Принципи вимірювання кондуктивних та радіочастотних перешкод. Норми допустимих перешкод

В зависимости от среды распространения ЭМП могут разделяться на индуктивные и кондуктивные. Индуктивными называют ЭМП, распространяющиеся в виде электромагнитных полей в непроводящих средах. Кондуктивные ЭМП представляют собой токи, текущие по проводящим конструкциям и земле.

Деление помех на индуктивные и кондуктивные является, строго говоря, условным. В реальности протекает единый электромагнитный процесс, затрагивающий проводящую и непроводящую среду. В ходе распространения многие помехи могут превращаться из индуктивных в кондуктивные и наоборот. Так, переменное электромагнитное поле способно создавать наводки в кабелях, которые далее распространяются как классические кондуктивные помехи. С другой стороны, токи в кабелях и цепях заземления сами создают электромагнитные поля, т.е. индуктивные помехи.

Условность деления помех на индуктивные и кондуктивные наглядно проявляется, например, в ходе анализа пути проникновения высокочастотных помех внутрь электронной аппаратуры. Часто выясняется, что реальный путь проникновения помехи представляет собой комбинацию металлических проводников и «дорожек» на платах аппаратуры («кондуктивные» участки) и паразитных емкостных и индуктивных связей («индуктивные» участки). В результате помеха достигает высокочувствительных цифровых контуров аппаратуры, минуя защитные элементы типа фильтров и варисторов, установленные в расчете на чисто кондуктивный характер помехи.

Деление помех на индуктивные и кондуктивные можно считать относительно строгим лишь в низкочастотной (до десятков кГц) области, когда емкостные и индуктивные связи обычно малы. Однако и здесь есть исключения - например, строгий анализ растекания тока через сложный заземлитель в землю требует учета как гальванической, так и электромагнитной составляющей единого процесса.

Кондуктивные помехи в цепях, имеющих более одного проводника, принято также делить на помехи «провод - земля» (синонимы - несимметричные, общего вида, Common Mode) и «провод-провод» (симметричные, дифференциального вида, Differential Mode). В первом случае («провод-земля») напряжение помехи приложено, как следует из названия, между каждым из проводников цепи и землей. Во втором - между различными проводниками одной цепи (см. рис. 1). Обычно самыми опасными для аппаратуры являются помехи «провод-провод», поскольку они оказываются приложенными так же, как и полезный сигнал (рис. 1 б)). Реальные помехи обычно представляют собой комбинацию помех «провод-провод» и «провод-земля». Нужно учитывать, что несимметрия внешних цепей передачи сигналов и входных цепей аппаратуры может вызывать преобразование помехи «провод-земля» в помеху «провод-провод». Это легко понять, рассматривая упрощенную схему на рис. 2: несимметрия внешних цепей (Zl1≠Zl2) и входных цепей аппаратуры-приемника (Zi1≠Zi2) приводит к появлению помехи «провод-провод» величиной Ul = (Zi1/ Zl1 - Zi2/Zl2)Uc. В данном примере упрощение заключалось в том, что внутреннее сопротивление приемника в режиме «провод-провод» принято равным бесконечности (т.е., в качестве измерителя полезного сигнала включен идеальный вольтметр).

Применение внешних цепей с высокой степенью симметрии (т.е. с Zl1 ≈Zl2, например, типа «витая пара»), позволяет обеспечить низкий уровень преобразования помех «провод-земля» в помехи «провод-провод», но лишь при условии высокой симметрии входных цепей аппаратуры (Zi1 ≈ Zi2).

В зависимости от диапазона частот, электромагнитные поля принято делить на низкочастотные и радиочастотные. Граница между ними по-разному определяется различными стандартами, но обычно в качестве граничной рассматривается частота 150 кГц. Рассмотрим сначала радиочастотные поля.

Выше уже рассматривались вопросы, связанные с воздействием на аппаратуру полей, создаваемых при коммутационных операциях и молниевых разрядах. В этом разделе речь пойдет, в первую очередь, о влиянии радиочастотного излучения функциональных источников. К таким источникам относятся, в первую очередь, радио- и телевизионные передатчики различного назначения и радары. Кроме того, к ним можно отнести микроволновые печи бытового и промышленного назначения, различные экспериментальные и испытательные установки и т.п. В некоторых случаях помехи, аналогичные помехам со стороны функциональных источников, могут создаваться и линиями проводной связи, работающими на высокой частоте.

Иногда существенный вклад в общий уровень помех в радиочастотном диапазоне вносят атмосферные и космические радиошумы, шумы от короны, а также радиочастотные шумы, создаваемые при работе блоков питания аппаратуры.

Использование радиочастотного спектра зарегистрированными передатчиками становится все более интенсивным (радиовещание, морские и авиационные радиосредства, радары и мобильные передатчики). Частота используемых передатчиков меняется от 10 кГц в длинноволновом диапазоне до гигагерц у радаров, мобильных телефонов и т.п. Напряженность создаваемого электрического и магнитного полей зависит от мощности передатчика и расстояния до него. Так, слабый близкорасположенный источник (например, сотовый телефон) может создавать большее поле, чем удаленный мощный передатчик (например, аэродромный радар).

Приведенная ниже таблица содержит типовые значения напряженности электрического поля для основных источников (информация взята из IEC 1000-2-3: 1992-09).

Таблица 3-1. Типовое распределение радиочастотного спектра

На предприятиях чаще всего встречаются передатчики локальной и мобильной радиосвязи (например, для связи с бригадами наладчиков). В последнее время наметилась тенденция к росту использования радиосредств для обеспечения работы служб единого времени, связи и других элементов систем автоматизированного управления предприятием. Иногда свой вклад в создание радиочастотных помех вносит работа каналов высокочастотной связи по высоковольтным линиям (ВЛ), тяговой сети и трубопроводам. Обычно сигналы ВЧ-связи лежат в диапазоне от десятков килогерц до 1 МГц.

Нужно помнить, что использование любой части радиочастотного спектра регулируется соответствующими государственными органами. Поэтому обычно размещению на энергообъекте любой радиопередающей аппаратуры предшествует процедура получения соответствующего разрешения. Выполнение этой процедуры помогает решить проблему взаимовлияния между различными радиоустройствами, но, к сожалению, не решает ее полностью. Действительно, даже полное разделение рабочих диапазонов частот различных устройств связи не гарантирует отсутствие их влияния друг на друга, например, на промежуточной частоте.

Отдельно нужно сказать о таком явлении, как коронный разряд. Он происходит на ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения и визуально проявляется в ночное время как слабое свечение вокруг проводов. В реальности происходит множество мелких разрядов у поверхности провода с длительностью менее микросекунды каждый. Спектр радиочастотных помех очень широк - от сотен кГц до десятков МГц. Существуют нормы (например, ГОСТ 22012-76), обеспечивающие снижение уровня радиопомех от короны при строительстве ВЛ.

Важными для понимания основ теории радиочастотных полей являются понятия ближнего и дальнего поля. Свойства электромагнитного поля существенно различаются для каждой из этих зон. Обычно считается, что источник излучения создает ближнее поле, если расстояние до него не превышает l¤2p (т.е., примерно одну шестую длины волны). Дальним считается поле на расстоянии более (2-3)l от источника. Особенностью ближнего поля является то, что в нем волновой импеданс - отношение напряженностей электрического и магнитного полей - определяется природой источника излучения. В дальнем поле волновой импеданс равен волновому импедансу среды (для воздуха и вакуума - 377 Ом). Поэтому для определения параметров дальнего поля достаточно только одной величины. Так, например, для определения магнитного поля (в А/м) на основе данных приведенной таблицы, необходимо разделить значения напряженности электрического поля (в В/м) на 377. В промежуточной области между дальним и ближним полем происходит постепенный переход от одного типа поля к другому.

Если источником излучения является штыревая антенна или прямой провод, ближнее поле будет в основном электрическим (волновой импеданс E/H велик по сравнению с 377 Ом). В этом случае электрическая компонента поля убывает с расстоянием пропорционально 1/r3, в то время как магнитная - пропорционально 1/r2.

Для рамочной антенны (типа петли с током), ближнее поле является в основном магнитным. В этом случае уже магнитная компонента поля убывает с расстоянием пропорционально 1/r3, в то время как электрическая - пропорционально 1/r2.

В дальнем поле тип излучателя уже не играет роли; как магнитная, так и электрическая компонента убывает с расстоянием пропорционально 1/r.

Как уже отмечалось выше, сценарий воздействия радиочастотного поля на аппаратуру зависит от частоты. На сравнительно низких частотах (ориентировочно - до 20 - 30 МГц) превалирует влияние посредством наводки кондуктивных помех во внешних цепях. Заметную роль могут также играть радиочастотные токи, возбуждаемые в контурах, образованных элементами заземляющего устройства и экранами кабелей. На более высоких частотах опасность представляет также непосредственное воздействие полей на внутренние цепи аппаратуры.

В отличие от импульсных помех, обычно имеющих широкополосный характер, радиочастотные помехи, как правило, узкополосные. Исключениями являются, пожалуй, лишь атмосферные и космические радиошумы, шумы от короны, а также шумы, создаваемые при работе блоков питания аппаратуры. Поэтому влияние радиочастотных помех на аппаратуру обычно происходит при совпадении частоты помехи и одного из «окон уязвимости» аппаратуры. Наличие последних обычно связаны с рабочими частотами аппаратуры или резонансными частотами тех или иных ее элементов.

Воздействие радиочастотных помех в первую очередь представляет опасность для другой радиоаппаратуры (особенно высокочувствительных приемников). Однако, благодаря усилиям соответствующих международных и государственных органов, случаи совпадения рабочих частот у различных радиосредств редки. Гораздо чаще приходится иметь дело с ситуациями, когда внешнее излучение имеет спектр частот, пересекающийся с одним из «окон уязвимости», например – промежуточной частотой аппаратуры. Такая ситуация часто имеет место, например, когда одна и та же антенная мачта используется различными радиопередающими устройствами.

Сравнительно уязвимой к воздействию радиочастотных помех является любая аппаратура проводной связи на высокой частоте. Это касается, в частности, скоростных цифровых линий связи и магистралей локальных вычислительных сетей. Традиционная аппаратура высокочастотной связи по ВЛ обычно использует слишком низкие частоты и высокие мощности, чтобы оказаться подверженной влиянию источников радиочастотных полей. Однако с ростом частот передачи проблема ЭМС становится одной из основных для систем связи.

Сбои цифровой аппаратуры под действием радиочастотных полей часто связаны с неудовлетворительными экранирующими свойствами ее корпуса или неправильной схемой заземления аппаратуры и экранов.

Случаи физического повреждения аппаратуры под действием радиочастотных помех сравнительно редки. Обычно такого рода повреждения наблюдаются у высокочувствительных приемников, по той или иной причине оказавшихся рядом с мощным источником радиочастотного излучения.

устанавливают четыре группы (А, В, С, D) предельно допустимых уровней (норм) напряжений радиопомех, создаваемых устройством на входных и выходных зажимах, приведенных в таблице 2:

уровни А и С относятся к полосе частот 10 кГц-30 МГц;

уровни В и D относятся к полосе частот 150 кГц-30 МГц.

В технической документации на устройство конкретного типа должно быть указано, какой из уровней применяется к входным зажимам, а какой - к выходным.

Нормы радиопомех, указанные в таблице 2, приведены в графическом виде на рисунке 3

Таблица 2-Нормы

Частота	Напряжение радиопомех, дБ (мкВ)
А	В	С	D
10 кГц		-		-
20 кГц		-		-
50 кГц		-		-
150 кГц
150 кГц-500 кГц		66-56
0,5 МГц-5 МГц
5 МГц-30 МГц
Примечания 1 На граничной частоте нормой является меньшее значение. 2 Нормы не применяют к устройствам, в конструкции которых отсутствуют помехоподавляющие фильтры. Отсутствие встроенных помехоподавляющих фильтров должно быть указано в технической документации на устройство Источник:http://www.znaytovar.ru/gost/2/GOST_R_5152799_Sovmestimost_te.html