CC BY
53
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ ПРИ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ ПО СЕТИ ПИТАНИЯ
З.М. ГИЗАТУЛЛИН Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
Размещение современных электронных средств (ЭС) на объектах электроэнергетики часто сталкивается с проблемой обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС). В данной работе проводится анализ функционирования цифровых ЭС при воздействии микросекундных и наносекундных импульсных помех по сети питания.
Электромагнитная обстановка на энергообъектах является достаточно жесткой. Это связано с тем, что на небольшом расстоянии от элементов автоматизированных систем управления находятся аппараты и конструкции, способные нести значительные токи и потенциалы, а также создавать электромагнитные поля высокой напряженности. При этом элементы нижнего уровня автоматизированных систем управления испытываются на ЭМС с учетом специфики жесткой электромагнитной обстановки на энергообъектах. В то же время, в большинстве случаев верхний уровень автоматизированных систем управления строится на основе обычных электронных средств, к которым не предъявляется очень высоких требований помехоустойчивости. Все это обеспечивает высокую вероятность сбоя или выхода из строя всей автоматизированной системы управления или ее отдельных элементов. Таким образом, задача обеспечения ЭМС элементов автоматизированных систем управления приобретает высокую актуальность [1, 2].
Статистика отказов ЭС энергообъектов при выполнении испытаний на ЭМС, полученная при проведении сертификации в РАО «ЕЭС России», позволяет выявить структуру источников, приводящих к нарушению ЭМС (рис. 1, табл. 1) [2].
Рис. 1. Статистика отказов ЭС при испытаниях на ЭМС (МИП - микросекундные импульсные помехи, НИП - наносекундные импульсные помехи, ЭСР - электростатический разряд; ДИН -динамические изменения напряжения сети электропитания)
Как видно из рис. 1, лишь незначительный процент ЭС с первого раза удовлетворяет требованиям ЭМС. Обычно это ЭС производителей с мировым именем, внедривших собственные системы качества и испытаний на ЭМС.
© З.М. Гизатуллин
Проблемы энергетики, 2007, № 9-10
Аппаратура многих менее известных производителей (в том числе российских) не выдерживает испытаний из-за явно недостаточной проработки вопросов ЭМС. В ходе испытаний выявляются слабые места, которые подлежат модернизации при последующей доводке. Установка дополнительных защитных элементов, изменения в конструкции корпуса, функциональных модулях и схеме несомненно приводят к существенному повышению себестоимости проектируемых ЭС и к увеличению сроков ввода их в эксплуатацию.
Таблица 1
Источники и типичные отказы ЭС при испытаниях на ЭМС
Тип помехи Основные источники Последствия воздействия помехи
МИП Разряд молнии, коммутационные процессы в мощных источниках, аварийные короткие замыкания и преднамеренные источники Разрушение входных элементов (трансформаторов, оптронов, преобразователей и т.п.); выход из строя логических элементов; перегорание предохранительных элементов
НИП Электроинструменты, коммутации в электроустановках и преднамеренные источники (средства электромагнитного террора, импульс ядерного взрыва) Ложное срабатывание логических схем; перезагрузка из-за срабатывания сторожевых таймеров и других средств самоконтроля; "зависание" ЭС из-за появления ошибок в программах и данных; невосстанавливающееся повреждение интегральных схем
ЭСР Электростатический разряд с тела человека, малой мебели и инструментов [3] Перезагрузки из-за срабатывания сторожевых таймеров и других средств самоконтроля; "зависание" ЭС из-за появления ошибок в программах и данных; невосстанавливающееся повреждение интегральных схем [3]
ДИН Провалы, прерывания и выбросы напряжения в сети питания Перезагрузка ЭС, потеря информации, повреждение источников питания ЭС
Целью данной работы является анализ функционирования цифровых ЭС при электромагнитных воздействиях микросекундного и наносекундного диапазона по сети питания. Источниками данных помех могут являться: разряд молнии, средства электромагнитного террора, короткое замыкание в линиях электропередач, коммутационные процессы и др. Анализ функционирования цифровых ЭС при электромагнитных воздействиях по сети питания может быть проведен на этапе их проектирования, и тем самым заранее могут быть приняты необходимые меры по обеспечению ЭМС.
В работе рассматриваются типичные электромагнитные импульсы, воздействующие по сети питания (табл. 2) [4, 5, 6]. Наиболее часто форма импульсов представляет собой двойную экспоненту.
Анализ функционирования цифровых ЭС при воздействии по сети питания электромагнитных импульсов предлагается проводить на программном комплексе схемотехнического моделирования ПА-9 путем имитационного моделирования. Объект исследования в ПА-9 задается графическим изображением эквивалентной схемы, которая представляет собой совокупность связанных между собой по определенным правилам элементов, являющихся математическими моделями компонентов анализируемой системы. По графическому изображению автоматически формируется математическая модель в виде системы дифференциально-алгебраических уравнений, описывающей © Проблемы энергетики, 2007, № 9-10
динамические процессы. При проведении анализа во временной области необходимо знать совокупность начальных условий, которым удовлетворяют напряжения и токи исследуемой системы в определенный момент времени *. Будем полагать, что в момент *=0 напряжения и токи в системе отсутствуют, т.е. начальные условия имеют следующий вид: [К(0)]=0; [г(0)]=0.
Таблица 2
Параметры электромагнитных импульсовоздействующих по сети питания
Вариант импульса Длительность фронта 1фР Длительность импульса на уровне 50 % t50% Пиковое значение Um, кВ Частота повторения импульсов
1 30 нс 60 нс-10 мкс 1,5 5 Гц
2 1 мкс 10 мкс 5-15 -
3 5 нс 50 нс 0,5-4,5 1 Гц-1МГц
4 1,2 мкс 50 мкс 0,5-4,5 12 импульсов в минуту
5 10 мкс 700 мкс 0,5-4,5 -
Для интегрирования системы уравнений в ПА-9 применяются неявные А-устойчивые методы интегрирования: метод Эйлера (1-го порядка точности) и метод трапеций (2-го порядка точности). Результаты моделирования
отображаются в виде графиков зависимостей фазовых переменных (напряжения, тока) моделируемого объекта от времени. ПА-9 может функционировать на любой платформе, для которой имеется среда Java и может использоваться как самостоятельное приложение, так и в виде апплета в среде HTML-браузера [7].
Для проведения имитационного моделирования в ПА-9 разработаны (рис. 2): модель источника преднамеренных электромагнитных воздействий по сети питания; упрощенная модель трансформаторного блока питания ЭС; модель цифрового функционального узла ЭС на основе ТТЛ логики (рис. 3).
Рис. 2. Имитационная модель для анализа функционирования цифровых ЭС при электромагнитных воздействиях по сети питания
Имитационная модель включает в себя следующие элементы: Е1 -источник преднамеренных электромагнитных воздействий по сети питания (параметры импульсов табл. 2); С1 - эквивалентную проходную емкость трансформатора блока питания; С2 - выходную емкость блока питания; С3 -эквивалентную суммарную емкость системы питания; С4 - блокировочный конденсатор на корпусе микросхемы; Ь1 - эквивалентную индуктивность трансформатора; Ь2 - индуктивность проводов в блоке питания; Ь3 -индуктивность системы питания в каркасе; Ь4 - индуктивность шин питания в модуле; 2 элемента 3И-НЕ с ТТЛ логикой (рис. 3) [8].
Рис. 3. Модель элемента 3И-НЕ с ТТЛ логикой
Примеры анализа функционирования цифрового ЭС при воздействии по сети питания приведены на рис. 4.
б)
ш~к
к)
Рис. 4. Изменение напряжения питания и информационного сигнала на выходе цифрового узла ЭС при воздействии по сети питания (а, б - 1 вариант импульса; в, г - 2 вариант импульса; д, е - 3 вариант импульса; ж, з - 4 вариант импульса; и, к - 5 вариант импульса)
Из рис. 4 видно, что при воздействии по сети питания электромагнитные помехи приводят к колебанию напряжения питания цифровых узлов ЭС (при рассмотренных вариантах импульсов 1-5: рис. 4,я, 4,в, 4,д, 4,ж, 4, и соответственно) и далее к колебанию уровня логической «1» обрабатываемых в цифровом узле информационных сигналов (рис. 4,б, 4,г, 4,е, 4,з, 4к
соответственно). Минимальная величина логического уровня «1» для цифровых элементов ТТЛ-типа составляет 2,4 В (при напряжении питания 5 В). В табл. 3 приведены сводные результаты исследования минимального уровня микросекундных и наносекундных импульсных помех по сети питания, приводящих к сбою цифрового ЭС.
Таким образом, по результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы:
1. При воздействии высоковольтных микросекундных и наносекундных
электромагнитных помех по сети питания цифровые узлы ЭС дают сбой даже при относительных малых амплитудах воздействия (~ 600 В).
2. Частота повторения воздействующего по сети питания импульса (от 100 Гц до 1 МГц) не оказывает существенного влияния на функционирование цифровых ЭС, т.к. само ЭС работает в диапазоне частот свыше 20 МГц.
3. Наиболее опасными, при рассмотренных исходных данных исследуемого объекта, являются импульсы с наименьшими передними фронтами (наибольшие в наносекундном диапазоне и меньшие в микросекундном диапазоне).
Таблица 3
Сводная таблица результатов анализа
Вариант импульса Фронт, нс Длительность импульса на уровне 50 %, нс Частота повторения импульса, Гц Амплитуды импульса, В
1 1,1 30 60 5 1250
1,2 30 600 5 600
1,3 30 103 5 620
1,4 30 5103 5 660
1,5 30 104 5 680
2 103 104 - 6780
3 3,1 5 50 102 1100
3,2 5 50 104 1100
3,3 5 50 106 1100
4 1,2103 5104 - 1100
5 104 7105 - 15000
Summary
The accomodation of the modern electronic devices on object of energy creates the problems to electromagnetic compatibility. In given work is conducted analysis of the operation digital electronic devices at influence микросекундных and наносекундных of the pulsed hindrances on network of the power supply.
Литература
1. Костин М. К., Матвеев М. В. Проблемы и методы контроля электромагнитной обстановки на энергообъектах // Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология: Сб. докл. IV Междунар. симпозиума. - С-Пб, 2001. - С. 40-44.
2. Матвеев М.В. Электромагнитная обстановка на объектах определяет ЭМС цифровой аппаратуры // Новости электротехники. - 2002. - №1. - С. 23-27.
3. Гизатуллин З.М., Чермошенцев С.Ф. Средства и модели для анализа воздействия электростатического разряда на функционирование цифровых элементов электронных средств // Информационные технологии. - 2005. - №9. -С. 46-54.
4. ГОСТ Р 51317.4.4-99. Совместимость технических средств
электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам.
Требования и методы испытаний.
5. ГОСТ Р 51317.4.5-99. Совместимость технических средств
электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам
большой энергии. Требования и методы испытаний.
6. Электромагнитный терроризм на рубеже тысячелетия / Под. ред. Т.Р.
Газизова. - Томск: Изд. ТГУ, 2002. - 206 с.
7. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учебник для вузов. - М.: Изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 336 с.
8. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. -М.: Высш. школа, 2006. - 799 с.
Поступила 07.03.2007
