ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОБСТАНОВКА И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПОМЕХ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ СВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Проблема электромагнитной совместимости. Электромагнитная обстановка и анализ источников помех для оборудования связи

о см о см

о ш т

X

<

т О X X

Колесников Роман Александрович

аспирант, кафедра «Радиотехнические системы», Московский технический университет связи и информатики, r.col201061@gmail.com

Зюзин Владислав Дмитриевич

магистрант, кафедра «Сети и системы коммутации», Московский технический университет связи и информатики, vlados9495@gmail.com

Воронцов Антон Игоревич

магистрант, кафедра «Математической кибернетики», Московский технический университет связи и информатики, admin@panteon.fun

Лопухов Роман Сергеевич

магистрант, кафедра «Сети связи и системы коммутации», Московский технический университет связи и информатики, roma111997@mail.ru

Багажков Дмитрий Игоревич

студент, кафедра «Информационная безопасность», Московский технический университет связи и информатики, dima1999_23@icloud.com

Электромагнитная совместимость (ЭМС) - способность технического средства не изменять своих качественных характеристик при оказании на него электромагнитного воздействия в заданной электромагнитной обстановке.

Электромагнитная обстановка (ЭМО) - электромагнитная характеристика данной местности в указанном временном или частотном диапазоне.

В общем случае обеспечение ЭМС можно разделить на несколько пунктов:

1) Организационное меры обеспечения ЭМС в виде нормативно-технических документов, организационно-дисциплинарных решений по обеспечению благоприятной ЭМО или уменьшения влияния электромагнитных помех на техническое устройство;

2) Совокупность технических мероприятий по обеспечению ЭМС;

3) Лабораторное исследование, для проверки того или иного ТС на ЭМС;

4) Комплекс мероприятий, в результате которых определяется соответствие определенного типа ТС государственным, международным или другим стандартам на ЭМС. В результате лабораторных испытаний выдается сертификат, отображающий все детали хода испытаний. Сертификат содержит результаты испытаний, отображающие соответствие ТС стандарту, а также уровень максимально возможных создаваемых ЭМП. Ключевые слова. помеха, электромагнитный, тип сигнала, эмп, влияние, сигнал, источник, основной, провод-провод, связь, частота, являться, провод-земля.

Анализ и методы исследования ЭМС

Электромагнитная совместимость (ЭМС) - способность технического средства не изменять своих качественных характеристик при оказании на него электромагнитного воздействия в заданной электромагнитной обстановке.

Электромагнитная обстановка (ЭМО) - электромагнитная характеристика данной местности в указанном временном или частотном диапазоне.

Техническим средством принято называть любое устройство, основанное на работе с использованием электромагнитных явлений [6]. Такие устройства имеют два основных типа электромагнитных явлений: полезные и помехи. Первые обуславливают работу ТС, являются основой для его функционирования. Электромагнитными помехами (ЭМП) называют побочные электромагнитные явления, оказываемыми негативный эффект как на сам источник, так и на другие ТС. Первой задачей обеспечения ЭМС является детектирование, детерминирование, ликвидация или частичная ликвидация влияния электромагнитной помехи. Второй задачей необходимо отметить принятие совокупности мер по обеспечению электромагнитной устойчивости ТС. В этом случае акцентируется защита самого ТС от влияний ЭМП.

В общем случае обеспечение ЭМС можно разделить на несколько пунктов:

1) Организационное меры обеспечения ЭМС в виде нормативно-технических документов, организационно-дисциплинарных решений по обеспечению благоприятной ЭМО или уменьшения влияния электромагнитных помех на техническое устройство;

2) Совокупность технических мероприятий по обеспечению ЭМС;

3) Лабораторное исследование, для проверки того или иного ТС на ЭМС;

4) Комплекс мероприятий, в результате которых определяется соответствие определенного типа ТС государственным, международным или другим стандартам на ЭМС. В результате лабораторных испытаний выдается сертификат, отображающий все детали хода испытаний. Сертификат содержит результаты испытаний, отображающие соответствие ТС стандарту, а также уровень максимально возможных создаваемых ЭМП [10].

Проблема электромагнитной совместимости

Проблема ЭМС стала набирать существенную силу в середине двадцатого века, в период бурного развития радиоэлектроники и появления ряда радиослужб. В отечественной литературе данная проблема была впервые описана как исторический факт, возникший в ходе операции сухопутных войск русской армии в 1900 году.

С появлением портативных полевых телеграфов, созданных А. Поповым, которые могли работать на большие расстояния, проблема стала наиболее актуальной. В ходе полевых испытаний, появились первые выводы

о ЭМС данных устройств. Работники связи, обеспечивающие функционирование телеграфных радиостанций, отметили что если в обслуживаемой зоне станции работают другие станции, то одновременная работа становится невозможной.

В дальнейшем развитие основных направлений проблемы ЭМС обрело более интенсивный характер в области радиочастот [4]. В связи с освоением более высоких рабочих диапазонов частот, увеличилось и влияние ТС. В истории исследования данного вопроса можно выделить несколько этапов использования радиочастот:

1) Этап использования ТС, работающих в НЧ и СЧ диапазонах частот, не оказывающих существенного влияния друг на друга и не проявляя проблему ЭМС в международном масштабе;

2) Этап использования ТС, которые работают в области ВЧ и использование которых обусловило необходимость международной кооперации для распределения полос частот для обеспечения электромагнитной совместимости. Верхний предел в ~60МГц был установлен в конце 1927 года;

3) Этап использования радиоэлектронных средств, включающих работу на частотах до 401 ГГц.

Сейчас можно сказать что проблема электромагнитной совместимости набирает все большие обороты в реалиях современного научно-технического прогресса.

Электромагнитная обстановка

Электромагнитная совместимость напрямую зависит от электромагнитной обстановки. Понятие жесткости ЭМО подразумевает собой обобщенную характеристику кондуктивных и изучаемых помех в области действия ТС и определяется условиями места функционирования, а также деталями монтажа и установки технических средств. Определяют четыре группы жесткости:

- Первая группа: Легкая ЭМО;

- Вторая группа: ЭМО средней жесткости;

- Третья группа: Жесткая ЭМО;

- Четвертая группа: Крайне жесткая ЭМО.

В ГОСТ Р 50746-2000 описаны основные характеристики, описывающие жесткость электромагнитной обстановки. В зависимости от условий монтажа, особенностей размещения и других факторов, таких как: характеристики заземления, свойств экранирования тех или иных помещений, типа источника питания средств защиты от перенапряжения и других особенностей установки.

Под критерием качества работы ТС принимают совокупность параметров и свойств, которые характеризуют особенности работы данного ТС в условиях наличия помехи [9]. Существуют 4 группы критериев качества функционирования ТС под воздействием помех:

- Критерий А: воздействие помехи никак не влияет на работу ТС пока соблюдаются условия его работы и выполняются стандарты, присущие данному ТС;

- Критерий Б: воздействие электромагнитной помехи допустимо влияет на функционирование ТС. При ее отсутствии ТС не изменяет своих свойств и характеристик и способно самостоятельно восстановить свою работу после воздействия ЭМП;

- Критерий ^ воздействие электромагнитной помехи допустимо влияет на функционирование ТС. При прекращении ее действия ТС требует вмешательства специализированного персонала для восстановления своих свойств функционирования после чего возможна дальнейшая эксплуатация;

- Критерий D: воздействие ЭМП наносит физическое повреждение ТС и ее компонентам. Дальнейшая эксплуатация возможна только после ремонта.

В ГОСТ Р 50746 определены основные требования к устойчивости ТС к помехам. К таким требованиям относятся:

- Микросекундный импульсный шум высокой энергии;

- Динамические изменения напряжения питания;

- Интерференция наносекундных импульсов;

- Электростатический разряд;

- Радиочастотное электромагнитное поле;

- Магнитное поле промышленной частоты;

- Импульсное магнитное поле;

- Помехи, вызванные радиочастотными полями;

- Колебательные ослабленные помехи;

- Колебания напряжения питания;

- Кондуктивные помехи в диапазоне частот от 0 до 150 кГц;

- Изменения частоты в энергосистемах;

- Токи кратковременного синусоидального шума с частотой 50 Гц в цепях защиты сигналов и заземления;

- Искажение синусоидального напряжения питания.

Электромагнитная среда установки определяется

следующими типами помех, классифицированных в стандарте ГОСТ Р 51317.25:

- Низкочастотные кондуктивные и излучаемые электромагнитные помехи, вызванные источником, отличным от электростатического разряда;

- Высокочастотные электромагнитные и излучаемые электромагнитные помехи, вызванные любым источником, кроме электростатического разряда;

- Электростатический разряд.

Таблица 1

Низкочастотные ЭМП Высокочастотные ЭМП

Кондуктивные Излучае- Кондуктивные Излучаемые

мые

- гармоники, интер- - магнит- - напряжения - магнитные

гармоники напряже- ные поля или токи не- поля

ния питания - электри- прерывных ко- - электриче-

- сигналы напряже- ческие лебаний ские и элек-

ния, передаваемые поля - апериодиче- тромагнитные

в энергосистемах ские и поля

- колебания напря- колебатель-

жения питания ные переход-

- обрывы, короткие ные процессы.

всплески и про-

садки напряжения

- отклонение напря-

жения питания

- дисбаланс напря-

жения в трехфаз-

ных энергосистемах

- изменение ча-

стоты напряжения

питания

- постоянные со-

стовляющие в си-

стемах перемен-

ного тока

X X

о

го А с.

X

го т

о

Влияющие на работу ТС факторы в промышленных условиях, весьма разнообразны. И чем крупнее промышленное предприятие, тем большее количество факторов важно учитывать при оценке ЭМО.

м о м о

о см о см

о ш т

X

3

<

т О X X

Электромагнитная среда любого объекта характеризуется следующими основными факторами:

- Влияние системы управления предприятия на включенное в нее оборудование: система оказывает влияние на работу ее компонентов, в которую они включены: другое электронное оборудование системы и помехи, создаваемые в ней;

- Плохое заземление: на работу технического оборудования влияют проблемы заземления оборудования и отсутствие специально разработанных систем заземления;

- Колебания линии электропередач: на работу технических средств влияют кратковременные отклонения, колебания и перебои напряжения питания, просадки и перенапряжения напряжения питания, изменение частоты напряжения питания, присутствие постоянной составляющей питающего напряжения.

Стоит заметить, что любые ТС, которые устанавливаются на том или ином предприятии вносят свои недостатки в общую картину ЭМО. Они могут создавать собственный электромагнитные помехи и наводки, который влияют на другое оборудование на данном предприятии, что в свою очередь ухудшает качество работы системы управления, а также характеристики ЭМО. В целом, это может привести к некорректной работе системы управления, несанкционированным срабатыванием систем защитного выключения или включения, что вызывает дополнительные последствия на дальнейшую работу системы.

Средства по улучшению ЭМО могут быть самыми разнообразными, но в первую очередь должны решаться на этапе проектирования систем с использованием ТС. ЭМО зависит от множества факторов и не всегда бывает стабильной, особенно на предприятиях, где используются большие генераторы и трансформаторы [3]. В таких случаях обычными средствами, как внедрением фильтров, экранированием и установкой разного рода защит обойтись невозможно. В критических ситуациях, такого типа обычно поднимаются задачи по обеспечению максимальной надежности и ЭМС самих ТС, что в свою очередь ставит перед собой ряд других задач, порой не зависящихся от ЭМО на предприятии.

Электромагнитная совместимость

В тенденции современного научно-технического прогресса ЭМС занимает все большую часть. Уменьшается размер электронных компонентов, а вместе с этим растет степень влияния таких элементов друг на друга. Малейшее негативное электромагнитное влияние ведет по меньшей мере к ошибкам в работе ТС, а зачастую и к физической неисправности [1]. Влияние природных составляющих, как разряды молний также могут оказывать влияние на оборудование. Существенные помехи вызывают радиорелейные линии передач.

Рассмотрим условия появления помехи:

- Существует источник и приемник помех;

- Существует потенциально возможная связь между ними.

Выполнив эти два условия можно сказать о появлении помехи, но только тогда, когда воздействие источника помех на приемник будет превышать допустимое значение.

На рисунке 3 показано влияние помехи на измерительную линию промышленных весов.

+ .уд

Рисунок 1 - Влияние помехи на измерительную линию

Исходя из определения электромагнитной совместимости можно выделить несколько основных целей:

- Уменьшение или ограничение воздействия электромагнитной помехи, вызываемой ТС;

- Улучшение свойств электромагнитной защищенности ТС, возможность сохранять стабильную работу, не смотря на воздействие электромагнитной помехи;

- Исключения электромагнитного влияния ТС на окружающую среду и человека;

- Регламентация и стандартизация по обеспечению ЭМС.

Электромагнитная помеха

Основной причиной появления проблемы электромагнитной совместимости является возможность возникновения электромагнитной помехи (ЭМП). Источниками ЭМП может быть, как природные явления, так и созданные человекам, возникшие в ходе работы ТС [8]. По типу источника электромагнитные помехи подразделяют на искусственные и естественные.

Искусственными электромагнитными помехами обычно называют непреднамеренные электростатические разряды, электромагнитные поля, вызываемые ТС и оказывающие влияние на другие ТС. Такие процессы чаще всего возникают на оборудовании связи, электропитания, а именно где используется большое количество мощной электромагнитной аппаратуры. Источниками такого рода помех можно назвать:

- Трансформаторное оборудование;

- Радио и телевышки;

- Диффсистемы;

- СВЧ техника.

Также искусственные электромагнитные помехи можно разделить по типу воздействия на 2 основные группы:

Функциональная ЭМП; Нефункциональная ЭМП.

Функциональная помеха для самого источника является полезным сигналом. Так, к такого рода помехам относят сигнал линий связи, который помимо полезного сигнала содержит в себе помеху. Под нефункциональной помехой обычно понимают ЭМП, которая для ее источника не является полезной информацией.

Естественными ЭМП являются такие помехи, которые создаются независимо от влияния человека. Например, помехи, создаваемые в ходе разряда молний, электростатические разряды и другие электромагнитные поля, имеющие натуральную природу происхождения.

На рисунке 4 представлена схема, описывающая классификацию источников ЭМП.

На рисунке 5 отображена схема, отображающая классификацию электромагнитных помех по ее типу и ЭМС по типу воздействия.

|ГНкГЧ|1НГ

Естегоскнм ЭМП

удары мо/юч.

' »л*«троствтрч«м* рМрйДЫ

■ Природ-*« Агектроим'нниниг гн ЭЛЯ

: э I .VIг ] ■ —

{"О^ИЙОМ.

ЯПЬМНМ НЗНЧЖТ К

И€«уеСТ*»нч»ЭМП ШШ«« РЛЬОТО* ТНИ|»4№И1 уПрйАЛЬ

ишут^ри! 1 СРТЛ,

с I роуе ни ЛОЛ»

(М : цлисми нщ

иного со ш иыия поыетэ налягте к пол*1мым циклон Кси«(гнитш II тронет 1 рлдкк М 1г*. ''"11Ацрйм иг'лн ДО* и

< Н - ¡4 ТД

д» ней имен ■■метнг а побочны*! ДГМСТЛ^Ч.

обсргЛО«***, РЫЦЦДО П*ПНН1С9 ХкПИрнчктн: "'Л

Рисунок 2 - Классификация источников ЭМП

'Электромагнитные помехи

> f 1 Г

Кондуктнвные Индуктивные

1 Г \

Провол-про1н>;] Провод-« мл»

Электромагнитная совместимость (ЕМС)

Электромагнитные излучения (ЕМ1) Электромагнитная чувствительность (ЕМ5)

Наведённые помехи Излучаемые помехи Устойчивость кнаведеным помехам УстоГтаостъ кнзл/<аемьм помехам

Рисунок 4 - Электромагнитная совместимость

Как представлено на рисунке 7 роду среды распространения ЭМП подразделяются на индуктивные и кон-дуктивные.

Индуктивными называются помехи, распространяемые электромагнитными полями по непроводящим средам [2]. К примеру, помехи, вызванные радиорелейными линиями передач, средствами спутниковой и мобильной связи. Влияние таких помех обуславливается возникающими электромагнитными полями, которые работают по принципу генератора и не имеют постоянной составляющей. Как правило индуктивные помехи подразделяют на две группы: высоко и низкочастотные. Такого рода помехи характеризируются достаточно мощным электромагнитным полем, которые способно привести не только к искажению сигнала, но и выходу из строя приемных устройств, а в некоторых случаях и фидерных, если влияние электромагнитная помеха попадает на вход питания аппаратуры. Принцип влияния индуктивных ЭМП показано на рисунке 8.

Рисунок 3 - Типы ЭМП

На рисунке 6 показана зависимость выбора типа обеспечения электромагнитной совместимости по типу излучаемых помех.

Рисунок 6 - Влияние ЭМП в инфокоммуникационных сетях

На рисунке показано поле Еп подвергается электромагнитному влиянию извне, что приводит к искажению сигнала на оконечных станциях связи.

Кондуктивными называются помехи, которые распространяются по токопроводящим средам и земле. Помехи такого типа подразделяют на помехи «провод-земля» и «провод-провод». Такая градация вызвана неоднородностью источника влияния таких помех. При возникновении помехи типа «провод-земля» (несимметричная помеха) напряжение наводится между питающим участком цепи и землей. Несимметричная помеха обычно не оказывает никакого влияния на низких частотах, соответственно влиянием такой помехи пожно пренебречь. Однако, на высоких частотах, такие помехи являются критичными, так как их в основном сложно локализировать, обуславливая это сложностью определения места связи паразитных емкостей с цепью тока помехи. При помехе типа «провод-провод» (симметричная помеха) напряжение наводится между несколькими различными проводниками цепи. Симметричная помеха преобладает на низких частотах. На рисунках 9 и 10 показана схема положения помех типа «провод-земля» и «провод-провод».

X X

о

го А с.

X

го т

о

Рисунок 7 - Схема «провод-земля»

м о м о

Рисунок 5 - Электромагнитные помехи

о

CS

о

CS

о ш m

X

3

<

m О X X

Рисунок 8 - Схема «провод-провод»

На практике, помехи каждого из данных типов по отдельности встречаются довольно редко. Чаще всего они представляют собой симбиоз помех типа «провод-земля» и «провод-провод». Не идеальность реальных цепей передачи и приема сигнала порождает процесс преобразования помехи "провод-земля" в помеху типа "провод-провод". Асимметрия выходных цепей и входных сетей приемника приводит к появлению помехи «провод-провод» [5].

Также существует еще одна классификация электромагнитных помех. ЭМП подразделяются по ширине спектра на узкополосные и широкополосные.

Узкополосными называются ЭМП, энергия которых концентрируется на узкой полосе частот.

Широкополосными считаются электромагнитные помехи, энергия которых равномерно распределена на широком спектре частот.

Заключение

Таким образом, от типа ТС зависит то, какого типа и рода помеха будет оказывать на него максимальное влияние. Оценив характеристику помехи, ее спектр можно оценить возможное воздействие на передаваемый сигнал и, соответственно принять меры по предотвращению потерь, а также организовать защиту ТС от физического повреждения, если такое возможно.

В средствах связи появление помех обусловлено тем, что помимо основного синусоидального сигнала обычно передаются его гармоники, являющимися производными от основной частоты основного сигнала [7].

Литература

1. Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев, В.Д. Ко-чержевский. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. - М.: Горячая Линия - Телеком, 2007. - 496 с.

2. С.Г. Григорьян. Конструирование электронных устройств систем автоматизации и вычислительной техники. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2007. - 304 с.

3. Н.И. Листопад, В.М. Козел, К.Л. Горбачев, К.А. Ковалев. Системы и сети цифровой радиосвязи. - М.: Издательство Гревцова, 2009. - 200 с.

4. Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. Силовая электроника. - М.: МЭИ, 2009. - 632 с.

5. А.М. Сомов, В.В. Старостин. Распространение радиоволн. - М.: Гелиос АРВ, 2010. - 264 с.

6. Г.Я. Вагин, А.Б. Лоскутов, А.А. Севостьянов. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. - М.: Академия, 2010. - 224 с.

7. Н.Г. Калугин. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. - М.: Академия, 2011. - 192 с.

8. Г.Я. Вагин, А.Б. Лоскутов, А.А. Севостьянов. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. - М.: Академия, 2011. - 224 с.

9. Справочник по радиоэлектронным системам. В 2 томах (комплект.. - М.: Энергия, 1979. - 624 с.

10. Л.Н. Кечиев, П.В. Степанов. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. - М.: Издательский Дом "Технологии", 2005. - 320 с.

The problem of electromagnetic compatibility.

Electromagnetic environment and analysis of interference sources for communication equipment Kolestnikov R.A., Zyuzin V.D., Vorontsov A.I., Lopukhov R.S., Bagazhkov D.I.

Moscow Technical University of Communications and Informatics Electromagnetic compatibility (EMC) - the ability of a technical device not to change its quality characteristics when it is exposed to electromagnetic influence in a given electromagnetic environment. Electromagnetic environment (EMO) - the electromagnetic characteristic of a given area in the specified time or frequency range.

In General, the provision of EMS can be divided into several points:

1) Organizational measures to ensure EMC in the form of regulatory

and technical documents, organizational and disciplinary decisions to ensure a favorable EMO or reduce the impact of electromagnetic interference on the technical device;

2) a Set of technical measures to ensure EMC;

3) Laboratory testing to check a vehicle for EMC;

4) a Set of measures that determine the compliance of a certain type

of vehicle with state, international or other EMC standards. As a result of laboratory tests, a certificate is issued that displays all the details of the test progress. The certificate contains test results that show the vehicle's compliance with the standard, as well as the level of the maximum possible EMF created. Keywords: interference, electromagnetic, signal type, EMF, influence, signal, source, main, wire-to-wire, communication, frequency, frequency, wire-to-ground. References

1. G.A. Erokhin, O. V. Chernyshev, N. D. Kozyrev, V.D. Kocherzhevsky. Antenna-feeder devices and radio wave propagation. - M .: Hot Line - Telecom, 2007 .-- 496 p. 2.S.G. Grigoryan. Design of electronic devices for automation systems and computer technology. - Rostov-on-Don: Phoenix, 2007 .-- 304 p.

3. N.I. Listopad, V.M. Kozel, K.L. Gorbachev, K.A. Kovalev. Systems and networks of digital radio communication. - M .: Grevtsov Publishing House, 2009 .-- 200 p.

4. Yu.K. Rozanov, M.V. Ryabchitsky, A.A. Kvasnyuk. Power electronics. - M .: MPEI, 2009 .-- 632 p.

5. A.M. Somov, V.V. Starostin. Propagation of radio waves. - M .:

Helios ARV, 2010 .-- 264 p.

6. G. Ya. Vagin, A.B. Loskutov, A.A. Sevostyanov. Electromagnetic

compatibility in the electric power industry. - M .: Academy,

2010 .-- 224 p.

7. N.G. Kalugin. Power supply of telecommunication devices and

systems. - M .: Academy, 2011 .-- 192 p.

8. G. Ya. Vagin, A.B. Loskutov, A.A. Sevostyanov. Electromagnetic

compatibility in the electric power industry. - M .: Academy,

2011 .-- 224 p.

9. Handbook on radio electronic systems. In 2 volumes (set .. - M .:

Energiya, 1979. - 624 p.

10. L. N. Kechiev, P.V. Stepanov. EMC and information security in telecommunication systems. - M .: Publishing House "Technologies", 2005. - 320 p.