ЭМС

ЭМС — это способность устройства нормально работать рядом с другими устройствами, не создавая и не испытывая электромагнитных помех. Представьте, что у вас есть множество различных устройств, и каждое из них излучает некую "невидимую энергию" — электромагнитные поля. Если эти поля начинают мешать друг другу, это называется электромагнитными помехами. Устройства релейной защиты и автоматики отвечают за правильное функционирование электрических систем, и любая ошибка или сбой из-за помех может привести к серьёзным последствиям — от отключения электроэнергии до выхода оборудования из строя.

СЛАЙД

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, исходным пунктом 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 объектом на стадии его проектирования с учѐтом технико-экономических аспектов

СЛАЙД

Помехоустойчивость – свойство чувствительного элемента нормально работать при воздействии помехи. Количественно помехоустойчивость рассматриваемого объекта задаѐтся в виде допустимого воздействия в форме амплитуды импульса напряжения, напряжѐнности поля, граничной энергии и т. д

СЛАЙД

В устройствах релейной защиты и автоматики точность работы очень важна. Любая ошибка в работе может привести к неправильной реакции на аварийные ситуации в сети, что может вызвать аварии или привести к отключению электроснабжения. Поэтому эти устройства должны быть устойчивы к помехам.

СЛАЙД

Электрические сети и оборудование

Линии электропередач, трансформаторы, электрические подстанции — все эти устройства генерируют сильные электромагнитные поля. Это нормальное явление, так как любое движение электричества (ток) вызывает появление электромагнитного поля. Однако когда происходят аварии, такие как короткие замыкания или резкие изменения напряжения, эти поля могут становиться очень сильными и создавать помехи.

Эти помехи могут "проникнуть" в чувствительные устройства релейной защиты и автоматики и заставить их неправильно срабатывать. Например, может случиться так, что реле подаст сигнал отключить часть сети без реальной аварии.

СЛАЙД

Радиочастотные устройства

К радиочастотным источникам относятся радиостанции, передающие устройства, мобильные телефоны, антенны, Wi-Fi роутеры и даже обычные бытовые приборы. Эти устройства передают сигналы с высокой частотой (радиоволны), которые могут создавать помехи для других электронных приборов.

СЛАЙД

Молнии и природные электромагнитные явления

Природные явления, такие как молнии, являются мощнейшими источниками электромагнитных помех. Во время удара молнии возникает очень сильный импульс электромагнитного поля, который может распространяться на многие километры.

Молнии могут напрямую воздействовать на линии электропередач, трансформаторы и устройства релейной защиты. Такой импульс может вывести из строя оборудование или заставить его работать неправильно. Даже если молния ударит далеко от устройства, электромагнитный импульс может передаться через воздушные линии электропередач.

СЛАЙД

Промышленные установки

В промышленных зонах, где используются большие электродвигатели, сварочные аппараты, лифты и другое тяжёлое оборудование, также создаются мощные электромагнитные поля. Часто это оборудование потребляет очень много энергии и генерирует сильные электрические и магнитные поля, которые могут вызывать помехи.

Эти поля могут проникать в системы релейной защиты, нарушая их работу. Например, если рядом с устройством релейной защиты работает мощный электродвигатель, это может вызвать ложное срабатывание реле.

СЛАЙД

Причины высокочастотных помех

Откуда возникают высокочастотные помехи в установке, которая, собственно говоря, работает только с постоянным напряжением или с переменным напряжением сети? На рисунке показаны частотные спектры различных форм сигнала. Каждый не синусоидальный сигнал содержит, кроме своей основной частоты, еще и кратные производные основной частоты, так называемые гармоники.

СЛАЙД

Вокруг каждого проводника с током создается магнитное поле B, которое пропорционально току в проводнике IL . Если это магнитное поле пронизывает перпендикулярно к нему расположенный проводящий контур, то при изменении напряженности магнитного поля там индуцируется напряжение (принцип трансформатора). Напряжение пропорционально площади проводящего контура и изменению напряженности магнитного поля. Это означает, что напряжение помехи индуцируется, только если изменяется сила тока в цепи нагрузки (переменный ток или подключенный постоянный ток). Фиксированный постоянный ток при данных условиях напряжение помехи не вызывает.

СЛАЙД

Как влияют помехи на работу релейной защиты? Электромагнитные помехи могут привести к нескольким типам проблем в работе устройств релейной защиты и автоматики:

1. Ложные срабатывания. Устройство может "решить", что случилась авария, и отключить часть системы, хотя на самом деле аварии не было. Это может вызвать перебои в работе всей системы.

2. Задержки в срабатывании. Устройство может не сработать вовремя, что опасно в аварийных ситуациях. Например, если реле сработает с опозданием, это может не предотвратить короткое замыкание или другие опасные явления.

3. Поломка оборудования. Сильные электромагнитные импульсы могут повредить чувствительные компоненты устройства, что приведёт к поломке и необходимости его замены.

Неправильная работа УРЗиА по причине недостаточной ЭМС, по данным «Мосэнерго», составляет до 10% от всех случаев ложной работы и касается в основном только УРЗиА на микроэлектронной (МЭ) и микропроцессорной (МП) элементной базе.

Столь высокий процент случаев неправильной работы по причине недостаточной ЭМС вызван тем, что чувствительность к электромагнитным помехам УРЗиА на МЭ и МП элементной базе на несколько порядков выше, чем у их традиционных электромеханических аналогов, т.е. проблема ЭМС носит физический характер.

Для нарушения работы электромеханического реле требуется энергия 10-3 джоуля, а для нарушения работы интегральных микросхем требуется 10-7 джоуля. Разница составляет 4 порядка или 10000 раз. Для разрушения электромеханического реле требуется энергия в 1 джоуль, а для разрушения интегральных микросхем требуется энергия в 10-2 джоуля. Поскольку помехи, имеющие меньшую энергию, возникают чаще помех, имеющих большую энергию, наиболее частой реакцией УРЗиА на МЭ и МП элементной базе на воздействие электромагнитных помех будет не разрушение устройства, а нарушение его работы или кратковременный сбой в работе с последующим восстановлением функций.

СЛАЙД

Какие существуют стандарты и нормы для устройств? Чтобы избежать проблем с ЭМС, существуют международные стандарты, которые устанавливают правила для разработки и тестирования оборудования. К примеру IEC 61000, ГОСТ 30372-2017 IEC 61000-3-2 Электромагнитная совместимость. Часть 3-2. Ограничения. Предельные значения эмиссии гармонических токов — это международный стандарт, который ограничивает искажения сетевого напряжения, устанавливая максимальное значение гармонических токов от второй гармоники до 40-й гармоники тока включительно.

Что требуют стандарты:

1. Устройство должно продолжать работать даже при воздействии помех.

2. Устройство не должно само создавать помехи, которые будут мешать другим приборам.

3. Есть определённые тесты, которым подвергается оборудование, чтобы убедиться, что оно соответствует стандартам.

СЛАЙД

Скручивание выходящих и входящих проводов особенно эффективно для снижения индуктивного воздействия. При этом образуется много маленьких поверхностей A, на которых индуцируются частичные напряжения помехи с чередующимися знаками. На измерительном сопротивлении присутствует только незначительное напряжение помехи. Общее напряжение помехи не равно нулю, так как поверхности петель A не равны и так как магнитное поле B в петлях различно (например, из-за различного расстояния от источника помехи) Скручивание тем эффективнее, чем меньше поверхность петель. Это достигается за счет увеличения количества витков.

СЛАЙД

Важно, чтобы компоненты установки, как в низкочастотном, так и в высокочастотном диапазоне, имели одно и тоже заземление. Поэтому при проектировании установки следует учитывать высокочастотное заземление. Все компоненты установки должны быть заземлены с низким электрическим сопротивлением (как для низких частот, так и для высоких частот). Поэтому в установке должна существовать сеть заземления, которая предоставляла бы и для высоких частот единый общий вывод. На рисунке показан пример такой сети заземления.

Для большинства видов помех защитный провод обладает очень высоким высокочастотным полным сопротивлением. Заземляющие провода эффективны только тогда, когда они объединены в сеть. На рисунке показано полное сопротивление медного провода в зависимости от частоты. При высоких частотах провод, независимо от сечения, обладает высоким полным сопротивлением. Следовательно, он не подходит и для высокочастотного заземления экрана

СЛАЙД

Способы обеспечения низкоомного заземления: • соединение с широким поверхностным контактом (1:3 < X:Y < 3:1), которое с двух концов имеет достаточный поверхностный контакт с общим выводом; • соединение из большого количества отдельных, изолированных друг от друга проводов; • экранированный провод: экран является для НЧ очень низкоомным соединением. Все эти варианты имеют малую индуктивность и, следовательно, обладают малым высокочастотным сопротивлением.

СЛАЙД

Выходящие и входящие провода прокладываются вместе по всей длине. Каждый провод питающего напряжения прокладывается вместе с заземляющим проводом.

СЛАЙД

Для подавления помех, проникающих через кабель питания в первичную цепь из импульсного источника питания, применяется приведенная на рисунке схема. Конденсаторы служат для замыкания тока помех, а дроссели, увеличивая импеданс линии, предотвращают прохождение помех в кабель питания. (Как известно, помехи возникающие при работе устройства бывают двух видов: дифференциальные – когда ток помехи протекает в питающих проводах в разных направлениях и синфазные, когда ток помехи протекает в одну сторону, то есть дифференциальная помеха – это помеха между двумя проводами питания, а синфазная – между проводами питания и землей.)

СЛАЙД

Для подавления высокочастотных синфазных помех лучше всего подходит ферритовый кольцевой сердечник, установленный на входящем и выходящем проводах. На рабочий ток IB не действует практически никакая индуктивность, так как магнитные потоки взаимно компенсируются в сердечнике. Для токов синфазных помех IS создается очень высокая индуктивность, которая сильно подавляет эти токи. Ферритовый кольцевой сердечник действует как фильтр низких частот

СЛАЙД

Установка экранов на помехоизлучающие элементы обеспечивает разделение сигналов, необходимое для функционирования радиоэлектронной аппаратуры, повышает избирательность приемников, помехозащищенность чувствительной аппаратуры, чистоту сигнала генераторов, точность работы приборов

Рассмотрим взаимодействие электромагнитной волны с экраном и определение коэффициента экранирования. В общем случае коэффициент экранирования Кэ – это отношение интенсивности электромагнитного поля измеренного до установки непрерывного бесконечного экрана и после его установки. На рисунке приведены формулы для его расчета при измерении напряженности поля в различных величинах

От каждой границы раздела сред происходит отражение электромагнитной волны, а в толще материала происходит поглощение. На высоких частотах коэффициент экранирования определяется в основном коэффициентом отражения Е5 , который для электромагнитного поля близок к ста процентам и растет с повышением частоты и проводимости материала. Коэффициент отражения связан с генерацией в тонком приповерхностном слое токов той же частоты, что и воздействующее поле и, следовательно, генерацией поля противоположной направленности. Поглощение Е3 – связанно со скин эффектом - протеканием токов высокой частоты в тонком приповерхностном слое проводника. Толщина скин слоя убывает с ростом частоты и проводимости и увеличивается с ростом магнитной проницаемости. Например, для 50Гц – 1см.; 5кГц – 0,1см; 0,5 МГц – 10мкм; 2,4 ГГц1,67мкм. Таким образом, для эффективного экранирования высокочастотных полей достаточно иметь тонкий экран из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.

Напротив, для экранирования постоянных магнитных полей и низкочастотных электромагнитных полей, где преобладает магнитная составляющая необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью. Чем выше магнитная проницаемость материала, тем выше коэффициент экранирования.

СЛАЙД

Планировать помеховую обстановку и экранирование необходимо на начальном этапе проектирования, предотвращая распространение нежелательных сигналов от самого источника.

Первый уровень разработки — дизайн печатной платы (рис. 9), к которому относятся правильное проектирование полигонов «земли», линий передачи, фильтров. Для экранирования отдельных элементов или целых областей печатной платы применяются металлические экраны, состоящие из двух частей. Одна часть — основание (фиксируется на печатной плате), вторая часть — крышка (надевается сверху и фиксируется зажимами, защелками или пайкой).

СЛАЙД

Второй уровень — дизайн блока. На рис. 10 представлены блоки, направленные на создание коэффициента экранирования около 100 дБ. Шаг винтов следует выбирать, исходя из максимальной частоты, которую требуется экранировать, также необходимо использовать проводящую прокладку. Корпус выполнен из цельного куска металла — это оправдано, когда нужны сложные формы с разделением каналов, зон с разными частотами и мощностями.

СЛАЙД

Третий уровень — дизайн корпуса (рис. 11). На данном этапе появляются вентиляционные отверстия, подвижные элементы и прозрачные панели для экранов. Окончательный коэффициент экранирования такой конструкции уже довольно трудно рассчитать, зато его можно достаточно достоверно оценить методом непосредственного измерения благодаря тому, что внутрь вполне может поместиться излучающая антенна с источником сигнала.

СЛАЙД

Следующий этап — соединение двух экранированных систем (рис. 12). Кабели и соединители должны быть экранированы и иметь электрический контакт по всей окружности разъема. Необходимо избегать соединения экрана кабеля с корпусом оборудования одним тонким проводником, так как он вносит паразитную индуктивность, а следовательно, имеет высокое полное сопротивление на высоких частотах. Ввод внешних кабелей должен осуществляться через проходные фильтры, заключенные в отдельный экранированный корпус.

СЛАЙД

Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств относится к одной из наиболее актуальных проблем электронной техники, связанной с непрерывным развитием всех отраслей промышленности в современном мире. На сегодняшний день наиболее достоверным способом подтвердить способность технических средств одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных электромагнитных помех и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам возможно только проведя натурные испытания. Виды испытаний:

• испытания на устойчивость к изменениям в системе электропитания; • изменения уровня электромагнитных помех (помехоэмиссии); • испытания на восприимчивость к кондуктивным помехам; • испытания на устойчивость к электростатическим разрядам; • испытания на устойчивость к воздействию магнитных полей; • испытания на устойчивость к воздействию электромагнитных полей.

СЛАЙД

Критерии качества функционирования технических средств при воздействии помех

Критерий А - воздействие ЭМП никак не отражается на функциональных характеристиках аппаратуры, работа которой до, во время и после воздействия помехи происходит в полном соответствии с техническими условиями или стандартами.

Критерий В - допускается временное ухудшение функциональных характеристик аппаратуры в момент воздействия помехи. После прекращения воздействия ЭМП функционирование полностью восстанавливается без вмешательства обслуживающего персонала.

Критерий С - аналогичен В, но, в отличие от него, допускает вмешательство персонала для восстановления работоспособности аппаратуры (например, перезагрузки «зависшей» цифровой системы, повторного набора номера и т.п.).

Критерий D- физическое повреждение аппаратуры под действием помехи. Восстановление работоспособности возможно только путем ремонта.

СЛАЙД

ЭМС — это ключ к надёжной и безопасной работе систем релейной защиты и автоматики. Без неё устройства могут сбоить или выходить из строя, что опасно для энергосистемы. Правильная защита от помех и соблюдение стандартов гарантируют стабильную работу оборудования, а новые технологии помогают сделать его ещё более устойчивым к электромагнитным воздействиям.