Глава 2. Электромагнитная совместимость

В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

2.1. Основные понятия и определения

Современный объект является сложной системой, включающей в себя многие технические средства с различными функциями и принципами действия. При этом характерно широкое использование в них электротехнических и электронных устройств. Электромагнитные процессы, происходящие при работе каждого такого элемента, в той или иной мере влияют на процессы, протекающие в других элементах, и в свою очередь оказываются подверженными влиянию с их стороны. Подчас это электромагнитное влияние может приводить к сбоям в работе отдельных технических средств и серьезным нарушениям нормального функционирования объекта в целом. Для электроэнергетических систем характерны сильные электромагнитные возмущения, распространяющиеся кондуктивно и пространственно.

    Соображения обеспечения надежной и бесперебойной работы объекта обуславливают необходимость мер, гарантирующую нормальную совместную (в электромагнитном смысле) работу всех технических устройств и систем. Непрерывно происходящие рост мощности электротехнических устройств, повышение чувствительности радиоэлектроники и расширение использования вычислительной техники в такой мере усугубили сложность обеспечения их совместной бесперебойной работы, что возникла острая проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств.

    Современные и эффективные решения задач ЭМС при создании и эксплуатации специальных объектов возможны лишь при условии специальной подготовки инженеров-электриков в этой области. Они должны уметь прогнозировать и оценивать работу электротехнического оборудования в реальной электромагнитной обстановке на объекте и знать методы предотвращения и устранения возможных сбоев из-за взаимного влияния технических средств.

    Технические устройства объектов, работа которых связана с использованием электротехнических и электронных элементов, оказывают взаимное влияние друг на друга при достаточно близком их взаимном расположении и при существовании между ними кондуктивных связей. Это влияние сказывается в возникающих при совместной работе изменениях напряжений и токов в цепях и напряженностей полей в окружающем пространстве. Если такое влияние превосходит уровни, характерные и определенные для каждого из них, то нормальное функционирование этих технических средств нарушается. Происходит либо временное нарушение работы (сбои) устройств, либо недопустимые необратимые изменения их параметров (выходы из строя).

Внешнее электромагнитное воздействие на техническое устройство, которое вызывает нарушение его нормального функционирования, называется электромагнитной помехой(ЭМП).

Она определяется разностью

x_s= x – x_{N ,}                                           (2.1)

где     x – рассматриваемая электромагнитная величина;

x_N   – содержащийся в величине х полезный сигнал.

    Помехой x_s может быть напряжение, ток, напряженность поля и т.д.

ЭМП, которые распространяются по проводникам, называются кондуктивными помехами.

    ЭМП в форме свободного электромагнитного поля, характеризуемого напряженностями его составляющих, называются помехами излучения (полевыми помехами).

    Способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам называется электромагнитной совместимостью технических средств.

    Процесс взаимного электромагнитного влияния любых технических средств связан с тремя компонентами (рис. 2.1):

- источником электромагнитного воздействия;

- путями распространения воздействия;

- приемниками помех (рецепторами).

     В противоположность влияниям между различными системами, которые называют внешними влияниями, источник помех и приемник могут быть также частями одной и той же системы. Тогда говорят о внутренних влияниях (рис. 2.2).

    Источниками ЭМП на объекте обычно являются:

- устройства системы генерирования и распределения электрической энергии (синхронные генераторы, трансформаторы, кабельные трассы, коммутационные аппараты);

- устройства преобразования электрической энергии (электроприводы, полупроводниковые преобразователи, аппаратура управления, электросиловые установки, газоразрядные приборы);

- электрооборудование технологических систем (радиопередающие и радиолокационные устройства, средства связи и т.д.).

    Электротехнические устройства создают как кондуктивные помехи, так и полевые. Кроме того, ЭМП могут возникать как следствие внешнего атмосферного воздействия (грозовые разряды) и электромагнитные воздействия ядерных взрывов и специального электромагнитного оружия.

Приемниками помех (рецепторами ) называются любые технические устройства (элемент, система), на которые воздействуют ЭМП.

    На объектах рецепторами, особенно чувствительными к ЭМП, являются средства вычислительной техники, средства радиоэлектронной техники, аппаратура связи, внутриобъектовые информационные системы, элементы и устройства автоматики и управления техническими системами объектов. Рецепторы оказываются подверженными воздействию ЭМП по цепям питания электроэнергией и информационным цепям, а также воздействию ЭМП излучения. Различные приемники оказываются наиболее восприимчивыми к определенным видам электромагнитных воздействий.

    Любое техническое устройство в общем случае может являться источником ЭМП для других устройств и одновременно быть рецептором в отношении электромагнитных воздействий других устройств. Приемники считаются совместимыми, если они в состоянии принимать при электромагнитном воздействии свой полезный сигнал с удовлетворительным уровнем помех, а сами не излучают недопустимых помех. Технические средства на объекте работают совместно. Каждый рецептор оказывается под совместным электромагнитным воздействием других средств.

    Совокупность одновременно существующих электромагнитных явлений в рассматриваемом пространстве и воздействующих на рецептор называется электромагнитной обстановкой (ЭМО).

Приведем еще ряд определений, которые нам потребуются в дальнейшем при рассмотрении вопросов электромагнитной совместимости.

Испытательная помеха – электромагнитная величина, имитирующая реальную помеху и служащая для испытаний на устойчивость к помехам трактов распространения помех (чувствительных 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, а с другой – в качестве исходного пункта для установления допустимого уровня излучения помех вводимых в эксплуатацию устройств. Установление уровня совместимости осуществляется в соответствии с существующим или ожидаемым видом и значением помех и с возможным изменением электромагнитной обстановки объекта 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. Восстановление функционирования требует 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, стандартизованного испытательного воздействия и т.д.

Если при 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, 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 – кратковременные или длительные недопустимые отклонения функции системы от нормальных значений.