, так и при формулировке цели испытаний.
10.5.2. Основы и модели испытаний
Так как внутри электронного прибора функционируют
комбинаторные и последовательно работающие схемы и
реализуются алгопитмы. то на основе общих моделей барьеров (см.
257
Напряжение
импульсной по-
мехи
Барьеры Элемент
Барьеры Условия Ворота
та
К
Последовательный
$
Алгоритм
А
flpuffop
Сообщения
Ошибка
функционирования
(Ъ)
Рис. 10.24. Модель для пояснения возникновения ошибок функционирования
электронного прибора:
А — алгоритм; В — условия открытия ворот; Е — ошибочный результат
алгоритма; Fv - ошибка функционирования прибора, обусловленная компонентами
V, I ошибочной информации комбинаторной схемы К; S - последовательная
схема; Г —ворота; ust — напряжение внешней помехи; Z - ошибочное состояние
последовательной схемы; Z* - ослабленная барьерами помеха, например
напряжение и* после второго барьера; Z** - дополнительно ослабленная помеха
в результате влияния ворот (X = Е, J, Z)
рис. 10.12) можно разработать детальную модель
возникновения функциональных повреждений прибора (рис. 10.24). Цель
модели - определить, является ли повреждение FA, например
ошибочная выдача сигнала микроэлектронными
управляющими приборами следствием воздействия напряжения
помехи Ust, ослабленного до напряжения U* барьером 2 и
вырабатывающего в комбинаторной схеме ошибочную информацию /
или ошибочное состояние Z в последовательной схеме,
влияющее на алгоритм и, в конце концов, вызывающее ошибочный
результат Е. В этой цепочке соответствующие воздействия
могут быть ослаблены барьерами и вентильными схемами.
Влияние временных условий в вентильных устройствах и
протекание рабочих процессов в последовательных схемах можно
учесть в простейшей модели помех (рис. 10.25). В ней
предполагается, что цепь повреждается лишь при превышении
длительности импульса *ь, зависящей от типа схемы.
Вероятность минимального совпадения испытательного импульса и
258
Рис. 10.25. Влияние временных интервалов на воздействие импульсных помех:
I - влияние первого барьера (снижение частотности импульсов помех); 2 -
влияние первого и второго барьеров (снижение амплитуды импульсов помех);
tQ — временной интервал между двумя импульсами помех; tc — длительность
импульса помехи; tf - длительность исполнения функции; tges — общая
длительность; tk - критический интервал при исполнении функции (рабочая фаза
последовательной схемы); tv— время запаздывания наблюдаемой ошибки
функционирования относительно момента воздействия помехи на схему (время
реализации алгоритма); tz - длительность цикла функционирования
длительности функционирования tf [10.32] определяется как
1-1-
ges
'ges
1-
(10.7)
где временные параметры соответствуют приведенным на
рис. 10.25.
Если учесть фазовую модель (рис. 10.21), то становится
ясным, что в пределах длительности функционирования tf
(например, длительности цикла), существуют неактивные фазы
последовательной схемы. Таким образом, решающим является
появление по крайней мере одного импульса помехи в
течение критической длительности tk. Если вероятность этого
1-1-
(10.8)
при tc > tb и ffc > % недостаточно велика, то помехоустойчивость
возрастает. Для подготовки объекта к испытаниям и оценки
результатов испытаний оказываются решающими не все кри-
259
тические рабочие фазы щ и испытательные импульсы пс,
существующие в течение времени испытания tges
Приближенно
Ч * tges/tz; пс * tges /ta: (10,9)
Лишь усредненное количество испытательных импульсов
л = (tk + tc-2tb)tges/tzta (10.10)
при fy > tb и £с > tb9 приближенно равное (*ь< ^с^^):
в общем случае может быть использовано для проверки
эффективности мероприятий по обеспечению электромагнитной
совместимости. Таким образом можно установить, достаточна ли
длительность испытаний.
Например, пусть рабочее время функционирования
коммутационного устройства с микроэлектронным управлением
составляет 200 мс. В течение длительности испытаний tges = 60 с
можно принять длительность цикла управления tz = 500 мс.
При испытательном импульсе длительностью tс = 100 не в
течение ta = 1 с из (10.8) вероятность Pf * 1, т. е. во время
испытаний, по крайней мере, один испытательный импульс
приходится на время функционирования. Влияние снижения
минимальной длительности помехи до ^ % 20 не пренебрежимо мало.
При более точном рассмотрении критической длительности
t^ = 400 мке во время функционирования вероятность
согласно (10.10) Рь ** 5- Ю~2. Следовательно, нельзя гарантировать,
что хотя бы один испытательный импульс совпадет с
критической фазой функционирования и результаты испытаний
замаскируют фактическую совместимость. Переход к
повторяющимся испытательным импульсам с частотой 100 Гц (ta = 10 мс)
не дает существенного результата, так как
пс = 60/0,01 = 6000.
Количество испытательных импульсов
пк = 60/0,5 = 120,
260
а совпавших с критической фазой
60
п = (400 • 10~б + 100 • 10"9 -40 • 10"9) * 5,
0,5 • o,oi
т. е. используются лишь пять импульсов для испытаний на
помехоустойчивость. Лишь изменение длительности
функционирования во время испытаний до значения менее 500 мкс при
помощи специальных испытательных программных средств
позволяет снизить время цикла до tz * 1000 мкс. Этим
достигается увеличение количества импульсов, пригодных для
испытаний, до л = 2400 (из общего числа 6000 за время
испытаний 60 с), достаточного для приближенной оценки
эффективности мероприятий по обеспечению электромагнитной
совместимости.
10.5.3. Стратегия испытаний
Из модели возникновения функциональных повреждений
прибора (рис. 10.24) ясно, что подтверждение
помехоустойчивости отдельных элементов прибора годится лищь для
условий оценки специальных мероприятий при помощи
определенного барьера.
При типовых испытаниях стратегия их проведения зависит
от того, воспринимается ли влияние первого барьера
аналогично влиянию второго. Во многих случаях это определяется тем,
блокирует ли третий барьер только активные ошибки
функционирования из-за пассивных ошибок или снижается
влияние пассивных ошибок с помощью избыточности.
Непосредственное испытание второго барьера достигается
только при введении в схему подходящих сенсоров, не
оказывающих обратного воздействия. Косвенное испытание
возможно, если ошибочное состояние чувствительных прследователь-
ных элементов различимо извне или если второй и третий
барьеры реагируют на эти состояния с довольно высокой
вероятностью и генерируют сигнал, достаточный для дальнейшей
обработки.
Непосредственное испытание третьего барьера
предположительно можно было бы проводить, получая сигнал путем
манипуляций состояниями последовательной схемы. Такое
предположение возможно при наблюдении изменений
состояний в результате нагрузки испытательным напряжением и*
или наложения испытательного напряжения ust на внешние
261
выводы прибора, если в процессе испытаний заблокировать
действие второго барьера (рис. 10.24), •
При типовых испытаниях может иметь значение и
совместное испытание второго и третьего барьеров. Для этого на
входные цепи прибора подается воспроизводимое напряжение
помехи ust и оцениваются вероятности ошибок
функционирования Fs и FA (рис. 10.24).
10.5.4. Виды испытаний
Объем испытаний должен подтвердить поддержание
надежности функционирования и точности работы управляющих уст-
Таблица 10.10. Сводная таблица испытательных норм электромагнитной
к стандартным испытаниям согласно DINVDE 0435, напряжением 2кВ
С 3730, BS 142(82), § L3 и 1.4]
Вид испытаний
Форма им-* Частота, дли- Амплиту- Энергия
пульса тельность да, кВ ^ импульса,
Дж
Испытания изоляции
класса С
1,2/50 мкс -
5 вдоль 0,5
и поперек
Разряды статического
электричества
5/30 не
Испытания изоляции
класса III напряжением
частотой 1 МГц
Быстрые переходные
процессы, серия
импульсов
5/50 не
Затухающие 2,5 вдоль,
импульсы 1 поперек
с частотой
повторения
400 Гц
2,5/5 кГц, 2-4
15 мс
Электромагнитное
поле, искра
68-87 МГц
146-174 МГц
420-470 МГц
ройств на подстанции при воздействии возможных помех [10.33,
10.34] (табл. 10.10).
Рекомендуется после ввода в эксплуатацию опытных и
базовых устройств использовать их длительную работу, чтобы
проконтролировать проницаемость отдельных барьеров.
Результаты такого самоконтроля систематически анализируются.
Например, для оптических линий можно различить снижение
передаваемой мощности или увеличение затухания в кабеле
и влияние помех на оптический приемник путем
непосредственной регистрации битовой информации во время
эксплуатации. По частоте ошибочных бит (рис. 10.26, а) определяется их
совместимости микрол;
50 Гц в течение 1 мин
Напряжен- Сопротив-
ность по- ление
ля В/м
источника, Ом
500
150
200
50
10
юцессорной
для класса
Объект
воздействия
Все
вторичные линии
Лицевая
сторона
прибора
Все
вторичные линии
Последовательные
линии
Все
приборы
техники управления [в дополнение
изоляции С; DXN VDE0160 и ANSI
Нормы МЭК
2555-4
2555-5
2555-6
801-5
41В (СО)44
(ноябрь 1987 г.)
255-22-2
(1989 г.)
801-2
(1984 г.)
255-22-1
(1988 г.)
255-4
255-6
«В (Sec) 64
(май 1988 г.)
41В (СО)53
(сентябрь 1990 г.)
801-4 (1988 г.)
41В (СО) 46
(ноябрь 1987 г.)
255-22-3
(1989 г.)
801-3 (1984 г.)
Немецкие
индустриальные нормы
VDE 0435 Т. 303
(сентябрь 1984 г.)
МЭК 41В (СО) 44
(март 1988 г.)
VDE 0843 Т.4
(сентябрь 1987 г.)
VDE 0435 Т.303
(сентябрь 1984 г.)
VDE 0843T.4
(сентябрь 1987 г.)
МЭК 41В (СО)46
(июнь 1988 г.)
VDE 0843 Т.З
(февраль 1988 г.)
VDE 0871
263
35
30
25
%20
%т
%5
г;
/
0
f
/
У
Inapumen
ная ouiud
£j/ac
л
J*
г1
|
J
Jk
la
J
J
/
/r
r1
1
J
J"
IT
<? /^/f /4 tf /<? ^ff ^
2 2 1384
В 610121416 vacb/
3.2.1904 Время
)
0 50 100 мин
Интервал между ошибочными
битами (Г)
Рис. 10.26. Пояснение регистрации и оценки ошибок при длительной работе:
а - регистрация ошибочной битовой информации; 6 - функция
распределения интервалов между ошибочными битами; сплошные линии — измеренные
данные; штрихпунктирные — экстраполяция экспоненциальным
распределением
закон распределения (рис. 10.26, б)., Значимое отклонение
функции распределения на малых интервалах указывает на
названные причины.
Большое значение имеет контроль состояния барьеров на
путях распространения помехи при каждой операции
(например, управлении исполнительными механизмами).
Распознанная ошибка обрабатывается компьютером и может быть
использована для целенаправленного ограничения
функционирования, если ожидаемый ущерб при ошибочном
функционировании окажется большим, чем при предотвращении
функционирования (координация между безопасностью и
надежностью).
10.6. Системное обеспечение электромагнитной
совместимости
На подстанциях 380 кВ соединения между периферийной
электроникой каждого распределительного устройства
высокого напряжения и компьютером, обрабатывающим
информацию в помещении диспетчерской, осуществляются
световодами. По световодам передаются также команды управления
аппаратами и сигналы всех аналогово-цифровых
преобразователей. Этим обеспечивается временное считывание всех
264
I
I
&
О
I
й X
я о
и
S о* °
n
Рис. 10.28. Система управления LSA для коммутационных устройств [10.35]:
I — устройство управления; 2 - устройство сообщения; 3 - устройство
протоколирования; 4 - устройство регистрации помех; 5 - последовательная связь;
6 - центральный прибор защиты; 7 - связь с диспетчерской; 8 - центральное
управляющее устройство; 9 - станционная защита; 10 - устройство ответвления
защиты; 11 — местные коммутационные приборы; i2 — защита ответвлений; i3 —
бинарные входы и выходы; i4 — аналоговый вход; 15 — команды управления,
сигналы указателей положений; 16 — сигналы о наличии помех; 17 —
измерительные трансформаторы; 18 - трансформаторы защиты; i9 - сигналы указателей
положений; 20 - коммутационные устройства; 21 - управление сетью
измеряемых величин на всей территории подстанции
(рис. 10.27), Система выполняется с избыточностью, и при
помощи барьеров и многократного самодиагноза достигается
высокий уровень электромагнитной совместимости [10.11, 10.19,
10.31]. Внедрение цифровой защиты позволяет реализовать
все функции на подстанции на цифровой основе [10.35].
Характерной чертой высокой электромагнитной совместимости
являются прочные и эффективные соединения между процесс
сорными элементами, реализация принципа "обходных
проводников" в блокирующих устройствах (рис. 10.28) и гармоническое
экранирование между силовыми цепями и устройствами.
Все это показывает, что безопасность и надежность,
овладение принципами обеспечения совместимости являются
определяющими критериями концепции развития и
внедрения техники управления и защиты на подстанциях.
266
Приложение 1. Стандарты МЭК
Публикация 106. Рекомендуемые методы измерения помех,
излучаемых и наводимых в сети питания, от
радиовещательных AM и ЧМ сигналов и от телевизионных приемников.
Публикация 244-6. Методы измерения параметров
радиопередатчиков. Ч. 6. Излучения от шкафов в диапазоне 130 кГц -
1 ГГц.
Публикация 255-22. Испытания электрической помехой для
измерительных реле и устройств защиты.
Публикация 384-14. Конденсаторы постоянной емкости для
электронной аппаратуры. Ч. 14. Групповые технические условия
на конденсаторы постоянной емкости для подавления
радиопомех. Выбор методов испытаний и общие требования.
Публикация 478-3. Источники постоянного тока
стабилизированные. Ч. 3. Методы испытаний на радиопомехи.
Публикация 801-1. Электромагнитная совместимость средств
измерения и управления промышленными процессами. Ч. 1.
Общие сведения.
Публикация 801-2. Электромагнитная совместимость средств
измерения и управления промышленными процессами. Ч. 2.
Требования к электростатическим разрядам.
Публикация 801-3. Электромагнитная совместимость средств
измерения и управления промышленными процессами. Ч. 3.
Требования по излучаемому электромагнитному полю.
Публикация 801-4. Электромагнитная совместимость средств
измерения и управления промышленными процессами. Ч. 4.
Требования к электрическим быстро протекающим
процессам.
Публикация 1000. Технический отчет. Электромагнитная
совместимость. Ч. 1. Общая. Ч. 2. Внешняя среда. Ч. 3. Пределы
(эмиссий и устойчивости). Ч. 4. Технология контроля и
измерения. Ч. 5. Директивы по монтажу и обслуживанию. Ч. 6. Разное.
Публикация СИСПР № 11. Нормы и методы измерения
радиопомех от промышленных, научных и медицинских высокочас-
267
тотных установок (за исключением аппаратов для
электрохирургии).
Публикация СИСПР № 12. Нормы и методы измерения
радиопомех от самоходных средств, моторных лодок и устройств,
снабженных, двигателями с искровым зажиганием.
Публикация СИСПР № 13. Радиовещательные и
телевизионные приемники. Нормы и методы измерения радиопомех и
помехозащищенности.
Публикация СИСПР № 14. Нормы и методы измерения
характеристик радиопомех от бытовых электроприборов, переносных
инструментов и аналогичных электроустройств.
Публикация СИСПР № 15. Нормы и методы измерения
характеристик радиопомех от люминесцентных ламп и
светильников.
Публикация СИСПР № 16. Технические условия СИСПР на
измерители радиопомех и методы измерений.
Публикация СИСПР № 17. Методы измерения характеристик
пассивных помехоподавляющих фильтров и компонентов.
Публикация СИСПР № 18. Радиопомехи от воздушных линий
электропередачи и высоковольтного оборудования.
Публикация СИСПР № 22. Нормы и методы измерения
характеристик радиопомех от информационного оборудования.
Приложение 2. Государственные стандарты
ГОСТ 12.4.124-83. Средства защиты от статического
электричества. Общие технические требования.
ГОСТ 9021-88. Приемники телевизионные. Методы измерения
параметров.
ГОСТ 9783-88. Аппаратура радиоэлектронная бытовая.
Методы электрических высокочастотных измерений.
ГОСТ 11001-80. Приборы для измерения индустриальных
радиопомех.
ГОСТ 14777-76. Радиопомехи индустриальные. Термины и
определения.
ГОСТ 12252-86. Радиостанции с угловой модуляцией
сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры,
технические требования и методы измерений.
ГОСТ 13109-87. Электрическая энергия. Требования к
качеству электрической энергии в электрических сетях общего
назначения.
268
ГОСТ 13661-79. Элементы и фильтры для подавления
индустриальных радиопомех. Методы измерения вносимого
затухания.
ГОСТ 5238-81. Установки проводной связи. Схемы защиты от
опасных напряжений и токов, возникающих на линиях.
ГОСТ 16842-82. Радиопомехи индустриальные. Методы
испытаний источников индустриальных радиопомех.
ГОСТ 17822-91. Совместимость технических средств
электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от устройств с
двигателями внутреннего сгорания. Нормы и методы
испытаний.
ГОСТ 19492-74. Радиокомпасы средневолновые
автоматические. Основные параметры. Технические требования.
ГОСТ 19542-83. Совместимость вычислительных машин
электромагнитная. Термины и определения.
ГОСТ 19705-89. Системы электроснабжения самолетов и
вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии.
ГОСТ 21177-82. Радиопомехи индустриальные от
светильников с люминесцентными лампами. Нормы и методы испытаний.
ГОСТ 21552-84. Средства вычислительной техники. Общие
технические требования, приемка, методы испытаний,
маркировка, упаковка, транспортирование и хранение.
ГОСТ 22012-82. Радиопомехи индустриальные от линий
электропередачи и электрических подстанций. Нормы и методы
измерений.
ГОСТ 22505-83. Радиопомехи индустриальные от
приемников телевизионных и приемников радиовещательных
частотно-модулированных сигналов в диапазоне УКВ. Нормы и
методы измерений.
ГОСТ 23450-79. Радиопомехи индустриальное от
промышленных, научных, медицинских и бытовых высокочастотных
установок. Нормы и методы измерений.
ГОСТ 23511-79. Радиопомехи индустриальные от
электротехнических устройств, эксплуатируемых в жилых домах или
подключаемых к их электрическим сетям. Нормы и методы
измерений.
ГОСТ 23611-84. Совместимость радиоэлектронных средств
электромагнитная. Термины и определения.
ГОСТ 23872-79. Совместимость радиоэлектронных средств
электромагнитная. Номенклатура параметров и
классификация технических характеристик.
269
ГОСТ 23875-88. Качество электрической энергии. Термины и
определения.
ГОСТ 25570-82. Конденсаторы постоянной емкости помехо-
подавляющие. Ряды номинальных напряжений и токов.
ГОСТ 26169-84. Совместимость радиоэлектронных средств
электромагнитная. Нормы коэффициентов комбинационных
составляющих биполярных мощных высокочастотных
линейных транзисторов.
ГОСТ 26196-Я4. Изоляторы. Методы измерения
индустриальных радиопомех.
ГОСТ 26807-86. Аппаратура бортовая цифровая самолетов и
вертолетов. Методы стендовых испытаний на
работоспособность в условиях электромагнитных воздействий.
ГОСТ 27049-86. Защита оборудования проводной связи и
обслуживающего персонала от атмосферных разрядов.
ГОСТ 28002-88. Аппаратура радиоэлектронная бытовая.
Общие требования по защите от электростатических разрядов и
методы испытаний.
ГОСТ 28279-89. Совместимость электромагнитная
электрооборудования автомобиля и автомобильной бытовой
радиоэлектронной аппаратуры. Нормы и методы измерений.
ГОСТ 28689-90. Радиопомехи индустриальные от машин
вычислительных электронных персональных. Нормы и методы
испытаний.
ГОСТ 28934-91. Совместимость технических средств
электромагнитная. Содержание раздела технического задания в части
электромагнитной совместимости.
ГОСТ 29156-91. Совместимость технических средств
электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным
помехам. Технические требования и методы испытаний.
ГОСТ 29192-91. Совместимость технических средств
электромагнитная. Классификация технических средств.
ГОСТ 29037-91. Совместимость технических средств
электромагнитная. Сертификационные испытания. Общие положения.
ГОСТ 29073-91. Совместимость технических средств
измерения, контроля и управления промышленными процессами
электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным
помехам. Общие положения.
ГОСТ 29191-91. Совместимость технических средств
электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам.
Технические требования и методы испытаний.
270
ГОСТ 29157-91. Совместимость технических средств
электромагнитная. Электрооборудование автомобилей. Помехи в
контрольных и сигнальных бортовых цепях. Требования и
методы испытаний.
ГОСТ 50009-92. Совместимость технических средств
охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации
электромагнитная. Требования, нормы и методы испытаний на
помехоустойчивость и индустриальные радиопомехи.
ГОСТ 29216-91. Совместимость технических средств
электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от оборудования
информационной техники. Нормы и методы испытаний.
ГОСТ 13661-92. Совместимость технических средств
электромагнитная. Пассивные помехоподавляющие фильтры и
элементы. Методы измерения вносимого затухания.
ГОСТ 29280-92. Совместимость технических средств
электромагнитная. Испытания на помехоустойчивость. Общие
положения.
Руководящий документ по стандартизации РД 50-697-90.
Положение о сертификации технических средств на соответствие
требованиям электромагнитной совместимости и
аккредитации испытательных лабораторий (центров) по испытаниям в
области электромагнитной совместимости.
Руководящий документ по стандартизации РД 50-701-91.
Совместимость технических средств электромагнитная.
Приложение 3. Нормы ГКРЧ
Нормы 1-72. Общесоюзные нормы допускаемых
индустриальных радиопомех. Электроустройства, эксплуатируемые в жилых
домах или подключаемые к их электрическим сетям.
Допускаемые величины. Методы испытаний.
Нормы 1А-77 в дополнение к Нормам 1-72. Общесоюзные
нормы допускаемых индустриальных радиопомех. Устройства
бытового назначения с электродвигателями. Допускаемые
величины радиопомех и методы испытаний.
Нормы 1Б-80. Общесоюзные нормы допускаемых
индустриальных радиопомех. Электроустройства, эксплуатируемые в жилых
домах или подключаемые к их электрическим сетям.
Допускаемые величины и методы измерений мощности радиопомех.
Нормы 2-88. Общесоюзные нормы допускаемых
индустриальных радиопомех. Электротранспорт. Допускаемые значения.
Методы испытаний.
271
Нормы 3-72. Общесоюзные нормы допускаемых радиопомех.
Автомобили, мотоциклы и другие устройства, содержащие
двигатели внутреннего сгорания с электрическим зажиганием.
Допускаемые величины. Методы испытаний.
Нормы ЗА-77 в дополнение к Нормам 3-72. Общесоюзные
нормы допускаемых индустриальных радиопомех. Автомобили,
мотоциклы и другие устройства, содержащие двигатели
внутреннего сгорания. Допускаемые величины радиопомех и
методы испытаний.
Нормы 4-87. Общесоюзные нормы допускаемых радиопомех.
Электроустройства, содержащие источники кратковременных
радиопомех. Допускаемые значения. Методы испытаний.
Нормы 5-72 (1-72-9-72). Общесоюзные нормы допускаемых
радиопомех. Промышленные, научные, медицинские и бытовые
высокочастотные установки. Допускаемые величины.
Методы испытаний.
Нормы 5А-77 в дополнение к Нормам 5-72. Общесоюзные
нормы допускаемых индустриальных радиопомех. Промышленные,
научные, медицинские и бытовые высокочастотные установки.
Допускаемые величины радиопомех и методы испытаний.
Нормы 5Б-89 в дополнение к нормам 5-72. Общесоюзные
нормы допускаемых индустриальных радиопомех. Промышленные,
научные, медицинские и бытовые высокочастотные установки.
Допускаемые величины и методы испытаний.
Нормы 6-72 (1-72-9-72). Общесоюзные нормы допускаемых
индустриальных радиопомех. Линии электропередачи и
электрические подстанции. Допускаемые величины. Методы
испытаний.
Нормы 6А-77 в дополнение к Нормам 6-72. Общесоюзные
нормы допускаемых индустриальных радиопомех. Линии
электропередачи и электрические подстанции. Допускаемые
величины радиопомех и методы испытаний.
Нормы 7-72. Общесоюзные нормы допускаемых
индустриальных радиопомех. Светильники с люминесцентными лампами.
Допускаемые величины. Методы испытаний.
Нормы 8-72 (1-72-9-72). Общесоюзные нормы допускаемых
индустриальных радиопомех. Электроустройства,
эксплуатируемые вне жилых домов и не связанные с их электрическими
сетями. Предприятия (объекты) на выделенных территориях
или в отдельных зданиях. Допускаемые величины. Методы
испытаний.
272
Нормы 9-72. (1-72-9-72), Общесоюзные нормы допускаемых
индустриальных радиопомех. Устройства проводной связи.
Допускаемые величины. Методы испытаний.
Нормы 10-74. Общесоюзные нормы допускаемых
индустриальных радиопомех. Телевизионные и УКВ ЧМ радиовещательные
приемники. Допускаемые величины. Методы испытаний.
Нормы 10А-82 в дополнение к Нормам 10-74. Общесоюзные
нормы допускаемых индустриальных радиопомех.
Телевизионные и УКВ ЧМ радиовещательные приемники. Допускаемые
величины напряжения гетеродинов на антенных зажимах.
Методы измерения.
Нормы 12-76. Общесоюзные нормы допускаемых
индустриальных радиопомех. Радиовещательные приемники с
амплитудной модуляцией. Допускаемые величины. Методы
испытаний.
Нормы 15-78. Общесоюзные нормы допускаемых
индустриальных радиопомех. Оборудование и аппаратура, устанавливаемые
совместно со служебными радиоприемными устройствами
гражданского назначения. Допускаемые величины. Методы
испытаний.
Нормы 15А-83 в дополнение к Нормам 15-78. Общесоюзные
нормы допускаемых индустриальных радиопомех.
Оборудование и аппаратура, устанавливаемые совместно со служебными
радиоприемными устройствами гражданского назначения.
Допускаемые величины. Методы испытаний.
Нормы 16А-85. Методы измерений. Общие методы измерений
параметров восприимчивости радиоприемников к
радиопомехам.
Нормы 18-55. Общесоюзные нормы на побочные излучения
радиопередающих устройств гражданского назначения.
Нормы 21-86. Временные общесоюзные нормы внешней
помехозащищенности бытовой радиоэлектронной аппаратуры.
Нормы 22-86. Общесоюзные нормы внешней
помехозащищенности paflHOiipneMHHKOB фиксированной и подвижной
службы декаметрового диапазона волн. Допустимые значения.
Методы измерения.
Приложение 4. Отраслевые стандарты
ОСТ 1 00406-80. Совместимость электромагнитная
комплексов радиоэлектронного оборудования самолетов и вертолетов.
Общие требования.
273
ОСТ 25 1189-85. Совместимость технических средств
цифровой вычислительной техники электромагнитная. Технические
требования и методы испытаний.
ОСТ 92-4348-81. Аппаратура цифровых вычислительных
комплексов. Методы измерений помех.
ОСТ 1 00360-80. Машины бортовые цифровые
вычислительные. Проверка работоспособности и устойчивости
выполнения тест-программы и рабочей программы в условиях
воздействия внешних помех.
ОСТ 5.8377-79. Средства вычислительной техники. Методика
испытаний помехоустойчивости.
ОСТ 4 450.059-86. Реле слаботочные электромагнитные.
Нормы, требования и методы испытаний на стойкость к
воздействию внешних магнитных полей.
ОСТ 5 8134-71. Подавление источников помех радиоприему,
возникающих в такелаже, рангоуте и верхнепалубных
устройствах во время работы радиопередатчиков.
ОСТ 5 8339-81. Фильтры для подавления радиопомех в
корабельных и судовых электрических сетях. Технические условия.
ОСТ 5 8678-83. Совместимость радиоэлектронных средств
электромагнитная. Кабели судовые экранированные. Нормы и
методы испытаний экранирующих свойств.
ОСТ 16 0.886.047-83. Электроагрегаты и электростанции с
двигателями внутреннего сгорания. Радиопомехи
индустриальные. Методы измерения.
ОСТ 25 1123-85. АСУ технологическими процессами.
Помехоустойчивость. Основные положения.
РТМ 25 203-85. Руководящий технический материал.
Обеспечение электромагнитной совместимости в линиях связи и
питания технических средств цифровой вычислительной техники.
РТМ 25213-80. Организация сопряжения ЧПУ с металлообра-
батывающим оборудованием. Методы и средства для
обеспечения помехозащиты в электрооборудовании станков и
помехоустойчивости устройств ЧПУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
K.I. Kaden, H: Wirbelstrdme und Schirmung in der Nachrichtentechnik. Berlin, Hei-
delberb, New York: Springer 1959.
K.2 Tornau,R.; u.a.: Handbuch elektrische Storbeeinflussung in Automatisierungs-
und Datenverarbeitungsanlagen. Berlin: Verlag Technik 1973.
K.3 Stoll, D.: u.a.: EMC-Elektromagnetische Vertraglichkeit. Berlin: Elitera 1976.
K.4 Ricketts, I.W.; u.a.: EMP Radiation and Protective Techniques. New York, u.a.:
John Wiley 1976.
K.5 Morrison, R.: Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation. New York,
u.a.: John Wiley 1977.
K.6 KOnig, H.; u.a.: Biologic Effects of Environmental Electromagnetism. New York,
u.a.: Springer Verlag 1981.
K.7 Wilhelm, J.; u.a.: Elektromagnenische Vertraglichkeit (EMV). Berlin: VDE-Verlag
1981, 1983, 1986, 1989.
K.8 Fleck, K. (Hrsg.): Schutz elektronischer Systeme gegen au(3ere Beeinflussungen.
Bjerlin: VDE-Verlag 1981.
K.9 Fleck, K. (Hrsg.): Elektromagnetische Vertraglichkeit (EMV) in der Praxis.
Berlin; Offenbach: VDE-Verlag 1982.
K.10 White, D.: EMI Control in the Design of Printed Circuits Boards and Backplanes.
\ Gainesville, Virginia, USA: DWCI 1982.
K.ll\ Schlicke, H.M.: Electromagnetic Compossibility. New York and Basel: Marcel
Dekker, Inc. 1982.
K.I2 Mardiguian, M.: How to control Electrical Noise. Gainesville, Virginia, USA:
DWCI 1983.
K.13 Holzel, F.: EMV - Theoretische und praktische Hinweise fur den Systementwurf.
Heidelberg: Hiithig 1983.
K.14 N.N.: Electrostatic Discharge (ESD)-Protection Test Handbook. Wilmington:
Key Tek Instr. Corp. 1983,1986.
K.15 Bhar, T.N.; Me Mahon, E.J.: Electrostatic Discharge Control. Rochette Park,
New Jersey: Hayden Book Company Inc. 1983.
K.16 Lange, F.-H.: Storfestigkeit in der Nachrichten- und Mefltechnik. Berlin: Verlag
Technik 1983
K.17 Habiger, E.: Elektromagnetische Vertraglichkeit - Storbeeinflussungen in Auto-
matisierungsgeraten und -anlagen, Heidelberg: Hiithig 1984,1988.
K.18 Biichner, P.: Stromrichternetzrilckwirkungen und ihre Beherrschung. Leipzig:
Deutscher Verlag fUu GrundstoffIndustrie 1986.
K.19 Mardiguian, M.: Electrostatic Discharge - Understand, Simulate and Fix ESD-Pro-
blems. Interference Control Technologies, Inc., USA, 1986.
275
К.20 Antinone, R.J.: Electrical Overstress Protection for Electronic Devices. New
Jersey: Noyes Publication 1986.
K.21 Wilhelm, J.: u.a.: Nuklear-elektromagnetischer Puls (NEMP) Entstehung, Schutz-
mapnahmen, Meptechnik. Sindelfingen: expert-verlag 1986.
K.22 Panzer, P.: Praxis des Uberspannungs- und Storspannungsschutzes elektronischer
Gerate und Anlagen. Wurzburg: Vogel 1986.
K.23 Feist, K.-H.; u.a.: Starkstrom-Beeinflussung - Bestimmungen, Grundlagen und
Erkenntnisse. Sindelfingen: expert verlag 1986.
K.24 Bernhardt, J.H. (Hrsg.): Biological effects of static extremely low frequency
magnetic fields. Munchen: MMV Medizin Verlag 1986.
K.25 Habiger, E.; u.a.: Handbuch Elektromagnetische Vertraglichkeit - Grundlagen,
Maflnahmen, Systemgestaltung Berlin: VDE-Verlag GmbH 1987, 1991; Berlin:
Verlag Technik 1987.
K.26 Hasse, P.: Uberspannungsschutz von Niederspannungsanlagen. Koln: Verlag TUV
Rheinland 1987.
K.27 Keiser, B.E.: Principles of Electromagnetic Compatibility. London: Artech Book
Company Ltd. 1987.
K.28 Greason, W.D.: Electrostatic Damage in Electronics, Devices and Systems. Chi-
chester: John Wiley 1987.
K.29. Schmeer, H.R.: Bleicher, M. (Hrsg.): Elektromagnetische Vertraglichkeit
(EMV'88, Karlsruhe, KongrePbeitrage). Heidelberg: Hiithig 1988.
K.30 Hasse, P.; Wiesinger, J.: Handbuch flir Blitzschutz und Erdung. Munchen: Pflaum
1989. Berlin, Offenbach: VDE-Verlag 1989.
K.31 DIN-VDE-Taschenbuch 505, Funkentstorung. Berlin: Beuth-Verlag 1989.
K.32 DIN-VDE-Taschenbuch 515, Elektromagnetische Vertraglichkeit 1. Berlin,
Offenbach: VDE-Verlag und Berlin, Koln: Beuth Verlag 1989.
K.33 DIN-VDE-Taschenbuch 516, Elektromagnetische Vertraglichkeit 2, VG-Normen,
Berlin, Offenbach: VDE-Verlag und Berlin, Ко" In: Beuth Verlag 198Э
K.34 DIN-VDE-Taschenbuch 517, Elektromagnetische Vertraglichkeit 3. Englische
Ubersetzungen Deutscher Normen, EN-Normen und IEC-Normen. Berlin,
Offenbach: VDE-Verlag 1989 und Berlin, Koln: Beuth Verlag 1989.
K.35 Reiter, R.: Natiirliche Felder und Wechselwirkungen. Grafenau: expert-verlag
1989.
K.36 Schwab, A.J.: Elektromagnetische Vertraglichkeit. Berlin, u.a.: Springer 1990,
1991.
K.37 Peier, D.: Elektromagnetische Vertraglichkeit - Problemstellung und Losung-
sansatze. Heibelberg: Huthig 1990.
K.38 Schmeer, H.R. (Hrsg.): Elektromagnetische Vertraglichkeit (EMV'90, Karlsruhe,
KongrePbeitrage). Berlin, Offenbach: VDE-Verlag 1990.
K.39. Chen, E. (Hrsg.): EMV-Storfestigkeit leittechnischer Einrichtungen. Vortrage
der GME-Fachtagung vom 23. bis 24. April 1991 in Bad Nauheim. Berlin,
Offenbach: VDE-Verlag 1991.
K.40 Schmid, A.: Funkentstormep technik: Vorschriften und Meptechnik -eine Einftih-
rung. ROHDE & SCHWARZ GmbH & Co, KG 1990.
K.41 Haubrich, H.-J. (Hrsg.): Sicherheit im elektromagnetischen Umfeld. Berlin:
VDE-Verlag GmbH 1990.
K.42 Pigler, F.: EMV und Blitzschutz leittechnischer Anlagen. Berlin, Munchen
SIEMENS-Aktiengesellschaft 1990.
276
К.43 Labastille, R.M.; Warner, A.: Funkentstorung von elektrischen Betriebsmitteln
und Anlagen. Erlauterungen zu DIN VDE 0875. 3. Aufl. VDE-Schriftenreihe
Bd. 16. Berlin: VDE-Verlag 1991.
K.44 Brinkmann, K.; Schaefer, H. (Hrsg.): EMV biologischer Systeme. Bd. 1: Gesund-
heitsrisiken durch magnetische Gleichf elder. Berlin: VDE-Verlag 1991.
K.45 Durcanski, G.: EMV-gerechtes Geratedesign - Grundlagen der Gestaltung sto-
rungsarmer Elektronik. 2. Auft. Munchen: Franzis-Verlag GmbH 1991.
K.46 Forst. H.-J. (Hrsg.): Elektromagnetische Vertraglichkeit. Arbeitsgemeinschaft
vom 4.11. bis 25.11.1991 / VDE-Bezirksverein Frankfurt am Main. Berlin;
Offenbach: VDE-Verlag 1991.
K.47 Hasse, P.: EMV-orientiertes Blitz-Schutzzonen-Konzept mit Beispielen aus
der Praxis. DEHN-Sonderdruck aus (B46).
K.48 Schmeer, H.R. (Hrsg.): Elektromagnetische Vertraglichkeit / EMV'92, 3. Int.
Fachmesse und Kongrefl fiir Elektromagnetische Vertraglichkeit. Offenbach:
VDE-Verlag 1992.
K.49 Fischer, P. u.a.: EMV-Stbrfestigkeitsprufungen. Munchen: Franzis-Verlag 1992.
K.50 Stand der neuen EMV-Gesetzgebung in Deutschland und Europa. Tagungsband
EMV-Symposium Bonn, 24. Juni 1992. Coburg: SPRECHSAAL PUBLISHING
GROUP 1992.
K.51 Gonschorek, K.H.; Singer, H. (Hrsg.); Elektromagnetische Vertraglichkeit -
Grundlagen, Analysen, Ma|3nahmen, Stuttgart: Teubner-Verlag 1992.
K.52 Habiger, E. u.a.: Handbuch Elektromagnetische Vertraglichkeit - Grundlagen,
Mapnahmen, Systemgestaltung. 2. Auft. Berlin; Munchen: Verlag Technik GmbH
1992.
K.53 Meyer, H. (Hrsg.): Elektromagnetische Vertraghchkeit von Automatisierungs-
systemen. Berlin: VDE-Verlag 1992.
K.54 Brinkmann, K.; Schaefer, H.; Eberle, P. (Hrsg.): EMV biologischer Systeme. Bd. 2:
Einwirkung magnetischer Wechselfelder auf menschliche periphere Lymphozyten
und tierisches Knochenmark. Berlin: VDE-Verlag 1992.
K.55 Dreger, G. u.a.: Priifung und Zertifizierung durch den VDE im EG-Binnenmarkt -
Rechtliche Grundlagen, Anforderungen an Gerate und Einzelteile, Zertifizierungssys-
teme. Ehningen: Expert Verlag GmbH 1992.
K.56 Weber, A.: EMV-Mapnahmen fiir die Praxis. Heidelberg: Huthig 1993.
K.57 Rahmes, D.: EMV-Rechtsvorschriften und ihre Anwendung in der Praxis. Munchen:
Franzis-Verlag 1993.
K.58. Каден Г. Электромагнитные экраны в высокочастотной технике и
технике электросвязи. М.-Л.: Энергоиздат, 1957.
К.59. Михайлов MJL Влияние внешних электромагнитных полей на цепи про-
зодной связи и защитные мероприятия. М.: Связь, 1959.
К.60. Гроднев ИЛ., Сергейчук К.Я. Экранирование аппаратуры и кабелей связи.
М.: Связь, 1960.
К.61. Михаилов MJHL, Разумов Л Л. Защита кабельных линий связи от влияния
внешних электромагнитных полей. М.: Связь, 1967.
К.62. Журавлев ЭЛ« Радиопомехи от коронирующих линий электропередачи.
М.: Энергия, 1971.
277
К.63. Гроднев ИЛ. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне
частот. М.: Связь, 1972.
К.64. Костенко MJB., Перельман Л.С^ Шкарин ЮЛ. Волновые процессы и
электрические помехи в многопроводных линиях высокого напряжения. М.:
Энергия, 1973.
К.65. Шапиро ДЛ. Основые теории электромагнитного экранирования. Л.:
Энергия, 1975.
К.бб. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и
непреднамеренные помехи // Вып. 1: Советское радио. 1977. № 1; 1978,
№ 2; 1979. № 3.
К.67. Михайлов МЛ., Разумов Л.ДЬ» Соколов С.А. Защита сооружений связи от
опасных и мешающих влияний. М.: Связь, 1978.
К«68. Воробьев Е.А. Экранирование СВЧ конструкций. М.: Советское радио,
1979.
К.69. Михайлов МЛ., Разумов RJL, Соколов С.А. Электромагнитное влияние
на сооружения связи. М.: Связь, 1979.
К.70. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. М.:
Мир, 1979.
К.71. Риткетс Л.У., Брижжес Дж.Э., Майлетта Дж. Электромагнитный импульс
и методы защиты. М.: Атомиздат, 1979.
К.72. Михайлов А.С. Измерения параметров ЭМС РЭС. М.: Связь, 1980.
К.73. Вэнс Э.Ф. Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели.
М.: Радио и связь, 1982.
К.74. Иванов В.А., Ильинский Л.Я., Фузик МЛ. Электромагнитная
совместимость радиоэлектронных средств. Киев: Техника, 1983.
K.7S. Гурвич М.С. Защита ЭВМ от внешних помех. М.: Энергоатомиздат, 1984.
К.76. Князев АЛ. Элементы теории и практики электромагнитной
совместимости радиоэлектронных систем. М.: Радио и связь, 1984.
К.77. Кравченко ВЛ., Болотов Е.А., Летунова НЛ. Радиоэлектронные средства
и мощные электромагнитные помехи. М.: Радио и связь, 1987.
К.78. Апполонский СМ. Справочник по расчету электромагнитных экранов. Л.: >
Энергоатомиздат, 1988.
К.79. Мырова Л.ОМ Чепиженко АЛ. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к
ионизирующим и электромагнитным излучениям. М.: Радио и связь, 1988.
К.80. Князев АЛ., Кечиев ЛЛ., Петров BJ3. Конструирование
радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппратуры с учетом
электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989.
К.81. Максимов BJC., Обух AJL, Тихонов A3. Электростатическая безопасность
при заполнении резервуаров нефтепродуктами. М.: Энергоатомиздат,
1989.
К.82. Аррилага Дж^ Брэдли ДЬ» Боджер П. Гармоники в электрических системах.
М.: Энергоатомиздат, 1990.
К.83. Костенко МЗ., Гумерева НЛ. и др. Волновые процессы и
перенапряжения в подземных линиях. Л.: Энергоатомиздат, 1991»
К.84. Кравченко В Л. Грозозащита радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь,
1.991.
278
B.I f VDI/VDE 3540 (12.75) Zuverlassigkeit von МеЭ-, Steuer- und Regelgeraten;
Klimaklassen ftir Gerate und Zubehor
B.2 DIN IEC 721, Teil 3-0 (08.87) Eiektrotechnik; Klassifizierung von Umweltbe-
dingungen; Klassen von Einflupgrbpen.
B.3 E DIN VDE 0470 Teil 1 (09.88) Schutzarten durch Gehause
B.4 DIN IEC 654. Teil 2 (01.84) Einsatzbedingungen ftir Meg-, Steuer- und Regelein-
richtungen in der industriellen Prozeptechnik, Energieversorgung
B.5 DIN VDE 0160 (05.88) Ausriistung von Starkstromanlageu mit elektronischen
Betriebsmitteln.
B.6 E DIN VDE 0106 Teil 1 Al (04.90) Schutz gegen gefahrliche K6rperstr5me;
Klassifizierung von elektrischen und elektronischen Betriebsmitteln beztiglich
des Schulzes gegen gefahrliche Korperstrome.
B.7 DIN VDE 0170/0171 Elektrische Betriebsmittel ftir explosionsgefahrdete Bereiche
B,8 DIN VDE 0471 Prtifungen zur Beurteilung der Brandgefahr
B.9 E DIN VDE 0411 Messen, Steuern, Regeln; Sicherheitsbestimmungen ftir elektrisch
betriebene Мер-, Steuer-, Regel- und Laborgerate
B.10 DIN VDE 31000, Teil 2 (12.87) Allgemeine Leitsatze ftir das sicherheitsgerechte
Gestalten technischer Erzeugnisse; Begriffe der Sicherheitstechnik; Grund-
begriffe.
B.ll VDI/VDE 3541 Steuerungseinrichtungen mit vereinbarter gesicherter Funktion.
B.I2 VDI/VDE 3542 Sicherheitstechnische Begriffe fur Automatisierungssysteme
B.13 E DIN VDE 0839, Teil 1 (11.86) Elektromagnetische Vertraglichkeit; Vertraglich-
keitspegel der Spannung in Wechselstromnetzen mit Nennspannungen bis 1000 V
B.14 IEC-TC 77(CO)27-1988 Draft - Electromagnetic environment and compatibility
levels for low-frequency conducted disturbances and signalling in public power
systems, part 2: Electromagnetic compatibility levels for low voltage systems
1.1 Birolini, A.: Qualitat und Zuverlassigkeit technischer Systeme. Theorie, Praxis,
Management. Berlin, u.a.: Springer 1985.
1.2 Schwier, W.: Begriffe zur Sicherheit von Automatisierungssystemen. rtp 26 (1984)
H.8, S. 341 - 347.
1.3 Kanakowski, R.: Sicherheitstechnik der Automatisierungssysteme. TU 27 (1986)
Nr. 7/8, S. 299, 300.
1.4 Holscher, H.; Roder, J.: Mikrocomputer in der Sicherheitstechnik - eine Orien-
tierungshilfe fur Entwickler und Hersteller. K6ln: Verlag TUV, Rheinland 1984.
1.5 Hansen, D.: EMV im Spannungsfeld zwischen Entwicklung, Verkauf und
Management. Techn. Rundschau (1989) Nr. 9, S. 36 - 41.
1.6 Feser, K.: EMV r- eine aktuelle Herausforderung ftir Wissenschaft und Technik.
etz (1989) H. 16. S. 800 - 806.
1.7 Jasper, J.G.: Electromagnetic Compatibility (EMC). Phys. Technol. (GB), Vol. 18
(1987) No. 2, p. 61 - 67.
1.8 Weber, J.: Sachaufgaben der EMV-Normung. etz 100 (1979) H.5, S. 226 - 228.
1.9 Maus. E.: EMV-Normen im militarischen Bereich. In [B29], S. 463 - 472.
1.10 Dvorak, I.J.: EMV-Normen im Wandel der Technoiogie. Techn. Rundschau (1989)
H. 9, S. 30 - 33
1.11 Goldberg, G.: Normung ftir die EMV. Techn. Rundschau (1989) H.9, S. 44 - 47.
1.12 Dvorak, T.J.: EMV-Normen als Instrument des modernen Funkstorschutzes. etz
110 (1989) H. 16, S. 796 - 798.
279
1.13 Richtlinie des Rates vom 03.05.1989 zur Angleichung der Rechtsvorschriften
der Mitglicdstaaten iiber die elektromagnetische Vertraglichkeit (89/336/EWG).
Amtsblatt der Europaischen Gemeinschaften Nr. L 139/19 vom 23. Mai 1989.
UU Miiller, K.-O.: Kommerzielle EMV-Normen und Zulassungsbestimmungen fiir
"Europa 92". Mikrowellen & HF Magazin 16 (1990) H. 1, S. 58 - 61.
1.15 Goldberg, G.: Status of the Standardization Work on EMC in IEC, CENELEC
and other Organizations Pi oc. of the Tenth Int. Wroclaw Symposium on EMC, Juni
26 - 29, 1990, pp. 919 - 923.
1.16 N.N.: Der curopaische EMV-Markt fur 1989. Elcktronik Journal (1990) H.4, S. 12.
2.1 Rodewald, A.: Ein Strukturkonzept zum besseren Verstandnis der elcktromagn-
ctischen Bccinflussungen bei Einschaltvorgangen. etz-Archiv 4 (1982) H. 8,
S. 253-258.
2.2 Hart. W.C.: Malone, E.W.: Lightning and Lightning-Potection. Multi-Volume
EMC Encyclopedia Series. Vol. IV. Gainsville, USA: DWCI 1979.
2.3 N.N.: Statistik zum Tatigkeitsbericht 1987 der Brandverhutungsstelle fur Obero-
sterreich. Linz 1988.
2.4 Hasse, P.: Blitze und Blitzschutz. Festvortrag "History of Lightning Protection".
Memorial Lecture Meeting Tokyo, 28. Juni 1988. Erweiterte deutschsprachige
Ausgabe.
2.5 Wiesinger, J.: Blitz und Blitzschutz-Historie des Blitzschutzes. Sonderdruck 11,
Bayerische Ruckversicherung, Munchen 1987.
2.6 Baatz, H.: Mechanismus der Gewitter und Blitze. VDE-Vorschriftenreihe 34,
Berlin: VDE-Verlag 1985.
2.7 Feser, K.: Die Entstchung von transicntcn Storspannungen bzw, Storstrb'men.
Schweiz, Maschinen-Markt (1982) H. 33
2.8 Frommhold, A.: Kleber, W.: Beeintrachtigung der Zuverlassigkeit mikroelektro-
nischer Gerate der Nachrichtentechnik durch parasitate elektrostatische Ladun-
gen. Nachrichtchtentechn. Elcktronik. Berlin 38 (1988) H. 2, S. 54 - 58.
2.9 Kunz, H.A.: Elektrostatische Aufladungen und Simulation des Entladevorgangs.
Elektronik 30 (1981) H. 14, S. 43 - 46.
2.10 Macek, O.: Elektrostatische Aufladung - Gefahr fur Halbleiter, Elektronik 32
(1983) H. 3, S. 65 - 68.
2.11 Richman, P.: Classification of ESD Hand/Metal Current Waves versus Approach
Speed, Voltage, Electrode Geometry and Humidity. Proc. IEEE Int. Symp. on EMC,
San Diego, CA, Sept. 16 - 18, 1986 p. 451 - 460.
2.12 Mardiguian, M.: ESD-Testing, The Need for a Dual Personal and Material
Discharge Simulation. Proc. Int. EMC Symp. Zurich, 1987. p. 473 - 476.
2.13 Daout, B. u.a.: The Correlation of Rising Slope and Speed of Approach in ESD
Tests. Proc. Int. EMC Symp.; Zurich 1987. p. 461 - 466.
2.14 Richman, P.: The Effects of Hand-Associated Metal Object Geometry and
Hand-to-Object Coupling Impedance on ESD Current Waves. Proc. Int. EMC
Symp., Zurich, 1987, p. 467 - 472.
2.15 Dash, G.: System Level ESD. Boxborough, USA: Compliance Engineering 1988,
p. 165 - 182.
2.16 Richman, P.: Progress Report on a Different Kind of ESD Standard. Proc, 8th
EMC-Symp. Zurich, 1989, p. 349 - 354.
2.17 Wilson, P.F. u.a.: Electromagnetic Fields Radiated from Electrostatic Discharges,
Theory and Experiment. NBS Technical Note 1314, Feb. 1988.
280
2.18 Ma, M.T.: How High is the Level of Electromagnetic Fields Radiated by an ESD?
Proc. 8th EMC-Symp., Zurich, 1989, p. 361 - 365.
2.19 IEC 77B (Seer.) 72 Jan. 1990 Draft: Immunity tests to magnetic fields.
2.20 Gonschorck, K.-H.: Beeinflussung von Rechnerkomponenten durch niederfrequente
Magnetfelder. In [B29]. S. 91 - 101.
2.21 Rajagopalan, P.: Karunakoran, S.: Electromagnetic Ambient Survey in Industries
for the Design and Installation of Radio Control and other Sensitive Electronic
Equipment. Proc, 8th EMC-Symp. Zurich, 1989, p. 589 - 591.
2.22 Dvorak, T.J.: Elektromagnetische Vertraglichkeit: Eine Wachstumsgrenze
der Funktechnik? Bull. SEV/VSE 73 (1982) H. 17, S. 928 - 933.
2.23 Ochs, W.: Elektromagnetischer Impuls einer Nuklearexplosion in grower Hone.
Physikalische Blatter. Mosbach 41 (1985) H. 7, S. 212 -217.
2.24 Heins, Т.: Sammet, W.: EMI Filters for EMP-Protection their Design and
Limitations. Proc. of the 7th EMC-Symp. Zurich, 1987, p. 375 - 380.
2.25 Hansen, D.: EMV im Spannungsfeld zwischen Entwicklung, Verkauf und
Management. Technische Rundschau (1989) H. 9. S. 36 - 41.
2.26 Render, H.: Storspannungen in Niederspannungsnctzen. ctz-Archiv 100 (1979)
H. 5, S. 216 - 220.
2.27 Mihelin, D.: Beschreibung und Messung transienter Icitungsgebundener Vorgange
aus der Sicht der Electromagnetischen Vertraglichkeit. Dissertation an der 'iech-
nischen Universitat Dresden 1988.
2.28 DIN VDE 0847 Teil 1(11.81) Mepverfahren zur Beurteilung der Eiektromag-
netischen Vertraglichkeit; Messen leitungsgeflihrter Storgropen.
2.29 Stimper, K.: Schwetz, S.: Der DKE-Rundversuch "Uberspannungsmessungen", etz
112 (1991) H.3, S. 128-131.
2.30 Bittner, G.: Storspannungen und Storstrome auf Leitungen, Mepverfahren und
Mepergebnisse (Vortrage des 23. PTB-Seminars). Braunschweig. Physikalisch-
Technische Bundesanstalt 1980.
2.31 Stecher, M.: Netznachbildungen ftir die Stormeptechnik. Neues von Rhode &
Schwarz (1987) Nr. 117., S. 15-19.
2.32 Stecher, M.: EMV-Messungen an ISDN-Geraten. electronik industrie (1991) H. 2,
S. 42.
2.33 Oberjatzas, G.: Erfassung, Analyse und Synthese von Signalen mittels Transien-
tenrecorder. Elektronik32 (1983) H. 23, S. 73-74.
2.34 Reisinger, F. u. a.: Messung transienter Uberspannungen auf Sekundarlei-
tungen innerhalb von 380-kV-SF6-Schaltanlagen. OZE 38 (1985), S. 316 - 328.
2.35 Krassowski, P.: EMV-Messung als Dienstleistung Ratschlage aus der Praxis,
electronik industrie 19 (1988) H. 1, S. 44 - 47.
2.36 Jaschinski, H.: Storfeldstarkemessung von 30 bis 1000 MHz schon wahrend des
Designs, elektronik industrie (1991) H. 2, S. 40.
2.37. Gam, H.: Storfeldstarkemessungen in Absorberhallen. In [B33], S. 155 - 166.
2.38 Benz, Т.: Messungen der Schirmdampfung leitfahiger Kunststoffe - eine neue
TEM-MePzelle. In [B38], S. 167 - 177.
2.39 Kruse, K.-D.: Mepverfahren zur Bestimmung der Schirmwirkung elektrisch
leitfahiger Kunststoffe. In [B38], S. 179 - 188.
2.40 Altmaier, H.: Messungen komplexer Matcrialkonstanten von Absorbermaterialien
mit einem automatischen Netxwerkanalysator. In [B38], S. 189 - 202.
281
2.41 Lebherz, M: Meptechnik zur Spezifikation von Absorbern. In [B38]. S. 203 -
209.
2.42 Binder, C: ESD-Strommessungen. In [B38]. S. 271 - 279.
2.43 Kahnt, R.: Beeinflussung elektroniscjier Systeme durch Riickwirkungen aus
dem Versorgungsnetz. In: Techn. Bericht 1-262 swe FGH Mannheim-Rheinau,
Marz 1987.
2.44 Meissen, W.: Transiente Netziiberspannungen. etz. 107 (1986) H. 2, S. 50 - 55.
2.45 Blechschmidt, H.H.; Karmatschek, В.: Merkmale der elektrischen Versorgungs-
spannung fiir Niederspannungsver-braucher. Elcktrizitatswirtschaft 81 (1982) H. 6,
S. 185 - 188.
2.46 Meissen, W.: KurzzeitUberspannungen in Niederspannungsnetzen. In [B29], S.
131 - 139.
2.47 Remde, H.: Transiente Uberspannungen in Sckundarleitungen von Hochspannungs-
schaltanlagen. In: Techn. Bericht 1-262 der FGH Mannheim-Rheinau, Marz 1987.
2.48 Tetreault, M.: Martzloff, F.D.: Characterization of Disturbing iansient Waveforms
on Computer Data Communication Lines. Proc. of the 6th Symp. on EMC, Zurich,
1985.
2.49 Andra, W.: Feist, K.-H.: Vermeidung unzulassiger elektromagnetischer
Beeinflussung bei Netzleitsystemen. etz 104 (1983) H. 7/8. S. 347 - 351.
2.50 Franke, H.: Quack, L.: Beeinflussung von Steuerkabeln bei Schaltvorgangen in
220-kV-Umspannwerken. msr 19 (1976) H. 10, S. 350 - 355.
2.51 Schmidt, K.: Richter, W.: Ergebnisse aus Storspannungsmessungen an Signallei-
tungen der BMSR-Technik msr 18 (1975) H. 8, S. 298-300 u. H. 11, S. 395 - 399.
2.52 Anders, R.: u. a.: Problems with Interference Voltage in Control Equipment for
Power Stations and Substations. CIGRE Conf. Paper 36 - 09,1984.
2.53 Strnad, A.: Beanspruchung von Sckundargeraten und Sekundarsystemen in Hoch-
spannungsanlagen durch elecktromagnetische Storvorgange. Eiektrizitatswirt-
schaft 79 (1980), S. 232 - 236.
2.54 Meppelink, J.: Remde, H.: Elektromagnetische Vertraglichkeit bei SF6-gasisolier-
ten Schaltanlagen. Brown Boveri Technik 73 (1986). S. 498 - 502.
2.55 Paul, H.U.: Requa, R.: Bchandlung von EMV-Problemen aus der Sicht des Betrei-
bers (EVU). Elektrizitatswirtschaft 87 (1988) H. 9, S. 475 - 481.
2.56 IEC 77(Seer.)78-1988: Classification of electromagnetic environment. Skeleton
for three documents on conducted environment factors, radiated environment
factors, and location characterization
3.1 Graf, D.: Die Beeinflussung von elektrischen Geraten durch 50-Hz-Magnetfelder
von Energieverteilungsanlagen. In [B38], S. 109- 118.
3.2. Gonschorek, K.-H.: Richter, K.: Ergebnis einer interdisziplinaren Zusammenarbeit:
Der Kombinationsschutzraum. In [B38], S. 445-459.
3.3. Chowdhuri, P.: Zobrist, D.W.: Susceptibility of Electrical Control Systems to
Electromagnetic Disturbances. IEEE Transaction on Industry Applications.
Vol. IA-9, Sept. /Okt. 1973 p. 570-576.
3.4. Habiger, E.: Zur Quantifizierung der EMV-Eigenschaften. In [B38], S. 75-85.
3.5. Habiger, E.: Quantification of the EMC Properties of Automated Devices. Proc. of
the 10th Int. Wroclaw Symp. 1990
282
3.6. Habiger, Б.: Beschreibimg und Prlifung der EMV-Eigenschaften von Automatisie-
rungsgeraten und anderen -elektronischen Belriebsmitteln. ELEKTRIE 45 (1991)
H. 10, & 367-376.
3.7. Б DIN/VDE 0839, ТЫ1 10 Elektromagnetische Vertraglichkeit (EMV); Beurteilung
der Stbrfestigkeit gegen leitungsgeflihrte Stbrgruflen.
3.8. 1EC 77B(Secr.) 71, Dec 1989: Fourth draft - Electromagnetic compatibility
immunity test.
4.1. . Niyazi, A.: Computerprogrammsystem zur Auslegung der Schirmung gegen
elettromagnetische Sterfelder. etz 106 (1985) H.9, S. 440-443.
4.2. Wurm, M.; Mtiller, K.: Rechenmodelle fttr EMV-Analysen und ihre praktische
Anwendung. In [B29], S. 7-17.
4.3. John, W.: Bemerkungen zur Behandlung von EMC-Probleme auf Printed-Circuit -
Boards mit ExpertensystemunterstUtzung. In [B29], S. 499-510.
4.4. Enrich, M.: Reduzienmg magnetischer Stbrfelder von Energienetzen in GroBbau-
ten.In{B38],S. 647-657.
4.5. Mtiller, K«: Vergleichende numerische Analyse der elektromagnetischen
Schirmwirkung von Gebauden aus Stahlbeton. In [B38], S. 659-669.
4.6. Schwetz, P.: Ein Verfahren zun Berechnung von dreidimensionalen Magnetfeldern
im Nahbere eh von Leitungen der elektrischen Energieversorgung. Elektrizi-
tatswirtschaft 85 (1986) H.21.
4.7. Peter, D.; Sundermann, U.: Simulation von Ubersprech- und Reflexionsvorgangen
auf Leiterplatten. EMV-Journal, Vol. 1 (1990), Nr. 2.
4.8. Sundermann, U.; Wittier, M.: Analyse von elektromagnetisch beeinfluftten
Leitungssystemen mit Netzwerksimulatoren. EMV-Journal, Vol. 2 (1991) Nr. 1.
4.9. Peier, D.; Sundermann, U.: Untersuchung der Kopplung zwischen gestreckten
Leiterbahnen, Mikrowellen & HF-Magazin Vol. 15 (1989), No. 1.
4.10. Deserno, В.: Ger&teinterne EMV in der Automatisierungstechnik. In
S. 87-95.
4.11. Philippow, E.: Taschenbuch Elektrotechnik, Bd. 1. Berlin: Verlag Technik 1986.
4.12. John, W.: Anwendung mikroelektronischer Komponenten auf Leiterpiauen
unter EMV-Gesichtspunkten. In[B39], S. 207-232.
5.1. Philippow: Taschenbuch Elektrotechnik, Bd. 1, Grundlagen. Berlin: Verlag
Technik 1986.
5.2. Hirschmann, W.; Hauenstein, A.: Schaltnetzteile Berlin, Munehen: Siemens-AG
1990.
5.3. EMV-Filter, EMP-Schutzeinheiten, Datenbuch. Siemens-AG 1989.
5.4. Electromagnetic Compatibility, Interference Suppression and Simulation.
Schaffner Elektronik AG, Schweiz 1985.
5.5. Weber, M.: Einsatz von Filtern zur Lttsung von EMV-Problemen, elektronik
Industrie (1988) H.1, S. 58-60.
5.6. N.N.: EMV-Ferrite fttr viele Anwendungen (nach Unterlagen der Firma Componex
GmbH, Dusseldorf). elektronik Industrie (1990) H.6, S. 104,106.
283
5.7. Taumler, F.: Vom Durchfuhrungshondensator bis zum Filter. Komponenten zum
Steigerung der EMV. elektronik industrie (1988) H.I, S. 66-67.
5.8. Schneider, L.M.: Theory and Application of Power Line EMI Filter. Compliance
Engineering (1988) pp. 147-153.
5.9. Die Entstorspezialisten. Firmenschrift der CORCOM-GmbH 1990.
5.10. SMD-Bauelemente. Firmenschrift der COMPCNEX-GmbH 1990.
5.11. Thielen; D.: Funkenstrecken schalten Kurzzeitimpulse - Technologie,Schaltver-
halten und Auswahl von Schaltfunkenstrecken. Siemens Components 28 (1990)
H.6, S. 209-212.
5.12. Pompetzki, V.: Schnelle Schalter, Gasableiter ais Uberspannungsschutz.
Elektrische Energietechnik 35 (1990) H.5, S. 30-32.
5.13. Wetzel, P.: Metalloxid-Varistoren, .Dimensioniorung und Einsatz. elektroanzei-
ger 32 (1979) H.7, S. 44-47.
5.14. Brogl, P.: Uberspannungsschutz mit Metalloxidvaristoren. Elektronik 31 (1982)
H.18,S. 99-102.
5.15. Otl, G.; u.a..: Impulsverhalten von ZnO-Varistoren. etz 109 (1988) H.15, S. 702-704.
5.16. Greuter, F.: Der Metalloxid-Widerstand; Kemelement moderner Uberspannungsab-
leiter. ABB-Technik (1989), S. 35-42.
5.17. N.N.: Uberwachang im Feinschutz mit ZnO-Varistoren: Schaumende Ausloser.
Elektriche Energietechnik 35 (1990) H.1, S. 32-34.
5.18. R6B, E.: Keramische elektronische Bauelemente. Siemens Components 28 (1990)
H.6, S. 213-216.
5Д9. Transil Array for Data Line Protection. Firmenschrift von SGS-Thomson Mikro-
electronics 1989.
5.20. Cordes, H.: Wirkungsweise von Uberspannugsschutz-Bauelementen und Strom-
begrenzern. elektronik-industrie (1990) H.2, S. 27-30.
5.21. Pschunder, Т.: Uberspannungsschutz. ELEKTRIE 44 (1990) H. 11, S. 405-408.
5.22. Schimanski, J.: Uberspannungsschutz - Schneller als der Blitz. Sonderdruck aus:
Elektrische Energietechnik 34 (1989) H.1.
5.23. Uberspannungsschutz. Katalog der Firma DEHN+SOHNE GmbH+Co. KG 1990.
5.24. Uberspannungsschutz TRABTECH. Katalog der Phoenix Elektrizitatsgesellschaft
1990.
5.25. Uberspannungsfeinschutz. Produktinformation der Firma C.A. Weidmuller GmbH
& Co. 1990.
5.26. Uberspannungsschutz. Katalog der Firma OBO Bettermann 1990.
5.27. Schelkunoff, S.A.:The impedance Concept and its Application to Problems of
Reflection, Shieldung and Power Absorption. Bell System Technical Journal 17
(1938), S. 17-49.
5.28. Scheyrer. P.: Metalibeschichtung von Kunststoffgehausen. Elektronik 32 (1983)
H.10,S. 93-96.
5.29. Borek, L.: Magnetische Kabelschirmung mit amorphen Metaller. Elektronik 31
(1982) H.4, S. 43-46.
284
5.30. Horing, H.C.: Elektromagnetische Schirmung. In: C. Rint: Handbuch fUr Hochfre-
quenz- und Elektrotechniker. Bd. 2. Heidelberg: Htithig 1978.
5.31. Boll, R.; Keller, H.: Magnetische Abschirmschlauche. etz-b 28 (1976) H.2, S. 42-44.
5.32. Boll, R.; Borek, R.: Elektromagnetische Schirmung. NTG-Fachberichte. Berlin:
VDE-Verlag 76 (1980), S. 187-204.
5.33. Remde, H.: Funktionsweise von Kabelschirmen in der Leittechnik. In [B38],
S. 289-298.
5.34. Kunath, H.: Unterdrtickung elektromagnetischer Beeinflussungen durch Schirm-
maflnahmen. ema 66 (1987) H.3, S. 70-77.
5.35. Kirschvink, M.: Verbesserte Abschirmtechnik 16st EMV-Probleme. Elektronik
(1989) H.13,S. 114-120.
5.36. Ari, N.: Computerprogrammsystem zur Auslegung der Schirmung gegen
elektromagnetische Storfelder. etz-b (1985) S. 440-443.
5.37. Schwab, A. u.a.: Messung der Schirmdampfung leitfahiger Kunstotoffe - Eine neue
TEM-Mefizelle. In [B38], S. 167-177.
5.38. Kruse, K.-D.; ter Haseborg, J.L.: Mefiverfahren zur Bestimmung elektrisch
leitfahiger Kunststoffe. In [B38], S. 179-188.
5.39. Muller, K.: Vergleichende numerische Analyse der elektromagnetischen Schirmwir-
kung von Gebauden aus Stahlbeton. In [B38], S. 659-669.
5.40. Technologie und Applikation von EMI-Abschirmmaterialien. Seminarunterlagen
der Firma CHOMERICS-GmbH 1990.
5.41. Abschirmkatalog. Firmenschrift der WACKER GmbH ELEKTRONIK, Frankfurt,
1990.
5.42. Systeme zur Abschirmung elektromagnetischer Stdrbeeinflussungen.
Firmenschrift der SCHROFF GmbH, Straubenhardt 1990.
5.43. Hunter, Ph.; BUrkner, G.: Elektromagnetische Abschiumung durch chemische
Metallisierung auf Kunststoffeinsarzen. In [B38], S. 217-226.
5.44. Klein, H.G.: Thermoplastische Kunststoffe mit elektrischer Leitfahigkeit und
Abschirmwirkung. In [B38], S. 227-234.
5.45. Severin, H.G.: ELAMET Hochvakuum-Beschichtung von Kunststoffen zur
elektromagnetischen Abschirmung. In [B38], S. 235-242.
5.46. Kinningham, B.A. u.a.: Meflmethoden fur elektromagnetisch abschirmende Mate-
rialien. In [B38], S 259-272.
5.47. Lauber, F.: Metallbeschichtung von Kunststoffgehausen. Elektronik (1989) H.13,
S. 127-129.
5.48. Neue Schirmungsbauteile ftir die elektromagnetische Abschirmung von Raumen
und Gebauden "Abgeschirmte Fenster". In [B38], S. 671-680.
5.49. NSA 65-6: Meflmethode nach "National Security Agency Specification for
R.F. Shielded Enclosures for Communication Equipment".
5.50. Storschutzfilter. Katalog der Firma Schaffner 1991.
5.51. Seric FR... Netzverteiler mit EMI-Filter. Firmenschrift der Firma Schaffner 1991.
5.52. Storschutzdrosseln. Firmenschrift der Firma Schaffner 1991.
285
5.5Э. Mooser, J.: Methoden zur Schirmkontaktierung: Kabelschirme - ein Allheilmittel?
Elektrische Energietechnik 36 (1991) H.2, S. 44-47.
6.1. Buhn, W.: Verbesserung der Storsicherheit elektronischer Gerate. rfe 32 (1983)
H.4, S. 207-211.
6.2. Nahr, H.: Storfestigkeit von Werkzeugmaschinensteuerungen. In [B39], S. 159-172.
6.3. Graichen, G.: Schutzschaltungen fttr Operationsverstarker. rfc 33(1984) H.I 1, S. 718.
6.4. Demaschek, R. u.a.: Gesleuerte Clampingschaltung zur Unterdrlickung von
Storspannungen. rfe 30 (1981) H.7, S. 470.
6.5. Turinsky, G.: Schaltungen zur Storsignalunterdrtlckung. rfe 37 (1988) H.8, S. 522,
523und531.
6.6. Flor, U.; Lorenzen, K.: Erhohung der Stbrfestigkeit durch Einsatz diskreter
Komponenten, elektronik ind. (1991) H.2, S. 14,16, 27, 28.
6.7. N.N.: Netzfilter und ihre richtige Auswahl. Elektronik-Arbeitsnlatt Nr. 95.
Elektronik 25 (1976) H.4, S. 79, 80.
6.8. Graf von Peter, F.W.: Ableitsrom als wichtiger Parameter bei der Auswahl von
Netzentstbrfiltern. Elektronik 31 (1982) НЛО, S. 91, 92.
6.9. N.N.: Storschutztransformatoren. Elektronik 32 (1983) H.4, S. 113.
6.10. Ferenczi, 6.: Power Supplies, Part B, Switehed-mode Power Supplies. Budapest:
Akademiai Kiado 1987; Amsterdam: Elsevier Science Publishers 1987.
6.11. N.N.: Entstorung von Schaltnetzteilen. elektronik-ind. 21 (1990) H.2, S. 36, 40.
6.12. Leitl, F.: Storsichere Stromzuftthrung durch CA-Technik. elektronik ind. 15 (1984)
H.2, S.15-18.
6.13. Leitl, F.: Storsichere Stromversorgung und Stromverteilung in elektronischen
Geraten. elektronik ind. 16 (1985) H.1, S. 87-90.
6.14. Kohling, A.: Signal-Schnittstellen von SPS, PC und Prozeflrechnern unter EMV-
Gesichtspunkten. In [B39], S.109-124.
6.15. Leitl, F.: Auf Anhieb storsichere Schaltungen durch EMI-CAD. Firmenschrift
der S-TEAM ELEKTRONIK GMBH.
6.16. Leitl, F.: EMV-gerechter Leiterplatten-Entwurf. Firmenschrift der S-TEAM
ELEKTRONIK GMBH.
6.17. Leitl, F.: Softwarepaket sichert die EMV. Markt & Technik (1989) Nr.ll,S. 138-140.
6.18. Leitl, F.; Binder, H.: Stdrsichere Layouts. Markt & Tech-nik (1985) Nr.47, S. 54-56.
6.19. Turinsky, G.: Komponenten des EMV-gerechten Leiterplattenentwurfs. radio
fernsehen elekreonik 40 (1991) H.2, S. 94-96.
6.20. Leitl, F.; Binder, H.: Ubertragungseigenschaften von Systembus-Strukturen.
Firmenschrift der S-IEAM ELEKTRONIK GMBH.
7.1 N.N.: Betrieb empfindlieher elektronischer Gerate und Anlagen an offentlichen
Stromversorgungsnetzen. Verband der Elektrizit&tswerke Osterreichs 1987.
7.2. Clewing, M.: Unterbrechungsfreie statische Stromversorgungsanlagen zur
Verbesserung der Storfestigkeit leittechnischer Einrichtungen. In: [B39], S. 125-145.
7.3. Ogroske, E.: Die storungsfreie Stromversorgung moderner Elektronik 33 (1984)
H.2, S. 66-77.
286
7.4. Feilke, F.; Fleisch, K.: Lastspitzenschlucker. EET (1990) H.3, S. 8-10.
7.5. Unterbrechungsfreie Stromversorgung fur Informationssysteme. Firmenschrift
der Fiskars Elektronik GmbH. Baden-Baden.
7.6. Produktfamilie USV-Systeme. Firmenschrift der Ad. Striiver KG (GmbH & Co.),
Hamburg.
7.7. Desernu, В.: EMV bei Lokalen Netzen (LANs) und Feldbussen. In: [B39], S. 97-108.
7.8. Sanetra, E.: EMV in der Fertigungstechnik. In [B39], S. 173-186.
7.9. Montandon, E.: Die Entwicklung der Hybrid-Erdung bei der PTT von 1976-1986.
Techn. Mitt. PTT 64 (1986) H.8, S. 368-379.
7.10. Montandon, E.: EMV und Blitzschutz in Gebauden mit ausgedehnten Kommuni-
kationsanlagen. In [B29], S. 441-449.
7.11. Hager, H.-D.: Blitzschutz und Erdung EMV. In [B39], S. 149-157.
7.12. Hasse, P.; Wiesinger, J.: Anforderungen und Priifunden beieinem EMV-orientier-
ten Blitz-Schutzzonen-Konzept. etz 111 (1990) H.21, S. 1108-1115.
7.13. Wiesinger, J.: Blitz-Schutzzonen: Eine EMV-orientierte Philosophic dcs Blitzschut-
zes von informationstechnisehen Anlagen. Elektrizitatswirtschaft 89 (1990) H.10,
S.521-525.
7.14. Lang, U.: Blitzschutz elektrischer und elektronischer Einrichtungen in Gebauden.
In [B29], S. 395-409.
7.15. Heidler, F.; Miiller, K.: Praktische Blirzschutzmaflnahmen bei Anlagen der
MSR-Technik. In [B29], S. 411-419.
7.16. Dorow, A.: Minimierung von Netzruckwirkungen innerhalb industrieller Strom-
versorgungen durch Netzanalyse. In [B38], S. 119-128.
7.17. Floter, W.: Leistungselektronische Einrichtungen und Elektromagnetische Vertra-
glichkeit. In [B38], S. 129-136.
7.18. N.N.: Entstortechnik - da spielen wir die erste Geige. Industrie elektrik+elektro-
nik 32 (1987) H.1,S. 19-22.
8.1. Sanetra, E.: Umweltpriifiabor zur Erprobung von Bauelementen, Komponenten
und Anlagen. Techn. Mitt. AEG-Telefunken 79 (1980) H. 2/3, S. 148-156.
8.2. DIN/VDE 0843 Teil 1 (09.87) Elektromagnetische Vertraglichkeit von Mefl-, Steuer-
und Regeieinrichtungen in der industriellen Prozefltechnik; Allgemeine Einfiihrung
(identisch mit IEC 801-1-1984).
8.3. DIN/VDE 0843 Teil 2 (09.87) Eiektromagnetische Vertraglichkeit von Mefl-, Steuer-
und Regeieinrichtungen in der industriellen Prozefitechnik; Storfestigkeit gegen
die Entladung statischer Elektrizitat; Anforderungen ung MeBverfahren (identisch
mit IEC 801-2-1984).
8.4. DIN/VDE 0843 Teil 3 (02.88) Elektromagnetische Vertraglichkeit von MeB-,
Steuer- und Regeieinrichtungen in der industriellen Prozefitechnik; Storfestigkeit
gegen elektromagnetische Felder, Anforderungen ung MeBverfahren (identisch
mit IEC 801-3-1984).
8.5. E DIN/VDE 0843 Teil 4 (09.87) Elektromagnetische Vertraglichkeit von MeB-,
287
Steuer- und Regeleinrichtungen in der iiidustriellen Prozefitechnik; Storfestigkeit
gegen schnelle transiente Storgroflen (Bursts) (identisch mit IEC 65 (CO) 39-1985).
8.6. E D1N/VDE 0846 Teil 11 (10.87) Meflgerate zur Beurteilung der Elektromagne-
tischen Vertraglichkeit; Prtifgeneratoren.
8.7. E DIN/VDE 0846 Teil 12 (10.87) Meflgerate zur Beurteilung der Elektromagne-
tischen Vertraglichkeit; Koppeleinrichtungen.
8.8. E DIN/VDE 0847 Teil 2 (10.87) Meflverfahren zur Beurteilung der Elektromagne-
tischen Vertraglichkeit; Storfestigkeit gegen IeitungsgefUhrte Stdrgrofien.
8.9. E DIN/VDE 0847 Teil 4 (01.87) Meflverfahren zur Beurteilung der Elektromagneti-
schen Vertraglichkeit; Storfestigkeit gegen gestrahlte Groflen.
8.10. IEC 801-2-1991 ESD requirements (2nd edition of IEC 801-2).
8.11. IEC 801-4-1988 Elektromagnetie compatibility for industrial-process
measurement and control equipment; electrical fast transient burst requirements.
8.12. IEC 801-5-(draft 65 (Seer.) 106) Elektromagnetie compatibility for industrial-process
measurement and control equipment; surge voltage immunity requirements.
8.13. IEC 77B (Secr.)52, Sept. 1988 First draft "Damped oscillatory waves test".
8.14. IEC 77B (Seer.) 72, Jan. 1990 "Draft Immunity test to magnetic fields".
8.15. Reichelt, W.: Zum Thema Uberspannungsspitzen nach VDE 0160. elektronikpraxis
(1988) Nr. 7, S. 34, 35.
8.16. Firmenschriften der Firmen EMIL HAEFELY & CIE AG, Bacel, Schweiz; Schaffnei
Elektronik AG, Luterbach, Schweiz; Spitzenbergen & Spies GmbH, Viechtach,
Bundesrepubiik; MWB Messwandlernau AG, Bamberg, Bundesrepublik; Rohde &
Schwarz, Munchen, Bundesrepublik.
8.17. Feser, K.: MIGUS-EMP-Simulator fur die Uberprttfung der EMV. etz 108 (1987)
НЛО, S. 420-423.
8.18. Dischinger, Т.; u.a.: MIGUS - ein flexibler Freifeldsimulator. In [B29], S. 175-186.
8.19. EMV-Testsystem fur Automobilelektronik NSG 500c, NSG 505c, Firmenschrift
der Schaffлег-Elektronik AG.
8.20. Baumann, M.: Prufgeneratjgen zur Simulation von breitbandigen Storgroflen. Bull.
SEV/VSE 75 (1984) H.7, S. 2-8.
8.21. Stecher, M.: Netznachbildungen fiir die Stormefltechnik. Firmenzeitschrift
"Neues von Rohde & Schwarz" (1987) Nr. 117, S. 15-19.
8.22. Stecher, M.: Netznachbildungen fiir EMV-Messungen an symmetrischen Schnit-
tstellen. Firmenzeitschrift "Neues von Rohde & Schwarz" (1991) Nr. 133, S. 40, 41.
8.23. Hansen, D.: Internationale EMV-Trends. etz 111 (1990) H. 7/8, S. 376-383.
8.24. Hansen, D. u.a.: Eine neuartige EMV-Testkammer, basierend auf dem hybriden
TEM-Zellen-Absorberhallenkonzept. In [B38], S. 423-443.
8.25. Automated Immunity Measurements. 6th Symp. and Technical Exhibition on EMC.
Zurich, 5.-7. Marz 1985 Tagungsbeitrage.
8.26. N.N.: Ein rechnergestUtztes Storfestigkeitstestsystem. Elektronik-Applikation.
Leinefelden-Echterdingen 26 (1986) H. 1/2, S. 47-49.
288
8.27. Stecher, M.: Accelerated and easier EMI Tests. EMC Symp. & Exhibition,
Zurich 1989, proceedings, pp. 197-202.
8.28. Werner, H.: Erfahrungen und Moglichkeiten bei der rechnergesteuerten Stor-
festigkeitsprUfung. In [B38], S. 631-644.
8.29. DIN VDE 0871 (06.78) Funkentstorung von Hochfrequenzgeraten fur industrielle,
wissenschaftliche, medizinische (ISM) ind ahnliche Zwecke (Basis: CISPR-Publ. 11).
8.30. DIN VDE 0872 Funkentstorung von Ton- und Fernsch-Rundfunkempfagern
(Basis: CISPR-Publ. 13).
8.31. DIN VDE 0873 Mefinahmen gegen Funkstdrungen durch Anlagen der Elektrizi-
tatsversorgung und elektrischer Bahnen.
8.32. DIN VDE 0875 Funkentstorung von elektrischen Betriebsmitteln und Anlagen
(Basis: CISPR-Publ. 14 u. 15).
8.33. DIN VDE 0876 Gerate zur Messung von Funkstorungen (Basis: CISPR-Publ. 16).
8.34 DIN VDE 0877 Messen von Funkstorungen (Basis: CISPR-Publ. 16).
8.35. DIN VDE 0878 Teil 1 (12.86) Funkentstorung von Anlagen und Geraten der
Fernmeldetechnik.
8.36. DIN VDE 0878 Teil 3 (11.89) Elektromagnetische Vertraglichkeit von Einrichtun-
gen der Informationsverarbeitungs- und Telekommunikationstechnik (Basis:
CISPR-Publ. 22).
8.37. DIN VDE 0879 Funkentstorung von Fahrzeugen, von Fahrzeugausrustungen
und von Verbrennungsmotoren (Basis: CISPR-Publ. 12).
8.38. MUller, K.-O.; Stecher, M.; Wolf, J.: ESHS und ESVS. Neue Funkstormeflem-
pfanger fUr 9 kHz bis 1000 MHz. ELEKTRIE 45 (1991) H.7, S. 248-251.
8.39. Ruffing, K.: Modernstes EMV-Zentrum Europas. In [B29], S. 187-190.
8.40. Gopel, K.-D.: Greding - Europas grofltes und rnodernstes EMV-Testzentrum.
"Neues von Rohde & Schwarz" (1989) Nr. 125, S. 44-46.
8.41. Schaller, R.: Planung schlusselfertiger EMV-Mefl- und PrUfzentren ftir die 90er
Jahre. ELEKTRIE 45 (1991) H.6, S. 227-230.
8.42. Schaller, R.: EMV-Mefl- und PrUfzentren, Hinwoise zur Planung und Projektierung.
EMV-Journal 2 (1991) NO. 3,S. 215-220.
9.1. Chun, E.: Elektromagnetische Vertraglichkeit - eine Handvoll Betrachtungen zur
Einfuhrung. In [B39], S. 317.
9.2. Schindler, H.: EMV-Planung bei Baumaflnahmen. etz 100 (1979) H.5, S. 229-231.
9.3. Rasek, W.: Planung der Elektromagnetischen Vertraglichkeit. etz 100 (1979)
H.5, S. 221-225.
9.4. Kohling, A.; Steinmeyer, G.: Planung der Elektromagnetischen Vertraglichkeit
von Systemen. etz 106 (1985) H.9, S. 424-426.
9.5. Kohling, A.: Planung der Elektromagnetischen Vertraglichkeit von Kranken-
hausneubauten. In [B29], S. 537-544.
10.1. Bauer, H.: Strukturen fur Leit- und Schutztechnik in Schaltanlagen. IX. Wiss.
Konf. der TH Zittau, 7.-9. 6.1989, Session VI, S. 34-39.
289
10.2. VEM-Handbuch Elektroenergieanlagen - Anlagentechnik. 1. Aufl. 1981. - Anlagen-
teile 3. Aufl. 3erlin: Verlag Technik 1984.
10.3. Bauer, H.: Entscheidungskriterien fur die Entwicklung und fur den Einsatz von mikro-
rechnergestiitzter Prozefileittechnik fur Umspannwerke. ELEKTRIE 42 (1988) H.ll,
S. 405-409.
10.4. Mahnert, H.; Thamelt, G.; Kreuzer, E.: Feldversuche zum Einsatz von Mikro-
rechnern in Umspannwerken. ELEKTRIE 37 (1983) H.12, S. 640-643.
10.5. Remde, H.: Herabsetzung transienter Uberspannungen auf Sekundarleitungen
in Schaltanlagen. Elektrizitatswirtschaft 74 (1975) H.22, S. 822-826.
10.6. Kreuser, E.; Mahnert, H.; Thamelt, G.: Niedrigpegelife Informationsubertragung
im Umspannwerk. Energietechnik 33 (1983) H.5, S. 193-196.
10.7. Reisinger, F.; u.a.: Messung transienter Uberspannungen auf
Sekundarleitungen innerhalb von 380-kV-SF6-Schaltanlagen. OZE 38 (1985) H.7/8, S. 316-328.
10.8. Strnad, A.: Beanspruchung von Sekundargeraten und Sekundarsystemen in
Hochspannungsanlagen durch elektromagnetische Stbrvorgange.
Elektrizitatswirtschaft 79 (1980) F.7, S. 232-236.
10.9. Albiez, M.; Meppelink, J.: Einkopplung von Storspannungen in geschirmte Lei-
tungen einer Schaltanlage. Bull. SEV/VSE (1989) H.5, S. 231-237.
10.10. Bauer, H.; Drefller, D.; Czybik, H.-P.; Ambrosch, H.: Betriebsfuhrung von
Schaltanlagen bei Nutzung von Mikrorechnern und Lichtwellenleitern. Konferenz
"Automatisierung und Steuerung der Verteilungsnetze II", Tabor, CSSR (12.-14. 6.
1984). Bd. 1, S. 71-80.
10.11. Bauer, H.; Langer, G.: Erhohung der Zuverlassugkeit einer modernen Prozeflleit-
technik fur Umspannwerke durch Mafinahmen zur elektromagnetischen Ver-
traglichkeit. Wiss. Z. der TU Dresden 36 (1987) H.3, S. 175-181.
10.12. Moschwitzer, A.; u.a.: Formeln der Elektrotechnik und Elektronik. Berlin:
Verlag Technik 1986; Munchen, Wien, Carl Verlag 1986.
10.13. Siisse, H.: Funkentstorung von Schaltnetzteilen. Elektronik 33 (1984) H.23,
S. 101-106.
10.14. Uberspanr.ungsschutzgerate fur Datensysteme. Druckschrift Nr. 556/86 Dehn+
+S6hne.
10.15. Uberspannungsschutzmodule - Zum Einbau in Unterputzdosen und Kabel-
kanale. Druckschrift Nr. 563/1187 Dehn+Sohne.
10.16. s.[4.5].
10.17. Langhans, D.; Rohl, D.: Lichtwellenleitersysteme. Elektronik Applikation 15
(1983) H. 89, S. 19-24.
10.18. Tischer, K.: Beeinflussung von Lichtwellenleiterstrecken in Energieanlagen.
ELEKTRIE 39 (1985) H.4, S. 129-131.
10.19. Bauer, H.; Langer, G.: Elektromagnetische Vertraglichkeit durch Fehlererken-
nungs- und Fehlertoleranzprinzipien. ELEKTRIE 42 (1988) H.I, S. 28-31.
10.20. Siemens LSA 678; Schaitfehlerschutz-System 8 TK. Firmenschrift (1988).
10.21. Drefller, D.: Mikrorechnergestutzte Prozeflfuhrung in Umspannwerken - Das
290
Schaltanlageninformationssystem Hochspannung. Wiss.-techn. Inf. des
KAAB/KEA 19 (1983) H. 4, S. 176-180.
10.22. Buchholz, В.; Kreuzer, E.; Mahnert, H.; Thamelt, Tscheschner, Chr.: Methoden
der Zuverlassigkeitssicherung integrierter mikroelektronischer Leitsysteme fur
VUW 110 kV. ELEKTRIE 42 (1988) H.7, S.256-260.
10.23. Reinhold, W.; Baumgart, A.: Chipinterne Fehlerkorreklurschaltung fiir dynami-
sche Halbleiterspeicher (DRAM). Wiss. Z. der TU Dresden 38 (1989) H.I,
S. 221-224.
10.24. Gorke, W.: Was ist Fehlertoleranz? Elektronische Rechenanlagen 26 (1984) H. 1,
S. 29-31.
10.25. Kopetz, H.: Perfektion ober Fehlertoleranz. E und M 101 (1984) H. 4, S. 172-175.
10.26. Jarrett, D.: Software fault tolerance staves off the errors that besiege uP systems.
Eiektronic Desing (1984) 8, S. 187-202.
10.27. Bauer, H.; Henkel, G.; Gniichtel, K.: Experiences during the putting into
operation of a microcomputer-aided control system in 380/110 kV substation.
Bournemouth (Grofibritannien), CIGRE-Symposium "Digital technology in power
systems" (12.- 14.6. 1989) paper 2B-19.
10.28. Comley, R.A.: Error detection and correction for memories. Microprocessors 2
(1978) 1, S. 29-33.
10.29. Bauer, H.; Obenaus, D.: Erweiterung des Funktionsinhaltes der Verarbeitungs-
ebene fiir die Schaltanlagenleittechnik auf Mikrorechnerbasis. ELEKTRIE 43
(1989) H.10,S. 375-376.
10.30. Gbrke, W.: Mikroprozessoren - Zuverlassigkeitsangaben und Testverfahren.
Zweites Darmstadter Kolloquium: Mikroprozessoren und ihre Anwendung 2.
R.Oldenbourg Verlag Munchen: 1979, S. 216-230.
10.31. Bauer, H.; Langer, G.: Modelle und Strategien fiir Prufungen der elektromagne-
tischen Vertraglichkeit. ELEKTRIE 42 (1988) H.ll, S. 409-415.
10.32. Bauer, H.: Zur Berechnung der Gefahrdungen infolge teilweiser Gleichzeitig-
keit von Fehler und Bereitschaft. ELEKTRIE 32 (1978) H.5, S. 234-240.
10.33. Pugler, F.: Blitzschutz fiir leittechnische Anlagen. atp 28 (1986) H.2, S. 81-88.
10.34. Feser, K.: Transiente Storgroflen in Energieversorgungsanlagen. Internationale
Tagung der Schiedsstelle fur Beeinflussungsfragui, Bremen (12.-14.6. 1985).
10.35. Firmenshrift LSA 678, Siemens AG, A 19 100 E135-B 356.
Оглавление
Предисловие к русскому переводу 3
Предисловие редактора 5
Предисловие 8
Введение 10
Глава первая. Основные определения. Технические,экономические и
организационные основы электромагнитной совместимости 14
1.1 Основные понятия, определения 14
1.2. Нарушение функционирования в системах 17
1.3. Цели ,и основное содержание работ в области электромагнитной
совместимости •••••••••••••••••••••••••••••••••••■•••••••••••••••••••••••••••••.••.•••••••••••••••••••••*•• 21
1.4. Экономические и организационные аспекты 22
1.5. Нормы и рекомендации по электромагнитной совместимости 23
1.6. Европейский рынок средств электромагнитной совместимости ........ 29
1.7. Симпозиумы, конференции по электромагнитной совместимости ... 30
Глава вторая. Источники и значения электромагнитных помех,
классификация окружающей среды 31
2.1. Обзоп » 31
2.2. Внутренние источники помех в системе 33
2.3. Внешние источники помех 34
2.3.1. Грозовой разряд 34
2.3.2. Разряды статического электричества 38
2.3.3. Технические электромагнитные процессы 47
2.3.4. Ядерные взрывы 51
2.4. Значения помех 54
2.4.1. Основные типы помех и диапазоны изменения их параметров 54
2.4.2. Способы описания и представления помех 56
2.4.3. Способы и средства измерений 62
2.4.4. Напряжения помех в сетях низкого напряжения 63
2.4.5. Напряжения помех в линиях связи и передачи данных 66
2.5. Классификация электромагнитной обстановки окружающей среды 68
Глава третья. Помехоустойчивость и стойкость к повреждению
чувствительных элементов 71
3.1. Обзор 71
3.2. Помехоустойчивость аналоговых систем 73
3.3. Помехоустойчивость дискретных систем 74
3.3.1. Статическая помехоустойчивость логических матриц 75
3.3.2. Динамическая помехоустойчивость логических матриц 76
3.4. Помехоустойчивость устройств автоматизации 77
3.4.1. Описание помехоустойчивости 77
3.4.2. Требования к помехоустойчивости $2
292
Глава четвертая. Механизмы появления помех и мероприятия по иж
снижению • 86
4.1. Обзор 86
4.2. Гальваническое влияние 88
4.2.1. Гальваническое влияние через цепи питания и сигнальные
контуры 88
4.2.2. Гальваническое влияние по контурам заземления 94
4.3. Емкостное влияние 97
4.3.1. Гальванически разделенные контуры 98
4.3.2. Контуры с общим проводом системы опорного потенциала ..... 99
4.3.3. Токовые контуры с большой емкостью относительно земли 103
4.3.4. Емкостное влияние молнии 105
4.4. Индуктивное влияние 106
4.5. Воздействие электромагнитного излучения 110
Глава пятая. Пассивные помехоподавляющие и защитные компоненты 112
5.1. Обзор 112
5.2. Фильтры 112
5.2.1. Принцип действия 112
5.2.2. Фильтровые элементы 117
5.2.3. Сетевые фильтры 124
5.2.4. Фильтры для сигнальных цепей и линий передачи данных 125
5.3V Ограничители перенапряжений 127
5.3.1. Принцип действия 127
5.3.2. Защитные элементы 128
5.3.3. Сетевые защитные элементы 134
5.3.4. Защитные элементы для линий передачи измерительной
информации, сигналов регулирования и управления, передачи данных 136
5.4. Экранирование 138
5.4.1. Принцип действия экранов 138
5.4.2. Материалы для изготовления экранов 141
5.4.3. Экранирование приборов и помещений 143
5.4.4. Экраны кабелей 146
5.5. Разделительные элементы 148
Глава шестая. Мероприятия по обеспечению электромагнитной
совместимости приборов 150
6.1. Обзор 150
6.2. Технические мероприятия 150
6.2.1. Схемные решения 150
6.2.2. Мероприятия, связанные с разработкой конструкции 161
6.2.3. Мероприятия, связанные с математическим обеспечением 165
6.3. Организационные мероприятия 167
Глава седьмая. Мероприятия по обеспечению электромагнитной
совместимости устройств 168
7.1. Обзор 168
7.2. Технические мероприятия 170
7.2.1. Система электропитания 170
7.2.2. Прокладка кабелей 173
7.2.3. Заземляющие устройстрг» 176
293
7.2.4. Ограничение грозовых и коммутационных перенапряжений 178
7.2.5. Мероприятия по снижению влияния разрядов статического
электричества 180
7.2.6. Устранение влияния электромагнитного излучения 181
7.2.7. Зашита от влияния выпрямительных устройств 181
7.2.8. Защита от влияния электромагнитов 182
7.3. Организационные мероприятия 184
Глава восьмая. Испытания и подтверждение электромагнитной
совместимости • • 185
8.1. Обзор 185
8.2. Проверка собственной помехоустойчивости 186
8.3. Испытания на устойчивость к внешним помехам 187
8.3.1. Постановка задачи 187
8.3.2. Испытательные генераторы помех 187
8.3.3. Технологическая подготовка к испытаниям 192
8.3.4. Устойчивость к помехам, поступающим по проводам 194
8.3.5. Помехоустойчивость при воздействии разрядов статического
электричества • • ...••••• • 198
8.3.6. Помехоустойчивость к воздействиям поля 199
8.3.7. Оценка результатов испытаний и документация 203
8.3.8. Автоматизированные испытания на помехоустойчивость 204
8.4. Измерение эмиссии помех 206
8.4.1. Обзор 206
8.4.2. Измеряемые величины и измерительные средства 207
8.4.3. Измерение помех, приходящих по проводам 210
8.4.4. Измерение помех, вызванных полем 213
8.5. Измерительные и испытательные центры 216
Глава девятая. Планирование и развитие работ по электромагнитной
совместимости 217
9.1. Обзор 217
9.2. Работы по электромагнитной совместимости на стадии эскизного
проектирования продукции 218
9.3. Работы по электромагнитной совместимости на стадии рабочего
проектирования •••••• 220
Глава десятая. Особенности обеспечения электромагнитной
совместимости систем управления на подстанциях 222
10.1. Обзор 222
10.2. Мероприятия по снижению проникновения помех 225
10.2.1. Гальваническая развязка 225
10.2.2. Экранирование и заземление модулей и линий - 228
10.2.3. Защитные схемы входов и выходов 235
10.2.4. Применение световодов 240
10.3. Снижение проникших помех средствами вычислительной техники
10.3.1. Логические барьеры 241
10.3.2. Целесообразный выбор переходов состояний 243
10.3.3. Контроль состояний и распознавание ошибок 244
10.3.4. Установление допуска ошибок путем использования
избыточности 246
294
10.4. Борьба с проникшими помехами программными средствами 247
10.4.1. Постановка задач 247
10.4.2. Распознавание искажения данных 248
10.4.3. Обнаружение искажения программы 251
10.4.4. Установление допусков помех с использованием
избыточности • • 255
10.5. Проверка эффективности мероприятий по обеспечению
электромагнитной совместимости 257
10.5.1. Особенности и проблемы проверки 257
10.5.2. Основы и модели испытаний 257
10.5.3. Стратегия испытаний 261
10.5.4. Виды испытаний 262
10.6. Системное обеспечение электромагнитной совместимости 264
Приложение I. Стандарты МЭК 267
Приложение 2. Государственные стандарты 268
Приложение 3. НормыГКРЧ 271
Приложение 4. Отраслевые стандарты 273
Список литературы 277
Производственно-практическое издание
Хабигер Эрнст
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
Основы ее обеспечения в технике
Зав. редакцией Т.Н. Платова
Редактор Н.Л Пароева
Художественный редактор Т.А. Дворецкова
Художник обложки В.А. Гозан-Хозак
Технические редакторы Г.Г. Самсонова, Г.В. Преображенская
Корректор Н.И. Курдюкова
ИБ № 4003
ЛР № 010256 от 07.07.92
Набор выполнен в издательстве. Подписано в печать с оригинал-макета 29.05.95.
Формат 60 х 88 1/16. Бумага офсетная № 2. Печать офсетная. Усл. печ. л. 18,62. Усл.
кр.-отт. 18,86. Уч.-изд. л. 19,51. Тираж 103С экз. Заказ 908. С036.
Энергоатомиздат. 113114. Москва М-114, Шлюзовая наб., 10.
Отпечатано в Московской типографии № 9 Комитета Российской Федерации по печати
109033, Москва, Волочаевская ул., 40.