Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств по импульсным помехам в судовых электротехнических системах

На правах рукописи

Воршевский Александр Алексеевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

ПО ИМПУЛЬСНЫМ ПОМЕХАМ

В СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург
2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» (СПб ГМТУ) на кафедре электротехники и электрооборудования.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор
Коровкин Николай Владимирович

доктор технических наук, с.н.с.,
Свядощ Евгений Александрович

доктор технических наук, профессор
Фоминич Эдуард Николаевич

Ведущая организация – ФГУП НПО «Аврора».

Защита диссертации состоится 18 февраля 2008 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.03 Санкт-Петербургского государственного морского технического университета по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан ноября 2007 г.

Ученый секретарь

профессор А.П. Сеньков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Импульсные помехи (ИП) являются наиболее значимым для современных судовых технических средств (ТС) видом помех, способным привести к выдаче ложных команд, изменениям информации, зависанию и даже к разрушению оборудования. Подавляющее большинство современных судовых средств навигации, радиосвязи, автоматизации и управления содержит цифровые узлы или схемы, по принципу своего действия восприимчивые к ИП. Нарушение нормальной работы оборудования ходового мостика непосредственно влияет на безопасность мореплавания. Практика обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) на судах требует обязательного учета возникновения, распространения и воздействия ИП на всех этапах создания судовых ТС, при проектировании, постройке и сдаче судна.

Резолюция Международной морской организации ИМО А.813(19) требует обеспечения ЭМС судового электронного и электротехнического оборудования как важной составной части безопасности мореплавания. Международная Конвенция по охране человеческой жизни на море (Конвенция СОЛАС) в новой главе 5 (“Безопасность мореплавания”) подчеркивает, что оборудование, устанавливаемое на судах, должно отвечать требованиям ЭМС.

Цель работы. Разработка основ теории, методов и средств обеспечения ЭМС электронного и электротехнического оборудования в судовых электротехнических системах (СЭС) по импульсным помехам.

Основными задачами исследования явились:

– определение закономерностей возникновения и распространения ИП в СЭС;

– разработка вероятностных методов расчета амплитуд ИП;

– прогнозирование значений параметров ИП для типовых случаев;

– оценка восприимчивости судового электронного оборудования к ИП;

– разработка методов и средств снижения ИП в СЭС и защиты от них ТС;

– разработка методик измерений ИП и средств испытаний на помехоустойчивость;

– создание испытательной лаборатории для сертификации судовых ТС.

Объект исследования. Импульсные помехи в СЭС.

Предмет исследования. Процессы возникновения, распространения и воздействия ИП, методы и средства решения проблемы ЭМС по ИП в СЭС.

Методы исследования. Математическое моделирование импульсных процессов в цепях с распределенными и сосредоточенными параметрами. Расчеты на ЭВМ в сочетании с натурными экспериментами на судах, на промышленных предприятиях и экспериментами на электродинамических моделях. Генетический алгоритм при поиске экстремальных значений амплитуды ИП. Вероятностные методы с применением функций со случайными аргументами и положений математической статистики. Разработанный импульсный метод измерения параметров электромагнитных связей. Применение разработанных средств испытаний.

Научная новизна. Разработана математическая модель расчета ИП в СЭС. Предложен упрощенный метод оценки параметров ИП при детерминированных условиях коммутации. Получены значения параметров помех для типовых случаев. Разработаны методы определения вероятностных характеристик амплитуды ИП. Определены волновые параметры судовых электротехнических кабелей и параметры электромагнитных связей цепей для расчета ИП. Определены уровни устойчивости образцов судового электронного оборудования к ИП. Получены экспериментальные данные о параметрах ИП на судах.

Практическая ценность. Модели возникновения и распространения ИП, полученные теоретически и экспериментально характеристики ИП обеспечивают исходными данными работы по стандартизации в области ЭМС. Разработанные методы и средства обеспечения ЭМС по ИП позволяют достичь соответствия ТС заданным требованиям. Разработанные методики измерения позволяют определять помеховую обстановку в СЭС, волновые свойства электрических сетей, электромагнитные связи цепей в реальных судовых условиях. Разработанные имитаторы, методики их аттестации и методики проведения испытаний обеспечивают лаборатории России средствами испытаний на устойчивость к помехам. Полученные научные и практические результаты применимы в учебном процессе подготовки специалистов по электротехническим и приборостроительным специальностям.

Реализация результатов работы.

Разработанные предложения по совершенствованию требований Российского морского регистра судоходства (РМРС) по ЭМС учтены в новых публикациях «Правил классификации и постройки морских судов. Часть IV. Радиооборудование. Часть V. Навигационное оборудование», «Правил технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов и изделий для судов».

Созданная испытательная лаборатория аккредитована РМРС с 1992 года (свидетельства 92.038.011, 98.005.011, 02.00001.011, 06.00998.011) как технически компетентная в отношении испытаний по ЭМС в соответствии с требованиям РМРС.

Методики испытаний на соответствие требованиям РМРС и ГОСТ Р 50746-2000 по ЭМС применены при проведении испытаний продукции, результаты испытаний и разработанные рекомендации по помехозащите внедрены на ФГУП НПО «Аврора».

Разработанные программы и методики аттестации имитаторов помех утверждены и применяются при аттестации испытательного оборудования в ФГУ «Тест-Санкт-Петербург».

Разработанные имитаторы ИП выпущены и поставлены в следующем количестве: имитаторы ИИП-1000, ИИП-4000, ИИП-4000Д, ИИП-10000 по ГОСТ Р 51317.4.5 – более 100 шт.; имитаторы пачек помех ИПП-4000 по ГОСТ Р 51317.4.4 – более 100 шт.; имитаторы ИИП-4000КЗП, ИИП-2500У по ГОСТ Р 51317.4.12 – более 20 шт.; имитаторы магнитного поля ИМП-1000 по ГОСТ Р 50649, ГОСТ 50652 – 10 шт.

Разработанные средства испытаний поставлены и используются на следующих предприятиях: “Московский государственный университет путей сообщения” (МИИТ), г. Москва; НПП “Прорыв”, г. Петрозаводск; ПГУ путей сообщения, г. Санкт-Петербург; НИИ “Радио”, г. Москва; FF-Automation, г. Хельсинки; ФГУП ЛО НИИР, г. Санкт-Петербург; ВНИИ противопожарной обороны МЧС РФ, г. Санкт-Петербург; ОАО «ЧНППП “ЭЛАРА”», г. Чебоксары; ГУП “Гипротранссигналсвязь”, г. Санкт-Петербург; АНО НТЦ “Норма”, г. Санкт-Петербург; Санкт-Петербургский электротехнический завод; ГУП «Омское производственное объединение “Иртыш”»; г. Омск; ПО “Квант”; г. Новгород, ООО “ТКС”, г. Санкт-Петербург; Красноярский ЦСМ и С; ГУ Сертификационный центр “ПРОДЭКС”, г. Москва; ГУП “Сертификационный испытательный центр”, г. Санкт-Петербург; НПП “ЭКРА”, г. Чебоксары; НПКП “Стандарт-Сервис”; г. Ивано-Франковск, ФГУП ЦНИИ “Электроприбор”, г. Санкт-Петербург; ОАО “Радиоавионика”, г. Санкт-Петербург; ЗАО “Институт сотовой связи”, г. Москва; Государственный ПО “Воткинский завод”, г. Воткинск; ЗАО «Научно-производственное предприятие “ТОРМО”» г. Екатеринбург; ФГУП “Нижегородский завод им. М.В. Фрунзе”, г. Нижний Новгород; ООО «НЕСАН», г. Томск; ЗАО «Аргус-Спектр», г. Санкт-Петербург; ООО НПФ “Гейзер”, г. Юбилейный Московской обл.; ОАО «Пятигорский завод “Импульс”»; ОАО «Фирма “ОРГРЭС”», г. Москва; «Производственное объединение “Старт”», г. Заречный Пензенской области; ООО “Инкотекс”, г. Москва; РУП "Белэлектромонтажналадка", г. Минск; НТЦ “Механотроника”, г. Санкт-Петербург; ЗАО Инженерно-техническая фирма “Системы и технологии”, г. Владимир; ОАО “Чебоксарский электроаппаратный завод”; ЗАО СНПО «Импульс», г. Северодонецк; ООО “Телекарт-прибор”, г. Одесса; ООО НПО “Энергопром–инжиниринг”; ОАО Завод измерительных приборов “Энергомера”, г. Невинномысск; OAO “Морион”, г. Пермь; ФГУП НИИ “Полюс”, г. Москва; ФГУП НПО “Аврора”, г. Санкт-Петербург; ВНИИР, г. Чебоксары; ООО “ПромАвтоматика”, г. Санкт-Петербург; ООО “Центр испытаний и экспертиз”, г. Екатеринбург; ООО “АББ Автоматизация”, г. Чебоксары; ФГУ “Воронежский ЦСМ”; ОАО “Дивногорский завод низковольтной аппаратуры”, г. Дивногорск; ОАО РНИИ “Электронстандарт”, г. Санкт-Петербург; ООО “Росток-ВЦ”, г. Киев; ООО НПП “Югпромавтоматизация”, г. Ростов-на-Дону; ООО “ЭПОТОС”, г. Москва; ООО “Альянс-Профит” г. Санкт-Петербург; ООО “ИТЦ”, г. Санкт-Петербург; ООО «Производственное объединение “ОВЕН”», г. Москва; ООО “ЛЭМЗ-Электроника”, г. Санкт-Петербург; ВНИИ им. Менделеева, г. Санкт-Петербург; ЗАО “НЭСКО”, г. Нижний Новгород; ФГУП “ЭЗАН”, г. Черноголовка Московской области; ООО “Тест БЭТ”, г. Москва; ООО “СИСТЕЛ 2000”, г. Москва; ООО НПО “Мир”, г. Омск-105; ООО “Инфотэкс Автоматика Телемеханика”, г. Екатеринбург; Центр “Укрчастотнагляд”, г. Киев; ТОО “КАЗЭКСПОАУДИТ”, г. Алматы; ФГУП «ГРЦ ”КБ им. акад. В.П. Макеева"», г. Миасс; ЗАО “Светлана–Оптоэлектроника”, г. Санкт-Петербург; ФГУ “Нижегородский ЦСМ”, г. Нижний Новгород; ООО СЗНТЦИС “Регламентсерт”, г. Санкт-Петербург; “Томская электронная компания”, г. Томск; ОАО СКБ ВТ “Искра”, г. Санкт-Петербург; ООО НПФ “СВИТ”, г. Гатчина; ООО “Испытательный центр технических и программных средств железнодорожного транспорта”, г. Москва; ФГУП НПП “Алмаз”, г. Саратов.

Разработанное устройство имитации помех УИП, ИНЛЖ.103.3.362.001 используется в ОАО “НИИ ТМ” для испытаний ТС космического назначения.

Комплект поставленного испытательного оборудования обеспечивает возможность проведения сертификационных испытаний по ЭМС на соответствие Правилам РМРС и ГОСТ Р 50746 в ФГУП “Электроприбор”.

Созданная в ООО “ЭЛЕМКОМ” под руководством А.А. Воршевского испытательная лаборатория по электромагнитной совместимости аккредитована Российским Морским Регистром судоходства (№ 06.00998.011 до 21.06.2011 г.), Российским Речным Регистром (№2621 до 20.02.2009 г.), Минтрансом РФ (№ АКР.0103-18 РМФ до 01.03.2011 г.) и имеет лицензию Госатомнадзора России (СЕ-12-101-1578 до 10.02.2008 г.). Разработанные методики испытаний на соответствие требованиям стандартов по ЭМС применяются при проведении испытаний судовых технических средств и оборудования атомных станций.

Разработанная “Программа и методика испытаний по электробезопасности и электромагнитной совместимости электрооборудования, установленного на судне специального назначения’, ИНЛЖ.001877.001 ПМ одобрена Российским Речным Регистром и применена при проведении испытаний оборудования на заказе ОАО «Судостроительный завод “Северная верфь”». Результаты проведенных испытаний электрооборудования на ЭМС на судне специального назначения и разработанные рекомендации позволили обеспечить требуемую помехоустойчивость систем судна.

Разработанные на основе результатов проведенных научных исследований учебные программы дисциплин “Электромагнитная совместимость электрооборудования”, “Электромагнитная совместимость судовых технических средств” впервые в России включены в учебные планы специальностей 1404, 1406 с 1988 года. Созданная испытательная лаборатория, разработанные учебные лабораторные стенды по ЭМС, компьютерные мультимедиа программы “Испытания на помехоустойчивость”, “Экранирование”, “Наведенные напряжения”, сайт www.elemcom.ru, опубликованные в СПб ГМТУ в соавторстве 3 учебных пособия по ЭМС, методические указания к лабораторным работам по ЭМС, первый в России учебник «Электромагнитная совместимость судовых технических средств» по направлениям 652900, 552600 обеспечивают учебный процесс по ЭМС дисциплинам и дают выпускникам СПб ГМТУ самые новейшие знания и умения в области электромагнитной совместимости.

На защиту выносятся:

– разработанные упрощенные схемы замещения для расчета микросекундных ИП;

– гистограммы плотностей вероятностей амплитуды ИП;

– данные об амплитудах ИП в точке возникновения в СЭС;

– разработанные модели распространения ИП по кабелю, учитывающие потери в кабелях, волновые эффекты при распространении по сети, при переходе через распределительные щиты, участки неоднородности;

– значения параметров судовых кабелей и СЭС в целом, необходимые для расчетов ИП;

– оценки максимальной величины амплитуды ИП на удаленной от места возникновения помехи точке сети и условия их возникновения;

– определенные максимальные значения наведенных ИП в кабельной трассе с кабельными соединителями и токовводами;

– оценки эффективности фильтров для защиты от микросекундных и наносекундных ИП с учетом паразитных параметров элементов;

– импульсный метод измерения параметров связи кабелей, параметров трансформаторов и устройств гальванической развязки;

– предложения по совершенствованию документов РМРС;

– принципы и приоритеты, предлагаемые к использованию при проведении работ по обеспечению ЭМС;

– комплект имитаторов помех, разработанный для проведения испытаний на устойчивость к ИП.

Апробация работы. Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете на кафедре электротехники и электрооборудования. Основное содержание докладывалось на международных симпозиумах по ЭМС в г. Вроцлав, Польша (1986, 1988, 1990), г. Нагоя, Япония (1989), г. Вашингтон, США (1990), г. Пекин, Китай (1992, 1997), г. Бордо, Франция (1994), г. Сендаи, Япония (1994, 2004), г. Альбукерк, США (1996), г. Токио, Япония (1999), г. Стамбул, Турция (2003), г. Эйндховен, Нидерланды (2004), г. Санкт-Петербург, Россия (2003, 2005, 2007), на всесоюзных и общероссийских конференциях по ЭМС, проведенных в г. Рига (1985), г. Вильнюс (1986), г. Москва (1986), г. Новороссийск (1990), г. Санкт-Петербург (1993, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006), на заседаниях секции “ЭМС в техно- и биосфере” Дома ученых имени М. Горького РАН (2006, 2007).

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 76 научных публикациях. В том числе 23 статьи, 35 докладов в трудах симпозиумов, 18 тезисов докладов. Тридцать три работы выполнены в личном авторстве, доля автора в остальных от 25% до 75%. В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК для докторских диссертаций, опубликованы 5 статей: 2 – в личном авторстве, 3 – в соавторстве с долей автора от 33 до 50%.

Личный вклад. В диссертации излагаются результаты, вклад в которые автора был существенным на всех этапах, включая постановку задачи, проведение теоретического исследования и непосредственное участие в экспериментах в лаборатории и на судах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из 182 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 400 страницах текста, включающего 337 рисунков и 74 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дан обзор истории работ в области ИП в России и за рубежом, показан вклад автора в разработку темы, приведена структура работы.

В первой главе рассмотрены вопросы прогнозирования параметров ИП в точке возникновения. Разработаны модели для расчета микросекундных и наносекундных переходных процессов при включении нагрузок. Учтено влияние удаленных элементов СЭС на параметры импульсных помех и влияние кабеля между включаемой нагрузкой и выключателем. Определены возможные параметры ИП при однофазных коммутациях, при коммутациях в трехфазной сети и ИП при однофазных замыканиях на корпус. Даны результаты экспериментального исследования ИП в точке возникновения.

Импульсные помехи представляют собой импульсы напряжения, наложенные на рабочее напряжение в сети и приложенные к техническим средствам симметрично или несимметрично. ИП сопровождаются также импульсами тока. Основными источниками ИП на судах являются штатные и аварийные коммутации, работа отдельных потребителей электроэнергии, внешние электромагнитные воздействия.

При включении нагрузки возникает ИП амплитудой UИ, длительность фронта которой может быть менее 10 нс. Импульс содержит как компоненты микросекундного диапазона длительностей (рис. 1,а), так и длительностью в десятки-сотни наносекунд (рис. 1,б).

а)	б)

Рис. 1. Изменения напряжения в сети при включении нагрузки в масштабе:

а) – микросекундном, б) – наносекундном.

Реальная судовая электротехническая система содержит большое количество элементов, соединенных кабелями в единую сеть. Для точного расчета ИП требуется знание волновых параметров всех элементов и кабелей, их геометрическое расположение, данные о прокладке каждого кабеля в кабельных трассах. Для оценки наиболее значимых параметров ИП (максимальной амплитуды, возможных длительности импульсов и длительности фронта) необходимы упрощенные методы расчета, не требующие полной информации о СЭС.

Замыкание контактов выключателя S приводит к возникновению переходного процесса и изменению напряжения в точке коммутации (рис. 2,а). Параметры начального изменения напряжения в основном определяются сверхпереходной индуктивностью генераторов, волновыми сопротивлениями кабелей и параметрами включаемой нагрузки.

Расчет изменения напряжения в наносекундном диапазоне длительностей может быть выполнен методом распространяющихся волн, при котором кабели замещаются длинными линиями с распределенными параметрами (волновое сопротивление Z, длина l, скорость распространения v), а другие потребители – волновыми сопротивлениями ZH.

Моделирование влияния удаленных нагрузок на процесс возникновения ИП показало, что для микросекундных длительностей их можно заменить цепями с сосредоточенными параметрами, рассчитанными по приведенным в работе формулам. Кабель с высокоомной нагрузкой может быть заменен RC-цепью, параметры которой зависят от волнового сопротивления кабеля, нагрузки и длины кабеля. Кабель с низкоомной нагрузкой может быть заменен RL-цепью, параметры которой зависят от волнового сопротивления кабеля, нагрузки, источника помех и длины кабеля.

В большинстве случаев волновое сопротивление удаленных от точки коммутации трансформаторов, асинхронных двигателей, реакторов, индуктивных элементов фильтров, как правило, больше волнового сопротивления кабелей. При этом условии кабель увеличивает длительность фронта формируемой импульсной помехи. При низком волновом сопротивлении нагрузки, что справедливо для низкоомной активной нагрузки типа мощного нагревателя, кабель приводит к возрастанию амплитуды формируемой помехи по сравнению с отсутствием кабеля. Постоянно включенный в сеть конденсатор приводит к увеличению длительности фронта создаваемой при коммутации нагрузки импульсной помехи и снижению ее амплитуды. Группа радиально расходящихся от точки возникновения помехи кабелей разной длины с нагрузками на концах дает некоторый усредненный эффект по сравнению с одиночным кабелем. Увеличение разброса в длине кабелей и увеличение их числа способствует сглаживанию переходной характеристики и приближению ее к обычной экспоненциальной кривой.

Импульсные помехи микросекундной длительности могут быть приближенно оценены с помощью разработанной автором схемы замещения (рис. 2,б), которая содержит индуктивность L=10...100 мкГн, отражающую индуктивность генераторов и кабелей, и сопротивление R=5...50 Ом, определяемое волновыми сопротивлениями кабелей и нагрузок в СЭС. Эквивалентная емкость С обычно не превышает 10 нФ и учитывается для расчета помех при включении конденсаторов с соизмеримой емкостью. Сравнение результатов расчетов, выполненных по схеме замещения, с результатами экспериментов на судах показывает, что погрешность определения амплитуды и длительности микросекундных ИП не превышает 20%.

Кабель между включаемой низкоомной нагрузкой и распределительным щитом снижает амплитуду помехи и увеличивает длительность ее фронта по сравнению с прямым включением нагрузки.

Максимально возможная амплитуда ИП в точке возникновения при включении большинства нагрузок не превышает амплитудного значения номинального напряжения Um, при коммутации трехфазной батареи конденсаторов может достигать 2,4Um, а для некоторых условий – 4,4Um. При включении трехфазной нагрузки из-за неодновременности замыкания контактов выключателя возникает несколько ИП. Рассмотрены все варианты замыкания и размыкания контактов. Однофазное дуговое замыкание на корпус может создать ИП более четырех амлитудных значений фазных напряжений с большой несимметричной составляющей.

Амплитуда ИП в сети при отключении индуктивной нагрузки в основном определяется свойствами дуги между расходящимися контактами выключателя и при использовании существующих судовых коммутационных аппаратов не превосходит амплитуды фазного напряжения. Генерируемая пачка импульсных помех содержит десятки-сотни импульсов, а длительность пачки может превышать 500 мкс. Максимальная измеренная частота следования импульсов составляет 13 МГц. Зафиксированы случаи перехода дуги в тлеющий разряд с последующим многократным зажиганием дуги и возвращением к тлеющему разряду.

Длительность ИП при коммутациях принимает значения от долей до десятков микросекунд, а длительность фронта ИП – от 10 нс до единиц микросекунд. Максимальная амплитуда ИП в точке возникновения в СЭС с номинальным значением напряжения 380 В может достигать 1400 В. Это значение превышает амплитуду импульса напряжения 1 кВ, рекомендуемого МЭК 60945 для испытаний судового оборудования на устойчивость к микросекундным ИП.

Результаты проведенного экспериментального исследования ИП на судах различного водоизмещения и назначения (полярный ледокол «Красин», сухогруз «Сестрорецк», научное судно «Академик Александр Карпинский», плавбаза «Ленинский путь», плавучие краны «Богатырь», «Волгарь», буксиры «Дионисо» и «Ераклий») подтвердили справедливость принятых в настоящей работе допущений и правильность полученных теоретических выводов.

	б)
а)

Рис. 2. Схемы для расчета ИП: а) – структура СЭС, учитывающая распределительные щиты второго и третьего уровня, б) – упрощенная схема замещения для расчета микросекундных ИП

Во второй главе рассматриваются вероятностные характеристики амплитуды ИП, методы их определения, проводится прогнозирование распределения амплитуды ИП в СЭС методом статистических испытаний и результаты их экспериментального исследования, рассматривается подход к разработке требований к защищенности оборудования от ИП на основе вероятностных характеристик.

Импульсные помехи в СЭС с точки зрения теории вероятности могут быть представлены как случайный импульсный поток со случайными временами появления и случайными величинами параметров каждого импульса. Малая длительность ИП по сравнению с интервалом времени между коммутациями в судовой сети позволяет определить ИП в СЭС как поток с взаимно неперекрывающимися во времени импульсами (ординарный поток).

Случайный импульсный поток ИП в СЭС состоит из суммы потоков ИП, возникающих при коммутациях i-го потребителя электроэнергии или электрической цепи. Частота следования ИП f связана с частотой ИП в отдельных потоках fi формулой , где N – количество отдельных потоков, равное количеству коммутируемых цепей и потребителей в СЭС. Практически интерес представляют импульсы, параметры которых удовлетворяют неравенству AnAn.f, где An.f – фиксированная величина параметра, например, величина, допустимая для конкретного электронного оборудования.

Частота следования импульсов, параметры которых удовлетворяют неравенству, может быть определена по формуле

где p(An) – плотность вероятностей параметра An.

Для определения этой частоты необходимо знать частоту коммутаций в сети f и плотность вероятностей параметра An.

При инженерных расчетах величины fi могут быть ориентировочно заданы, исходя из средних значений количества включений и выключений в единицу времени каждого типа судовых потребителей электроэнергии.

Плотность распределения вероятностей параметра An выражается через плотность распределения pi(An) для коммутации i-й цепи или потребителя следующим образом:

Таким образом, определив плотности вероятностей параметров ИП на шинах главного распределительного щита (ГРЩ) при включениях и отключениях каждого судового потребителя электроэнергии и электрических цепей, а также, зная частоту этих коммутаций, можно рассчитать вероятностные характеристики ИП, необходимые для обоснования требований к защищенности от ИП судового электронного и электротехнического оборудования.

Основным параметром, определяющим степень опасности ИП для электронной техники, является амплитуда. За показатель защищенности электронного оборудования также принимается максимальная амплитуда импульсов напряжения определенной формы, при воздействии которых оборудование работает без сбоев.

При коммутациях в трехфазной сети одновременно возникают ИП, наложенные на фазные и линейные напряжения. Амплитуды ИП на фазах связаны между собой полученными определенными соотношениями, что дает возможность сократить число величин, подлежащих статистическому исследованию или измерению. В качестве базовых величин принимаются амплитуды ИП между фазами и корпусом, т.к. они учитывают как симметричную, так и несимметричную составляющие.

Частота появления ИП, амплитуда которых превышает заданную величину, требуемая для разработки требований к защищенности оборудования от ИП, может быть определена путем проведения достаточного большого объема измерений на судах или расчетным путем на основе плотностей вероятностей амплитуды ИП, при включении типичных нагрузок.

Амплитуда ИП при коммутации конкретной цепи или нагрузки зависит от волновых параметров сети и цепи (нагрузки), а также от угла коммутации, последовательности коммутации контактов выключателя и от временных задержек между коммутацией контактов (углов и ). Углы,, и последовательность коммутации контактов при каждом включении или отключении цепи являются случайными величинами. Аналитически получены выражения для расчета плотности распределения вероятностей амплитуды ИП для ряда случаев коммутации. Плотности вероятностей амплитуды ИП при коммутациях нагрузок цепей, аналитическое определение которых затруднено, найдены методом статистических испытаний (методом Монте-Карло). Для получения каждого графика проведен расчет до 1000000 реализаций.

Вероятностные характеристики амплитуды ИП определяются на ЭВМ для возможных вариантов коммутации нагрузок, рассмотренных в главе 1, с учетом возможного разброса момента замыкания и размыкания контактов выключателя (рис.3,а). Оценено влияние математического ожидания момента запаздывания замыкания контактов m() и среднеквадратического отклонения (), емкости сети СС на плотности распределения вероятностей амплитуды ИП и статистические оценки амплитуды. Получены десятки графиков соответствующих зависимостей (рис.3,б).

а)	б)

Рис. 3. Вероятностные характеристики ИП: а) – плотности распределения вероятностей амплитуды ИП на фазах относительно корпуса для случаев включения трехфазных емкостных цепей; б) – зависимости математического ожидания, среднеквадратического отклонения и максимальной амплитуды ИП от относительной емкости включаемой батареи конденсаторов

Экспериментальные вероятностные характеристики амплитуды ИП определяются путем измерения амплитуды при многократных включениях и выключениях нагрузок с последующей статистической обработкой результатов измерений, а также методом длительных пассивных измерений. Для измерений амплитуды ИП в сети переменного тока используются регистратор VR101 фирмы Fluke, цифровые осциллографы TDS1022, TDS2024 фирмы Tektronix, анализаторы АИП-С. Гистограмма плотности распределения амплитуды ИП определяется на основе массива результатов измерений методом статистической обработки. Определены экспериментальные графики для сотен коммутаций конденсаторов, резистивных нагрузок, катушек индуктивности. Подтверждены экспериментально теоретические выводы. Оценено влияние тока отключаемой нагрузки и типа выключателя на вероятностные характеристики амплитуды ИП в сети и на отключаемой нагрузке. Например, получено, что практически отсутствует корреляция между максимальным напряжением на катушке и максимальной амплитудой ИП в сети из-за того, что амплитуда ИП определяется процессом горения дуги, а максимальное напряжение на катушке – процессом после погасания дуги. Получены графики для плотности распределения амплитуды ИП для однофазного замыкания на корпус и коммутации нагрузок на судах.

Включение трехфазных активных нагрузок создает ИП со следующими вероятностными характеристиками: m=(0,550,63)UИ.М; =(0,160,21)UИ.М. Причем большей величине временного разброса замыкания контактов соответствует меньшее значение m и большее значение. Полученные результаты справедливы также для случая включения незаряженной емкостной трехфазной цепи, если положить UИ.М=UФ.М. Включение трехфазной батареи конденсаторов с изолированной средней точкой, заряженной при предшествующем отключении, дает m=(0,780,89)UФ.М; =(0,40,62)UФ.М; UИ.М<2,36UФ.М. Наибольшая амплитуда ИП в сети наблюдается при коммутации заряженных емкостных цепей, включенных между фазами и корпусом при СH>>CC: m=1,7UФ.М; <1,1UФ.М; UИ.М=4,4UФ.М. Однофазные замыкания на корпус создают несимметричные ИП до 1200 В, при этом на замыкаемой фазе
m=(1,2–1,3)UФ.М; =0,5UФ.М, на остальных фазах m=(1,7–1,9)UФ.М; =(0,6–0,8)UФ.М. Погрешность экспериментального определения характеристик не превышает 15% с доверительной вероятностью 0,997.

Натурные эксперименты подтвердили возможность появления на ГРЩ ИП с амплитудой до 1200 В. Частота следования ИП с амплитудой более UФ.М на обследованных судах не превышает одного раза в сутки

В судовой сети с номинальным напряжением 380 В на ГРЩ частота следования импульсных помех с амплитудой, превышающей 1000 В, составляет единицы в год и связана в основном с аварийными процессами, а частота появления импульсов с амплитудой более 2000 В близка к нулю. Правила РМРС регламентируют устойчивость судового оборудования, устанавливая обязательные испытания наносекундными и микросекундными ИП амплитудой 2 и 1 кВ. При обеспечении устойчивости оборудования к ИП с амплитудой 1 кВ возможен сбой в его работе с вероятностью порядка нескольких процентов при однофазных замыканиях на корпус или разрядах молнии. При повышении требований по устойчивости судового оборудования до 2 кВ вероятность его сбоев приближается к нулю.

После установки на судно электронного и электротехнического оборудования его работоспособность в условиях реальных ИП может быть проверена в многократно повторяемых режимах дуговых замыканий одной фазы сети на корпус или с помощью разработанных имитаторов ИП.

В третьей главе определяется изменение параметров ИП при распространении в системе, учитывается распространение ИП вдоль кабельной трассы, распространение помех излучением, возникновение наведенных напряжений в кабельной трассе, приводятся результаты экспериментального исследования.

При обеспечении ЭМС необходимо принимать во внимание не только параметры помех в месте возникновения, но и изменение параметров при распространении до восприимчивой к помехам аппаратуре. Импульсные помехи распространяются от точки возникновения по общей сети питания, через элементы СЭС, такие как распределительные щиты, трансформаторы, фильтры, через гальванические развязки, электромагнитные связи кабелей в трассе (рис. 4).

Распространение ИП по кабелям носит волновой характер, так как длительность фронта помех соизмерима со временем пробега электромагнитных волн по судовым кабелям.

В начале главы дан обзор существующих современных методов расчета распространения помех, включая топологический подход Baum-Lui-Tesche и супертеорию линий передачи TLST. В работе поставлена задача получения упрощенных моделей, пригодных для оценочных расчетов при отсутствии полной информации о системе.

Рис. 4. Распространения импульсных помех в СЭС от точки возникновения (точка включения нагрузки Н у ГРЩ) до электронного оборудования ЭО, где СК, ИК – соответственно силовой и информационный кабели, РЩ – распределительный щит, Т – трансформатор, Ф – фильтр, Д – датчик, ГР – устройство гальванической развязки

Полученные выражения, описывающие изменения напряжения при распространении, учитывают потери в кабелях, волновые эффекты при распространении по сети, при переходе через распределительные щиты, участки неоднородности, такие как разделка кабелей и изменение высоты прокладки, и позволяют определить амплитуду, длительность и фронт ИП на оборудовании, удаленном от источника ИП. В частности, потери в проводниках приводят к появлению в переходной характеристике составляющей, описываемой интегралом вероятности: , а потери в диэлектрике дают зависимость вида arctg(t/Д). При формировании ИП в цепях с сосредоточенными параметрами ее фронт описывается экспоненциальной функцией.

В работе приведены необходимые для расчета значения параметров судовых кабелей, полученные теоретически и экспериментально, даны графики зависимостей волновых параметров от материала диэлектрика и геометрических особенностей кабелей. Например, значение волнового сопротивления судового кабеля КНР уменьшается от 105 Ом для кабеля КНР с сечением 3x1 мм2 до 30 Ом для кабеля КНР с сечением 3x240 мм2. Постоянная М уменьшается, постоянная Д изменяется мало, а их отношение m уменьшается от 250 до 10 при увеличении сечения кабеля от 3x1 мм2 до 3x240 мм2.

Оценка погрешности моделей распространения наносекундных импульсов проводится путем расчета среднеквадратического отклонения теоретических кривых от экспериментальной кривой напряжения по 2500 точкам. Сравнение расчетных кривых изменения напряжения на конце кабелей с экспериментами позволяет сделать вывод, что для кабелей длиной свыше 50 м более точный результат дает использование переходной характеристики затухания в металле, а для малых длин кабелей применима экспоненциальная зависимость. Погрешность расчета ИП при распространении по кабелям длиной от 5 до 100 м не превышает 10% для симметричных помех и 20% для несимметричных помех.

Наносекундные ИП (5/50 нс) при распространении в кабелях КНР длиной 100 м уменьшаются по амплитуде в 1,3–2,5 раза. Увеличение длины кабеля и уменьшение сечения приводит к уменьшению амплитуды и увеличению длительности фронта. Для кабеля длиной в несколько десятков метров длительность фронта импульса напряжения на дальнем конце растягивается до 0,1 мкс. С ростом длительности импульсов амплитуда на дальнем конце кабеля возрастает (рис. 5,а).

Микросекундные ИП (1/50 мкс) практически не изменяются за счет затухания по амплитуде при распространении по кабелям длиной до 100 м (рис. 5,б).

а)	б)

Рис. 5. Распространение симметричных ИП по кабелю длиной 50 м:

а) – напряжения на конце кабеля СМПВЭ 7x2,5 мм2 при подаче в его начало импульсов одинаковой амплитуды, но разных длительностей: 1 – 10 нс; 2 – 30 нс; 3 – 50 нс; б) – напряжения на ближнем uБ и дальнем uД конце кабеля КНР 3х10 мм2

На судне волновое сопротивление кабелей изменяется из-за разделки кабеля, соединения различных кабелей в распределительном щите, а для распространения несимметричных ИП – также из-за изменения высоты прокладки кабеля над судовыми конструкциями. Полученные выражения позволяют оценить амплитуду напряжения на конце кабеля и в случае неоднородностей.

Наибольший вклад в изменение параметров ИП при распространении дают эффекты отражений и преломлений волн в точках изменения волнового сопротивления. Напряжение на удаленном оборудовании определяется также сопротивлением этого оборудования. На параметры наносекундных ИП оказывает влияние даже разделка кабеля (рис. 6). Переход волны напряжения с кабеля через щит на многочисленные отходящие от щита кабели, приводит к наиболее существенному уменьшению ИП. Принятая для судов радиальная структура СЭС является наилучшей с точки зрения снижения уровней помех при распространении. Проведенные на
6 судах натурные измерения распространения ИП между главным распределительным щитом (ГРЩ) и удаленным щитом позволяют оценить суммарный эффект от потерь в кабеле, от неоднородностей, отражений от нагрузок и преломлений волн на щитах. Наносекундные ИП, приходящие по кабелю с волновым сопротивлением 50 Ом на ГРЩ и распространяющиеся далее на удаленный щит затухают более чем в 50 раз. Микросекундные ИП, возникающие на ГРЩ при включении конденсатора и распространяющиеся от ГРЩ до удаленного щита, уменьшаются до 0,4–0,8 от амплитуды в точке возникновения. Напряжение на удаленном оборудовании с высоким сопротивлением может в 2 раза превышать напряжение приходящей к нему по кабелю волны.

а)	б)

Рис. 6. Результат расчета напряжения на конце кабеля uH(t) при разделке кабеля у нагрузки: а) – изменение во времени, б) – зависимость амплитуды напряжения от волнового сопротивления участка разделки Z2 при различных сопротивлениях нагрузки

Многократные отражения волн на пути распространения из-за разделки и изменения высоты прокладки кабелей могут дать увеличение амплитуды ИП до
4 амплитуд падающей волны при высоком сопротивлении нагрузки. С учетом того, что импульсная помеха на ГРЩ может достигать 1 кВ, напряжение ИП на удаленном потребителе может достигать 4 кВ, что требует повышения требований к устойчивости судового оборудования минимум до 2 кВ. Проведенный генетическим алгоритмом поиск абсолютного экстремума дает еще большее максимально возможное напряжение на нагрузке (до 8 амплитуд падающей волны) при наличии неоднородностей кабеля перед ней с определенным сочетанием параметров. Однако выполнение этих условий маловероятно.

Импульсные помехи, обусловленные включением конденсатора, могут привести к четырехкратному перенапряжению на потребителе по отношению к фазному напряжению на ГРЩ. Многократные отражения в кабеле могут дать увеличение перенапряжения на удаленном потребителе до 2 кВ.

Наносекундные и микросекундные ИП могут быть отнесены по своему спектру к высокочастотным помехам. Поэтому любой металлический корпус оборудования является для них хорошим экраном, обеспечивающим ослабление на несколько порядков. В главе приведены удобные для практического использования графики определения коэффициентов экранирования различных металлов и обобщены представления о распространении помех излучением. Главным путем проникновения ИП внутрь судового электронного оборудования остаются внешние кабели.

Импульсные помехи, распространяющиеся по кабелю, наводят напряжения в соседних информационных кабелях. Полученные решения уравнений позволяют определить параметры наносекундных наведенных ИП и прогнозировать их форму (рис. 7). Параметры, необходимые для получения численных решений, определяются на основе геометрии трассы и кабелей.

Решения, описывающие наведенные напряжения на ближнем u2Б и дальнем u2Д конце кабеля, соседнего с кабелем-источником помех uS, описываются выражениями вида:

а)	б)

Рис. 7. Несимметричное импульсное напряжение на ближнем u2Б (нагрузка 75 Ом) и дальнем u2Д (без нагрузки) конце жилы кабеля КМПВЭ 37х1 мм2 длиной 10 м при подаче на соседнюю жилу импульса с фронтом длительностью 1 нс: а) – результат измерения; б) – результат расчета

Возникновение наведенных напряжений в кабельной трассе может рассматриваться как процесс распространения электромагнитных волн по волновым каналам многопроводной линии. Этот процесс зависит от числа, взаимного расположения, материала и размера проводников, их удаленности от корпуса (земли), материала изоляции. Распространение энергии в различных совокупностях параллельных проводников подразделяют на распространение по определенным волновым каналам. Для однородного участка кабельной трассы распространение по каждому каналу происходит независимо. В местах нарушения однородности происходит перераспределение между каналами. Суть подхода заключается в преобразовании напряжений и токов на проводниках к напряжениям и токам в каналах, расчете их изменений при распространении и отражении от нагрузок на концах кабеля с последующим обратным преобразованием к напряжениям на проводниках в требуемой точке.

По результатам расчета, амплитуда наведенного напряжения в цепи рецептора помех может достигать 0,3 амплитуд напряжения источника помех, а на нагрузке с высоким сопротивлением даже 0,6. Форма наведенного напряжения на ближнем и дальнем концах цепи рецептора зависит от параметров кабельной трассы и формы исходного импульса в кабеле-источнике помех.

Для оценочных расчетов амплитуды микросекундных ИП, наведенных на проводнике неэкранированного кабеля из-за воздействия помех от соседнего кабеля длиной lK, можно предложить следующие значения параметров связи: емкость между кабелями С12<40lK пФ, взаимная индуктивность по цепям кабель-земля
М12<200lK нГн, взаимная индуктивность пар проводников кабелей М1122<30 нГн. Максимальное значение М1122 практически не зависит от длины lK. Для кабеля с экраном С12<0,1lK пФ, М12<0,1lK нГн, М1122<10 нГн. Если цепь 2 расположена в кабеле с пожильным экранированием, то С12<0,04lK пФ, а наведенное напряжение за счет магнитной связи меньше напряжения, вызванного протеканием наведенного тока по экрану. Сопротивление экрана RЭ<10lK мОм. Емкость жил кабеля на корпус зависит от расстояния от жил до корпуса и может быть положена С2<(20–200)lK пФ, где наибольшее значение соответствует жилам кабеля с заземленным экраном.

Значения параметров связи кабелей в трассе определяются расчетным путем или разработанным автором импульсным методом измерения (от 0,1 пФ, 1 нГн).

Полученные решения уравнений позволяют определить параметры наведенных импульсных напряжений и прогнозировать их форму. Наведенные напряжения в соседнем неэкранированном кабеле двадцатиметровой трассы могут достигать 300 В на жилах и 10–30 В между жилами и практически не меняются при использовании кабельных соединителей в трассе. Волновые эффекты распространения могут дать удвоение этих напряжений при неблагоприятном сочетании параметров нагрузок.

При вводе кабелей в соединители, применяемые для повышения технологичности электромонтажных работ, кабели разделывают, в результате чего в кабельной трассе оказывается вставка, в которой частично отсутствуют повив и экранирование жил, возможно нежелательное сближение отдельных проводников различных кабелей. Это приводит к возрастанию электромагнитных связей кабелей, возрастанию наведенных напряжений. Определены параметры связей кабелей в соединителях СКМ, СКР, СКУ, соединительном ящике СЯ, разъемах ШР, 2РМ, РП14, РПО, устройстве УКО, в токовводах на основе кабеля КМЖ и оценено их влияние на амплитуду наведенных ИП. В кабеле с одним наружным экраном и при наличии в трассе кабельных соединителей можно ожидать наведенные импульсные напряжения до 3 В на жилах относительно корпуса и до 0,4 В между жилами. Соединительный ящик в трассе может увеличить эти напряжения соответственно до 5 и 3 В. Наведенные напряжения между жилами кабелей с пожильным экранированием не превышают 0,4 В.

В четвертой главе рассматривается воздействие ИП на электронное оборудование, распространение помех через сетевые фильтры, трансформаторы, устройства гальванические развязки, механизм проникновения ИП к восприимчивым узлам и компонентам ТС, стойкость компонентов электронного оборудования, помехоустойчивость цифровых и аналоговых устройств.

Опыт испытаний на помехоустойчивость показывает, что около четверти образцов электронного оборудования, впервые предъявляемого на испытания по ЭМС, сбивается при воздействии наносекундных ИП. Фиксируются изменения показаний отображающих индикаторов, зависание процессоров, формирование или выполнение ложных команд. При воздействии микросекундных ИП в цепях питания у 7–9% впервые испытываемых изделий наблюдается разрушению вторичных источников электропитания или входных фильтров.

Фильтр, трансформатор или специальный защитный элемент описываются некоторыми параметрами связи (передачи, распространения). Затухание помех характеризуется коэффициентом вносимого затухания KЗ, под которым понимают отношение напряжений помех на рецепторе (нагрузке) при отсутствии элемента на пути распространения помех U1 и при его наличии U2.

Коэффициент вносимого затухания фильтра в реальных условиях эксплуатации зависит не только от параметров элементов фильтра, но и от сопротивления источника помех и сопротивления защищаемого оборудования. Можно рекомендовать производить расчет распространения помех для наихудшего случая сочетания этих параметров.

Реальные элементы фильтров обладают паразитными параметрами, ухудшающими свойства элементов на высоких частотах. Для точных расчетов необходимо использовать полные схемы замещения элементов, параметры которых предлагается определять расчетным путем, путем измерения или использовать полученные в работе значения.

Расчет прохождения ИП сводится к определению переходной характеристики при подаче ступеньки напряжения единичной амплитуды с последующим применением интеграла Дюамеля или к использованию PSpice-моделей.

Микросекундные ИП по ГОСТ Р 51317.4.5 длительностью 50 мкс ослабляются пассивным LC-фильтром с приемлемыми значениями индуктивности и емкости лишь в несколько раз, а фильтр с малыми значениями L и C дает увеличение помехи (рис. 8). В целом пассивные фильтры мало эффективны для защиты от микросекундных импульсных помех. Увеличение коэффициента затухания до значений, требуемых ГОСТ Р 50745 (4, 10, 50 раз) путем увеличения индуктивности и емкости приводит к чрезмерным габаритам и недопустимо большому падению напряжения на индуктивности при протекании тока основной частоты.

а)	б)

Рис. 8. Зависимость коэффициента вносимого затухания микросекундных ИП от параметров LC-фильтра и от нагрузки при сопротивлении источника помех 2 Ом:

а) – нагрузка отсутствует; б) – сопротивление нагрузки изменяется при С=1 мкФ

Наносекундные ИП по ГОСТ Р 51317.4.4 длительностью 50 нс могут быть ослаблены в требуемое ГОСТ Р 50745 число раз (10, 50, 200 раз) с помощью пассивных фильтров с малыми значениями паразитных параметров. LC-фильтр в виде идеальной катушки индуктивности LФ, устанавливаемой последовательно с защищаемой нагрузкой, и конденсатора СФ, устанавливаемого параллельно нагрузке, обеспечивает затухание наносекундных импульсных помех в 100 раз при LФ>0,3 мГн, СФ>0,1 мкФ для стандартной нагрузки 50 Ом (рис. 9,а).

С ростом паразитной емкости катушки индуктивности СК коэффициент вносимого затухания индуктивного фильтра падает и при СК > 10 пФ не превосходит 10 раз.
С ростом индуктивности выводов конденсатора LB коэффициент вносимого затухания емкостного фильтра уменьшается и при LB > 1нГн не превосходит 10 раз (рис. 9,б).

а)	б)

Рис. 9. Распространение наносекундных ИП через LС-фильтр: а) – зависимость коэффициента вносимого затухания идеального LС-фильтра от емкости конденсатора для различных индуктивностей катушки при нагрузке 50 Ом; б) - зависимость вносимого затухания наносекундных ИП при LФ=100 мкГн с различной паразитной индуктивностью конденсатора (сплошные линии – LВ=0 нГн, точки – LВ=1 нГн, пунктир – LВ=10 нГн) от паразитной емкости катушки СК.

Полученные графики позволяют быстро оценить значения параметров элементов фильтра, обеспечивающих требуемое затухание импульсных помех.

Трансформаторы используются как в СЭС, так и в составе вторичных источников питания. В самом общем случае каждый элемент обмотки трансформатора можно считать связанным с другими элементами этой же фазы и соседних обмоток. Полные решения сориентированы в основном на поиск пространственного распределения напряжений вдоль обмоток, определения перенапряжений между витками и между секциями, что необходимо с точки зрения выбора изоляции обмоток, но не важно для целей оценки распространения импульсов через трансформатор.

Расчет распространения микросекундных ИП через трансформаторы может выполняться на основе схем с сосредоточенными параметрами. Значения параметров C12, C2, LS и CS, необходимые для расчета, определяются импульсным методом. Для низковольтных обмоток Ls имеет порядок 10-6 Гн, а Сs – 10-10 Ф.

В трансформаторах для симметричных составляющих ИП преобладает путь проникновения через магнитную связь между обмотками, а для несимметричных составляющих – через емкостную связь. Несимметричные ИП проходят через трансформатор с небольшим ослаблением, не зависящим от коэффициента трансформации. Симметричные напряжения передаются на вторичную обмотку с коэффициентом трансформации, вызывая симметричное напряжение на вторичной обмотке. Экспериментально обнаружено также преобразование симметричного напряжения u11, приложенного на первичную обмотку, в несимметричное напряжение на вторичной обмотке u2(0,25–0,4)u11, что обусловлено конструкцией трансформатора. Первый слой первичной обмотки, связанный с выводом 1, наиболее удален от вторичной обмотки. Последний слой обмотки, связанный с выводом 1’ непосредственно примыкает к ней. Это приводит к тому, что емкость С12 между первым слоем и вторичной обмоткой много меньше емкости С1’2 между последним слоем и вторичной обмоткой, что и приводит к появлению несимметричного напряжения на вторичной обмотке:

,

где С2 – емкость вторичной обмотки относительно корпуса.

Установлено, что многие устройства гальванической развязки не обеспечивают эффективной защиты оборудования от ИП из-за достаточно высокой проходной емкости. Целесообразна разработка стандарта по ЭМС, распространяющегося на устройства гальванической развязки.

ИП проникают внутрь ТС через электромагнитные связи цепей первичного питания и информационных цепей внутри ТС (рис. 10,а). Магнитная связь определяется расположением цепи-источника импульсного тока внутри ТС и цепи-рецептора помех (цепи питания электронных узлов). Наведенное напряжение пропорционально скорости изменения тока помех i1 в цепи первичного питания, т.е. большее наведенное напряжение дает ток с большей амплитудой и с более коротким фронтом. Ток в цепи заземления экрана кабеля i3 также может дать дополнительную магнитную связь, определяемую взаимным расположением цепи заземления и цепи рецептора помех. Электрическая связь характеризуется емкостью между цепями внутри ТС. График, приведенный на рис.10,б, позволяют определить по известной емкости связи амплитуду напряжения, наведенного на шинах питания электронных узлов наносекундными ИП, действующими в питающей сети. Рассмотренная модель проникновения ИП из сети питания в цепи питания чувствительных элементов через электромагнитные связи цепей внутри ТС позволяет прогнозировать наведенные напряжения.

Порт ввода-вывода часто не имеет средств помехозащиты. Несимметричные помехи, наведенные во внешних линиях связи, частично преобразуются в симметричные из-за неравенства входных сопротивлений ТС на зажимах ввода и воспринимаются ТС как полезный сигнал.

Порт корпуса подвержен воздействию электромагнитного поля и электростатического разряда. В конечном итоге электрическое и магнитное поля вызывают наведенные напряжения во внутренних цепях ТС, которые воспринимаются как полезный сигнал.

Воздействие помех в цепи заземления приводит к появлению напряжения помех на корпусе ТС, что эквивалентно воздействию несимметричных помех на портах питания и ввода-вывода относительно корпуса. Наносекундные ИП могут создать на проводнике заземления высокие падения напряжения. Полученные зависимости амплитуды и длительности ИП на цепи заземления от индуктивности этой цепи позволяют прогнозировать эффект от воздействия наносекундных ИП в цепи заземления.

В главе описывается также характер повреждения компонентов, даны некоторые характерные энергетические уровни их разрушения при воздействии ИП. Обобщенные данные по стойкости и помехоустойчивости элементов по отношению к ИП удобны для сравнения с прогнозируемыми значениями наведенных напряжений.

а)	б)

Рис. 10. Проникновение ИП в информационные цепи через электромагнитные связи внутри ТС: а) – размещение узлов электронного устройства; б) – зависимости коэффициента затухания КЗ наносекундной ИП 5/50 нс и длительности наведенного ИП от емкости связи цепей внутри ТС при сопротивлении цепи 50 Ом.

Наиболее восприимчивыми к ИП цепями являются цифровые микросхемы, которые изменяют свое состояние при появлении на шинах низковольтного питания ИП с амплитудой 2–3 В. Помехоустойчивость цифровых устройств оценивают зависимостью вероятности сбоев от амплитуды импульсных помех с фиксированными длительностью, фронтом и полярностью. Часто эта характеристика близка к пороговой и может быть описана пороговым значением амплитуды, при котором возникают постоянные сбои, и вероятностью сбоев при меньших амплитудах. Значение порога для цифровых устройств, спроектированных без учета ЭМС, может составлять десятки-сотни вольт. При правильном применении методов и средств помехозащиты цифровые устройства удовлетворительно работают при воздействии в питающей сети импульсов напряжения с амплитудой до нескольких тысяч вольт.

Воздействие помех на аналоговые устройства чаще всего проявляется в появлении дополнительных отклонений выходных величин, увеличении погрешности обработки сигналов, снижении чувствительности устройства и невозможности обработки сигналов малых уровней.

Устройства электроавтоматики, управляющие работой судовой электростанции, получают информацию для своей работы непосредственно от судовой сети, в которой могут возникать ИП с высокими амплитудами. Поэтому при проектировании устройств электроавтоматики необходимо уделять особое внимание восприимчивости их входных цепей к ИП.

Пятая глава посвящена практике обеспечения ЭМС. В ней дается общий подход к обеспечению ЭМС, рассматриваются пути совершенствования требований по ЭМС, методы и средства подавления ИП, защиты электронного оборудования от ИП и особенности проектирования судовых систем.

Обеспечение ЭМС подразумевает сопоставление уровней электромагнитных помех в месте установки ТС и устойчивости этих средств к помехам. Общим принципом обеспечения ЭМС технических средств является определение совместимости каждой возможной в системе пары источник помех–рецептор. Уровень помех, создаваемых источником или источниками на рецепторе, в общем виде является величиной случайной, так как зависит от режимов работы источников помех, режима работы электроэнергетической системы, от условий распространения помех, которые могут изменяться во времени. Обычно помехи больших уровней появляются с меньшей вероятностью. В главе 2 приведен способ определения вероятностных характеристик ИП. Помехозащищенность или помехоустойчивость рецептора характеризуются плотностью распределения вероятности сбоев в работе рецептора в зависимости от напряжения помехи. С ростом напряжения помех вероятность нарушения работы рецептора возрастает.

Уровень помех снижается путем применения методов и средств подавления помех в источнике, внесения изменений в механизм связи. Уровень помехоустойчивости повышают использованием методов и средств помехозащиты, повышением помехоустойчивости ТС.

Добиться идеального решения ЭМС технически сложно и может быть экономически не оправдано. Существуют источники помех, для которых невозможно точно указать максимальный уровень помех. Например, разряд молнии или аварийный процесс способны создать экстремально большой уровень ИП. Минимальный уровень помехоустойчивости носит также вероятностный характер. В некоторых режимах ТС может обладать пониженной устойчивостью к помехам.

Для ТС, связанных с безопасностью, а именно к таким ТС относится судовое оборудование ходового мостика, следует использовать подход минимизации вероятности сбоев, а не минимизации затрат. Требования по ЭМС могут быть определены, если задаться значением допустимой вероятности сбоев и знать вероятностные характеристики помех и помехозащищенности ТС для различных вариантов применения методов и средств обеспечения ЭМС. Во многих случаях обеспечение ЭМС превращается в своего рода искусство, требующее хорошего понимания физических процессов, знания существующих методов и средств, владения измерительным и испытательным оборудованием.

Первым шагом в обеспечении ЭМС по фактору ИП являлась разработка требований к устойчивости судового оборудования к ИП. Автор принимал непосредственное участие в научно-исследовательских работах по изучению возникновения и распространения ИП в СЭС, проводимых по заданию ЦНИИ судовой электротехники и технологии в 1970–1980-х годах с целью разработки таких требований. Автор являлся также ответственным исполнителем, руководителем НИР по совершенствованию ЭМС требований, проводимых для РМРС в конце 1990-х – начале 2000-х годов.

Соблюдение действующих требований РМРС к судовым ТС по эмиссии помех и помехоустойчивости является минимально необходимым условием обеспечения ЭМС. Объединение отдельных ТС (блоков) в систему существенно изменяет характеристики ЭМС из-за появления дополнительных путей распространения помех и взаимодействий блоков между собой. Близкое расположение мощного и чувствительного оборудования на судне, необходимость прокладки различных кабелей в одной кабельной трассе, появление многообразных электромагнитных связей снижают помехоустойчивость системы по сравнению с отдельным ТС и требуют решения ряда дополнительных вопросов. Обеспечение ЭМС для систем требует проверок по выявлению возможных сбоев при различных комбинациях работы оборудования.

Основными направлениями совершенствования документов Российского Морского Регистра судоходства (РМРС) является следующее:

- включение в Правила классификации и постройки морских судов раздела или приложения, содержащего порядок рассмотрения и решения вопросов ЭМС на стадии конструирования, изготовления и эксплуатации, общие требования по обеспечению ЭМС;

- корректировка требований по ЭМС в соответствии с новыми международными документами и стандартами;

- включение в руководства процедуры и методики проверки выполнения требований по ЭМС при постройке судна, в ходе швартовных и ходовых испытаний, а также при эксплуатации судна, включая случаи ремонта, замены оборудования, установки нового оборудования, проведения регламентных работ. Предлагается, в частности, дополнить швартовные и ходовые испытания рядом дополнительных испытаний по ЭМС систем навигации и радиосвязи. Испытания на устойчивость к наносекундным ИП амплитудой 2 кВ, подаваемым на щит питания оборудования ходового мостика, позволяют устранить ошибки монтажа, выявить некачественно изготовленное оборудование, повысив тем самым безопасность мореплавания.

Снижение уровня помех, создаваемых источником, является важным направлением обеспечения ЭМС. Принцип «Лучше не создавать помехи, чем потом с ними бороться» можно рекомендовать к использованию при проведении работ по помехоподавлению. При этом рекомендуются следующие приоритеты: а) полное исключение генерации помех в источнике, а при невозможности этого – б) снижение уровня помех внутренними средствами и только в последнюю очередь – в) применение внешних средств подавления помех. Приведенные в работе примеры реализации такого подхода применительно к снижению уровней помех в СЭС при коммутациях нагрузок, работе полупроводниковых преобразователей, вторичных источников питания позволяют более эффективно применять указанные ниже методы и средства подавления помех.

Основными путями снижения ИП в электрической сети при коммутациях можно назвать следующие:

– проектирование СЭС таким образом, чтобы в них отсутствовали источники коммутационных импульсных помех с амплитудой большей удвоенного амплитудного значения фазного напряжения;

– устранение условий коммутации нагрузки, приводящих к появлению наибольших амплитуд помех, снижение скорости изменения токов и напряжений при коммутации;

– применение внешних помехоподавляющих устройств.

Для снижения амплитуды ИП при включении батареи заряженных конденсаторов могут быть рекомендованы следующие меры:

– устранение батарей конденсаторов с часто коммутируемых участков сети;

– разряд конденсаторов после отключения через дополнительные резисторы, что позволяет снизить максимальную амплитуду импульсов приблизительно в 2 раза;

– сетевые фильтры на входе часто включаемых потребителей должны содержать катушки индуктивности между конденсаторами и сетью, что позволяет снизить амплитуду импульсных помех и скорость изменения напряжения при включении в сеть;

– батареи конденсаторов большой переключаемой емкости должны включаться полупроводниковыми ключами в моменты времени равенства напряжения на конденсаторе и в сети.

Применение помехоподавляющих устройств в сети менее эффективно, чем подавление помех непосредственно в источнике. Установка конденсаторов в какой-либо точке сети снижает напряжение помех в этой точке, однако увеличивает токи помех в кабеле, что может привести к увеличению напряжений, наведенных в соседних кабелях трассы. Включение самого участка сети с установленными конденсаторами может привести к появлению ИП больших амплитуд. Увеличение емкости сети относительно корпуса приводит к увеличению амплитуды ИП при однофазных замыканиях. Подавление коммутационных ИП в сети возможно также с помощью нелинейных элементов, применяемых для защиты от грозовых перенапряжений.

При проведении работ по повышению помехоустойчивости и помехозащите оборудования рекомендуются следующие подходы:

– защита от помех на всех путях их воздействия: по портам питания, корпуса, ввода-вывода и порту заземления;

– защита от всех видов помех: кондуктивных и излучаемых, симметричных и несимметричных, непрерывных и импульсных, высокочастотных и низкочастотных, широкополосных и узкополосных;

– защита на дальних подступах: выделение зон для установки ТС, снижение уровней помех на входе в каждую зону путем применения средств помехозащиты;

– учет паразитных параметров реальных элементов;

– контроль конструкции и реализации: размещения узлов и элементов, экранирования, электрических контактов конструктивных элементов, минимизации индуктивности цепей заземления;

– повышение устойчивости к помехам внутренними методами: использование специальных схемных решения цепей ТС, выбор параметров используемых сигналов, выбор методов и алгоритмов обработки сигналов.

Использование принципа «Лучше обеспечить устойчивость самого ТС к помехам, чем защищать его от помех» позволит во многих случаях сэкономить средства, затраченные на обеспечение ЭМС.

Приведенные в работе конкретные данные по средствам помехозащиты, характеристикам помехозащитных элементов, рекомендации по выбору и прокладке кабеля, по конструкции кабельных соединителей и токовводов, экранированию и заземлению, рассмотренная процедура организации работ по обеспечению ЭМС, включая конкретные технические аспекты, могут непосредственно использоваться при проведении работ по ЭМС на судах.

Многолетний опыт работ по ЭМС позволяет сказать, что наиболее действенным подходом к обеспечению ЭМС являются фундаментальные знания в этой области. Только понимание физических процессов и механизма действия средств обеспечения ЭМС позволяет принять грамотное и эффективное решение. Механическая установка фильтров, конденсаторов в цепях ТС может привести к противоположному результату. В большинстве практических случаев прямая и полная реализация известных приемов и средств по ЭМС оказывается затруднительной или невозможной. Обеспечение ЭМС требует рассмотрения возможных вариантов решений, прогнозирования их эффективности, принятия компромиссов с существующей конструкцией и размещением ТС.

Насущной необходимостью является внедрение в учебные планы электротехнических специальностей университетов страны курсов по ЭМС.

Предлагаемая структура ЭМС знаний (табл. 1) призвана помочь в овладении искусством ЭМС. Автором опубликован учебник «Электромагнитная совместимость судовых технических средств», разработаны и внедрены в учебный процесс в Санкт-Петербургском морском техническом университете дисциплины «Электромагнитная совместимость судовых технических средств», «Электромагнитная совместимость электрооборудования», базирующиеся на этой структуре.

Таблица 1

Структура необходимых для обеспечения ЭМС знаний

Точка зрения на проблему	Знания в области ЭМС
Объект	Источник	Связь	Рецептор
Физический процесс	Возникновение	Распространение	Воздействие
Обеспечение ЭМС	Подавление	Выбор и размещение	Защита
Стандартизация	Нормы эмиссии	Рекомендации по размещению	Требования к помехоустойчивости
Испытания	Измерения эмиссии помех	Проверка монтажа и конструкции	Испытания на помехоустойчивость

Три основных объекта, анализируемых в ЭМС, а именно – источник помех, рецептор помех и механизм связи, позволяют разделить материал на три основных части, которые рассматриваются с различных точек зрения.

Понимание физики процессов в объектах (возникновение, распространение и воздействие помех) является базой для всех других уровней подхода к проблеме. Только овладение этими знаниями позволяет разрабатывать рекомендации по ЭМС и прогнозировать результат их применения, дает понимание смысла тех или иных требований, позволяет избежать ошибок при проведении экспериментальных работ. Уровень практики обеспечения ЭМС (подавление помех, выбор и прокладка кабелей, размещение оборудования, защита от помех) дает набор методов и средств решения проблемы. Знание подхода к стандартизации в области ЭМС и содержания основных нормативных документов оказывает значительную помощь при разработке требований по ЭМС для конкретного заказа, требований к приобретаемому оборудованию. К стандартизации тесно примыкают знания и умения по испытанию ТС на соответствие требований стандартов. Методы и средства измерения эмиссии помех, испытаний на помехоустойчивость, методики проверки выполнения требований по ЭМС крайне важны при проведении работ по обеспечению ЭМС. В большинстве случаев только экспериментальная проверка может подтвердить электромагнитную совместимость ТС и систем на судне.

В шестой главе описываются техническое и методическое обеспечение испытаний, средства имитации ИП, особенности измерения параметров ИП, созданная испытательная лаборатория технических средств по электромагнитной совместимости и обобщается многолетний опыт проведения испытаний оборудования на устойчивость к помехам.

При проведении испытаний на устойчивость к помехам необходимы испытательные генераторы, имитирующие помехи с параметрами, близкими к реальным.

Первым в СССР производителем имитаторов ИП для испытаний цифровой вычислительной техники на помехоустойчивость был СКБ вычислительных машин, г. Вильнюс. За рубежом аналогичные разработки выполнены фирмами Noise Laboratory (Япония) и Schaffner (Швейцария). Вопрос был мало изучен, и прорабатывались различные варианты. Первыми международными базовыми стандартами на устойчивость к импульсным помехам явились МЭК 801-4, МЭК 801-5. В СССР были внедрены стандарты предприятий и руководящие документы, требующие испытаний устройств числового программного управления на устойчивость к ИП. Аналогичные требования готовились для испытания судового оборудования. Разработанный автором «имитатор импульсных помех с длительностью импульсов до 100 мкс» изготовлен на ЛНПО «Электромаш», г. Ленинград в начале 1980-х годов мелкой серией и начал использоваться для проведения испытаний числового программного управления (ЧПУ). По разработанной документации были изготовлены такие же имитаторы в ЦНИИ «Морфизприбор», г. Ленинград, для испытаний судового оборудования, а также на ряде других предприятий. В конце 1980-х годов под руководством автора разработаны имитаторы ИП, соответствующие МЭК 801-4, МЭК 801-5 (позднее ГОСТ 29156-91 и ГОСТ 50008-92), и начато единичное производство имитаторов. С 1992 года имитаторы импульсных помех ИИП-2000, ИИП-4000, имитаторы пачек помех ИПП-2000, ИПП-4000 постоянно выпускаются ООО «ЭЛЕМКОМ». К настоящему времени выпущены и используются в испытательных лабораториях различных предприятий России, Украины, Белоруссии, Казахстана, Финляндии более 200 приборов этих типов. ООО «ЭЛЕМКОМ» является вторым в СССР и первым в России производителем комплекта имитаторов помех, необходимого для проведения испытаний на помехоустойчивость в соответствии с современными Российскими и международными стандартами. Имитаторы выполнены на отечественной элементной базе по оригинальным на момент разработки схемам и аттестуются ФГУ "Тест-С.-Петербург" как испытательное оборудование. Основные подходы к разработке имитаторов помех, схемные решения приведены в данной главе. Технические характеристики некоторых разработанных приборов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Основные технические характеристики имитаторов ИП

производства ООО «ЭЛЕМКОМ»

Внешний вид имитатора	Характеристики
	ИПП-4000 - имитатор пачек помех для испытаний по ГОСТ Р 51317.4.4-99 Амплитуда импульсов 0,25; 0,5; 1; 2; 4 кВ Фронт / длительность 5 / 50 нс Частота следования 2,5; 5 кГц Длительность / период пачек 15 / 300 мс Выпускаются модификации ИПП-2000 с амплитудой генерируемых импульсов до 2 кВ
	ИИП-4000 - имитатор импульсных помех для испытаний по ГОСТ Р 51317.4.5-99 Амплитуда импульсов напряжения 0,5; 1; 2; 4 кВ Амплитуда импульсов тока 0,25; 0,5; 1; 2 кA Фронт / длительность 1 / 50 мкс Выпускается модификация ИИП-4000Д с длительностью импульсов 700 мкс
	ИИП-2500У - имитатор импульсных помех для испытаний по ГОСТ Р 51317.4.12-99 Амплитуда импульсов 0,5; 1; 2; 2,5 кВ Длительность фронта 75 нс Частота колебаний 0,1; 1 МГц Частота повторения 40; 400 Гц Выпускается модификации ИИП-4000КЗП с амплитудой генерируемых одиночных импульсов до 4 кВ

Имитатор импульсного магнитного поля ИМП-1000 позволяет проводить испытания по ГОСТ Р 50649, ГОСТ Р 50652, создавая в катушке со стороной 1 м испытательное импульсное магнитное поле до 1000 А/м и колебательное затухающее магнитное поле до 100 А/м. Имитатор импульсных помех ИИП-1000 предназначен для создания ИП в электрических цепях с целью испытаний корабельных технических средств в соответствии с требованиями по импульсным коммутационным перенапряжениям. Устройство имитации помех УИП предназначено для испытаний изделий космической техники. Имитаторы импульсных помех ИИП-300, ИПП-200 используются для испытаний автомобильного оборудования.

Разработанные имитаторы обеспечивают лаборатории России средствами испытаний на устойчивость к ИП.

Измерение параметров импульсных токов и напряжений требуется при оценке помеховой обстановки в электрической сети, при аттестации имитаторов ИП при проверке эффективности средств помехозащиты, а также при измерении эмиссии ИП, требуемой некоторыми стандартами. В главе дан обзор и рекомендации по выбору измерительных приборов, по способам подключения к исследуемым цепям, включая использование делителей, токосъемников. Рассматриваются искажения формы импульсов, трудности и ошибки при проведении измерений. Например, показано, что при измерении амплитуды наносекундных ИП даже с помощью штатных делителей осциллографа возможно получение завышенных результатов из-за возникновения колебаний на фронте импульса. Наиболее точные результаты измерения ИП достигаются при применении делителей коаксиальной конструкции и, в частности, при использовании разработанного автором делителя ДНН-1000. Обычный делитель НР9258 дает завышение на 8%, а штатный делитель Р2200 – на 18% при штатной длине заземляющего проводника 15 см. Увеличение длины заземляющего проводника может привести к погрешности более 30%. Поэтому при измерениях наносекундных ИП необходимо использовать делители коаксиального типа и принимать во внимание необходимость минимизации длины между делителем и корпусом источника импульсного напряжения. Обнаружен также эффект влияния импульсного электромагнитного поля на штатные делители. При расположении рядом с делителями проводников, находящихся под импульсным напряжением, возможно появление наведенного напряжения, которое воспринимается как полезный сигнал амплитудой более 1 В. Такую же наводку может дать соседний делитель, подключенный для наблюдения импульсного напряжения с высокой амплитудой и расположенный рядом с рассматриваемым делителем.

Разработанные автором измерительные приборы применялись на начальном этапе получения данных о параметрах ИП на судах. Регистраторы ИП преобразовывали значения параметров ИП в сигнал, удобный для вывода на носитель информации. Анализаторы амплитуды подсчитывают количество импульсов, параметры которых имеют значения, превышающие заданные пороги. Различные схемы пороговых устройств для анализатора проверены автором при разработке средств фиксации редкоповторяющихся ИП. Разработанные автором анализаторы импульсных помех АИП-С, изготовленные в ЦНИИ «Морфизприбор» и «Счетчики импульсных напряжений для регистрации в сети питания ИП», изготовленные в ЛНПО «Электромаш», использовались для определения помеховой обстановки на судах и на промышленных предприятиях.

На базе кафедры электротехники и электрооборудования Санкт-Петербургского государственного морского технического университета создана лаборатория для испытаний технических средств по требованиям ЭМС. Оснащение лаборатории испытательным оборудованием осуществлено ООО «Элемком». В настоящее время лаборатория имеет аккредитацию в системах сертификации ГОСТ Р, РМРС, Российского речного регистра, Минтранса РФ, лицензию Госатомнадзора. Испытательное оборудование дает возможность проводить испытание на устойчивость ко всем основным видам помех, требуемых отечественными и международными стандартами. Измерительное оборудование позволяет измерять эмиссию различных видов помех и помеховую обстановку в лабораториях и на судах.

С первой аккредитации РМРС (первое свидетельство 92.038.01 от 30.12.1992 г.) созданная под руководством автора испытательная лаборатория провела испытания на электромагнитную совместимость более 700 образцов различного оборудования. Многолетний опыт испытаний на ЭМС по требованиям РМРС позволяет сделать вывод, что из впервые предъявленных на испытание технических средств около половины не выдерживают испытания. Этот процент значительно ниже для продукции, разрабатываемой и выпускаемой производителями, продукция которых неоднократно предъявлялась на испытания и которые учитывают в последующих разработках полученный опыт.

Наносекундные ИП почти в четверти случаев первичных испытаний изделий приводят к сбоям. Установка помехоподавляющего фильтра в цепи питания, разнесение силовых и информационных узлов изделия в корпусе, экранирование внешних связей, правильное выполнение соединения экранов кабелей с корпусом, установка оптронной развязки между блоками системы практически всегда позволяет повысить помехоустойчивость до требуемой величины. Микросекундные ИП в цепях питания могут привести даже к разрушению вторичных источников электропитания и входных фильтров. Установка варисторов в большинстве случаев решает задачу защиты от этого вида помех.

Проведение испытаний судовых систем на помехоустойчивость после установки на судно до настоящего времени не входит в программу швартовных испытаний. Между тем как наносекундные ИП в сети питания с амплитудой 2 кВ приводили к самопроизвольному изменению показаний системы управления курсом, к сбросу показаний измерителя ветра на обследованном судне. Указанные сбои могли представлять опасность для мореплавания. Установка дополнительных фильтров, выполнение качественного заземления всех частей корпусов обеспечили требуемую помехоустойчивость.

Проведенные эксперименты подтверждают необходимость проверки помехоустойчивости систем после установки на судно.

Во многих случаях достаточно простыми помехозащитными мероприятиями удается довести оборудование до соответствия требованиям по помехоустойчивости и помехоэмиссии. Опыт общения с разработчиками и изготовителями судового оборудования подтверждает крайнюю необходимость во внедрении дисциплины по ЭМС в учебные планы электротехнических и приборостроительных специальностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Импульсные помехи, возникающие в СЭС при штатных и аварийных коммутациях, содержат компоненты как микросекундного диапазона длительностей, так и длительностью в десятки-сотни наносекунд. Наносекундные ИП могут быть рассчитаны методом распространяющихся волн на основании приведенных в работе выражений. Микросекундные ИП предлагается рассчитывать с помощью разработанных упрощенных схем замещения, в которых волновые свойства сети эквивалентированы цепями с сосредоточенными параметрами. Величина погрешности расчета амплитуды и длительности помех по сравнению с результатом эксперимента не превышает 20%.

2. Импульсные помехи в СЭС с точки зрения теории вероятности могут быть представлены как случайный импульсный поток со случайными временами появления и случайными величинами параметров каждого импульса. Частота появления ИП, амплитуда которых превышает заданную величину, может использоваться для разработки требований к защищенности оборудования от ИП. Искомая характеристика может быть определена путем проведения большого объема измерений амплитуды ИП на судах или на основе полученных методом статистических испытаний гистограмм плотностей вероятностей амплитуды ИП.

3. Амплитуда ИП в точке возникновения в СЭС с номинальным напряжением 380 В может достигать 1400 В. Это значение превышает амплитуду импульса напряжения, рекомендуемого МЭК 60945 для испытаний судового оборудования на устойчивость к ИП (1 кВ). Длительность ИП принимает значения от долей до десятков микросекунд, а длительность фронта ИП может быть от 10 нс до единиц микросекунд. Частота следования ИП с амплитудой более амплитудного значения фазного напряжения на обследованных судах не превышает одного раза в сутки.

4. Электромагнитные процессы в СЭС в наиболее общей форме рассматриваются с точки зрения электромагнитной топологии с использованием формулы Baum-Lui-Tesche. Моделирование распространения сигналов по многопроводным линиям может быть выполнено на основе супертеории линий передачи. Разработанные упрощенные модели распространения ИП по кабелю пригодны для оценочных расчетов при отсутствии полной информации о системе. Полученные решения учитывают потери в кабелях, волновые эффекты при распространении по сети, при переходе через распределительные щиты, участки неоднородности, такие как разделка кабелей и изменение высоты прокладки кабелей. Сравнение результатов расчетов и измерений амплитуды при распространении ИП по кабелям длиной от 5 до 100 м показывает, что погрешность расчета не превышает 10% для симметричных помех и 20% для несимметричных помех. Требуемые для моделей распространения помех параметры судовых кабелей определяются расчетом по приведенным в работе формулам или путем измерения по разработанной методике.

5. Потери при распространении в кабеле уменьшают наносекундные ИП по амплитуде в 1,3-2,5 раза при длине кабеля 100 м, но практически не изменяют амплитуды микросекундных ИП. Наибольший вклад в изменения параметров импульсных помех при распространении дают эффекты отражений и преломлений волн в точках изменения волнового сопротивления.

6. Многократные отражения волн на пути распространения из-за разделки и изменения высоты прокладки кабелей могут дать увеличение амплитуды помехи до 4 амплитуд падающей волны при высоком сопротивлении нагрузки. Генетический алгоритм поиска экстремума дает еще большее максимально возможное напряжение на нагрузке (до 8 амплитуд падающей волны) при наличии неоднородностей кабеля перед ней с определенным сочетанием параметров. Однако такое сочетание условий маловероятно. Многократные отражения в кабеле теоретически могут дать перенапряжения на удаленной нагрузке до 7,5 амплитуд фазного напряжения электропитания. Требование к устойчивости судового оборудования к микросекундным ИП должно быть установлено на уровне не менее 2 кВ.

7. Распространяющиеся по кабелю ИП наводят напряжения в соседних информационных кабелях. Полученные решения уравнений позволяют определить параметры наносекундных наведенных ИП и прогнозировать их форму. По результатам расчета амплитуда наведенного напряжения в цепи рецептора помех может достигать 0,3 амплитуд напряжения импульса в цепи источника помех, а на нагрузке с высоким сопротивлением – даже 0,6. Амплитуда микросекундных ИП, наведенных на кабеле в трассе, может быть оценена на основе приведенных в работе значений параметров связи. Наведенные ИП в соседнем неэкранированном кабеле могут достигать 300 В на жилах и 10–30 В между жилами и практически не меняются при использовании кабельных соединителей. Волновые эффекты распространения могут дать удвоение этих напряжений. В кабеле с одним наружным экраном и при наличии в трассе кабельных соединителей можно ожидать наведенные ИП до 3 В на жилах относительно корпуса и до 0,4 В между жилами. Соединительный ящик может увеличить эти напряжения соответственно до 5 и 3 В. Наведенные ИП между жилами кабелей с пожильным экранированием не превышают 0,4 В.

8. Микросекундные ИП ослабляются LC-фильтром с приемлемыми значениями индуктивности и емкости лишь в несколько раз, а фильтр с малыми значениями L и C дает увеличение помехи. Наносекундные ИП могут быть ослаблены в десятки-сотни раз с помощью фильтров, выполненных на элементах с малыми значениями паразитных параметров. При паразитной емкости катушки индуктивности более 10 пФ или паразитной индуктивности конденсатора более 1 нГн коэффициент вносимого затухания фильтра не превосходит 10 раз. Приведенные графики позволяют быстро оценить значения параметров элементов фильтра, обеспечивающих требуемое затухание ИП. Необходимо учитывать возможное снижение коэффициента при реальных значениях параметров сети и защищаемого оборудования.

9. Трансформаторы пропускают несимметричные ИП с небольшим ослаблением, не зависящим от коэффициента трансформации. Симметричное напряжения может преобразовываться в несимметричное на вторичной обмотке до 40%, что может быть рассчитано на основе предложенной модели. Параметры трансформаторов, необходимые для расчета, предлагается определять импульсным методом по разработанной методике. Средства гальванической развязки предлагается проверять на помехоустойчивость и вносимое затухание в соответствии с разработанной методикой. Целесообразна разработка стандарта по ЭМС, распространяющегося на устройства гальванической развязки.

10. Модель проникновения ИП из сети питания в цепи питания чувствительных элементов через электромагнитные связи цепей внутри ТС позволяет прогнозировать напряжения на элементах. Наведенное напряжение пропорционально скорости изменения напряжения и тока помех в цепи первичного питания. Приведенные графики позволяют определить по известной емкости связи амплитуду напряжения, наведенного на шинах питания электронных узлов наносекундными ИП. Приведенные зависимости амплитуды и длительности ИП на цепи заземления от индуктивности этой цепи позволяют прогнозировать эффект воздействия на ТС. При правильном применении методов и средств помехозащиты цифровые устройства удовлетворительно работают при воздействии в питающей сети ИП с амплитудой до нескольких тысяч вольт.

11. Соблюдение действующих требований РМРС к судовым ТС по эмиссии помех и помехоустойчивости является минимально необходимым условием обеспечения ЭМС. Существующие требования не содержат исчерпывающего алгоритма обеспечения ЭМС на системном уровне. Разработанные предложения по совершенствованию документов РМРС частично учтены в новых редакциях документов РМРС. В перспективе предлагается дополнить швартовные и ходовые испытания рядом дополнительных испытаний по ЭМС систем навигации и радиосвязи. В частности, испытания на устойчивость систем к наносекундным ИП амплитудой 2 кВ на судне позволяют выявить некачественно изготовленное оборудование и ошибки его монтажа, что дает возможность своевременно устранить дефекты и обеспечить безопасность мореплавания.

12. Приведенные в работе принципы и приоритеты, предлагаемые к использованию при проведении работ по обеспечению ЭМС, призваны дать разработчикам судового оборудования алгоритм в принятии решений в области ЭМС. Рекомендации по выбору средств защиты, по проектированию кабельных соединителей, токовводов содержат конкретные предложения по применению существующих изделий и конструированию перспективных. Процедура планирования работ по ЭМС на судах, обобщенные технические меры обеспечения ЭМС учитывают рекомендации международных документов и могут быть использованы проектными организациями.

13. Разработанные имитаторы ИИП-2000, ИИП-4000, ИИП-2500У, ИИП-1000, ИПП-2000, ИПП-4000 к настоящему времени выпущены ООО «ЭЛЕМКОМ» в количестве более 200 штук и используются в испытательных лабораториях различных предприятий России, Украины, Белоруссии, Казахстана, Финляндии. Имитаторы выполнены на отечественной элементной базе по оригинальным схемам и аттестуются территориальным органом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии ФГУ «Тест-Санкт-Петербург».

14. Рассмотренные в работе особенности, методы и средства измерений могут использоваться при проведении испытаний ТС на соответствие требованиям по ЭМС, определении помеховой обстановки, проверке эффективности средств защиты от помех и при калибровке имитаторов помех. В частности, показана возможность и условия появления погрешности до 30% при измерении амплитуды наносекундных ИП. Ряд разработанных и изготовленных средств измерений (делитель ДНН-1000, токосъемник) поверены и используются при аттестации имитаторов ИП.

15. Испытательная лаборатория, созданная на базе кафедры электротехники и электрооборудования СПб ГМТУ и оснащенная испытательным оборудованием ООО «Элемком», аккредитована в системах сертификации ГОСТ Р, РМРС, Российского речного регистра, Минтранса РФ, имеет лицензию Госатомнадзора. Лаборатория провела испытания более 700 образцов различного оборудования на ЭМС. Приведенная статистика результатов и использованных путей обеспечения ЭМС позволяет утверждать, что в подавляющем числе случаев возможна доработка изделий до требуемой устойчивости к ИП. Испытания на судах подтверждают необходимость проверки помехоустойчивости систем после установки на судно.

16. Крайняя необходимость во внедрении дисциплины по ЭМС в учебные планы электротехнических и приборостроительных специальностей подтверждается опытом общения с разработчиками и изготовителями судового оборудования в ходе проведения испытаний на ЭМС. Разработанные учебные программы дисциплин по ЭМС внедрены в учебный процесс в СПбГМТУ с конца 1980-х годов, учебные пособия для их обеспечения изданы в 1987–1989 годах. Новый учебник «Электромагнитная совместимость судовых технических средств», в который включены основные результаты научной работы автора, опубликован в 2006 году и предлагается для использования при обучении ЭМС в высших учебных заведениях.

Основные публикации по теме диссертации

Воршевский, А.А. Импульсные напряжения в электроэнергетических системах / А.А.Воршевский, В.Г.Паршин // Судостроение. – 1987. – № 9. – С.30–31.

Вилесов, Д.В. Проблема электромагнитной совместимости судовых тех­нических средств / Д.В.Вилесов, А.А.Воршевский, О.В.Евдокимов, В.Г.Паршин // Судостроение. – 1990. – № 1. – С.28–30.

Аполлонский, С.М. Электромагнитная совместимость в системах электроснабжения / С.М.Аполлонский, Д.В.Вилесов, А.А.Воршевский // Элек­тричество. – 1991. –№ 4. – С.1–6.

Воршевский, А.А. Возникновение, распространение и воздействие импульсных помех в судовых электроэнергетических системах / А.А.Воршевский// Судостроение. – 2007. – № 4. С.46–48.

Воршевский, А.А. Обеспечение электромагнитной совместимости судовых технических средств в условиях импульсных помех / А.А.Воршевский // Морской Вестник.– 2007. – №3 (23). – C.46–48.

Воршевский, А.А. Трехфазный анализатор амплитуды импульсных помех / А.А.Воршевский // Тез. докл. 3-й Всесоюзной науч.-техн. конф. «Помехи в цифровой технике-82». – Паланга, 1982. – С.30–32.

Воршевский, А.А. Измерение импульсных искажений напряжения на су- дах // А.А.Воршевский // Тр. Ленингр. кораблестроит. ин-та: Судовая электроника. – Л., 1983. – С.34–39.

Воршевский, А.А. Испытание электронного и электротехнического оборудования на защищенность от импульсных помех и провалов напряжения в питающей сети / А.А.Воршевский, Д.В.Вилесов // Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств в подвижных объектах». – Рига, 1985. – С.104–106.

Воршевский, А.А. Методы оценки амплитуды наведенных импульсных помех в судовых информационных кабелях / А.А.Воршевский, Д.В.Вилесов // Тез. докл. ВНТК «Методы и средства борьбы с помехами в цифровой технике». – Вильнюс. 1986. – С.90–92.

Воршевский, А.А. Имитатор с широким диапазоном регулирования параметров и формы имитируемых импульсных помех / А.А.Воршевский // Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. «Методы и средства борьбы с помехами в цифровой технике». – Вильнюс, 1986. – С.23–25.

Worshevsky, A.A. Параметры кратковременных переходных напряжений в судовой электрической системе (Parameters of short time voltage transients in shipboad electrical system). International EMC symposium, Wroclaw, Poland, 1986. – P.874–882.

Worshevsky, A.A., Wilesov, D.V. Импульсный метод измерения элек­трической и магнитной связи (Impulse technique of measurements of magnetic and electric coupling). Proceeding of 9 International Wroclaw Symposium on EMC, Wroclaw, Poland, 1988. – P.477–481.

Воршевский, А.А. Приборное обеспечение испытаний электронного оборудования на электромагнитную совместимость / А.А.Воршевский, Д.В.Вилесов // Тр. науч.-техн. конф. по кораблестроению «Перспективы и проблемы судовой электротехники и электроники». – Варна, 1989. – С.27–30.

Воршевский, А.А. Аппаратура для испытаний электронного оборудования на электромагнитную совместимость по цепям питания / А.А.Воршевский // Тез. докл. ВНТК «ЭМС судовых технических средств». – Л.: Судостроение, 1990. – С.141–142.

Worshevsky A., Wilesov V., Saluleev V. Влияние кабельных соединителей на электромагнитую связь электрических цепей (Influence of cable connectors on EM coupling of electrical circuits). Proceeding of 10 International Wroclaw Symposium on EMC, Wroclaw, Poland, 1990. – P.306–309.

Worshevsky, A. Анализ стандартов по устойчивости к импульсным помехам (Analysis of impulse noise immunity standards). Proceeding of IEEE International Symposium on EMC, Washington, USA, 1990. – P.504–506.

Worshevsky, A.A. Цифровое моделирование импульсных помех в электрической системе во временной области (Digital simulation of pulse noise in electrical system in time domain). Proceeding of International Symposium on EMC, Beijing, China, 1992. – P.140–142.

Worshevsky, A.A. Сертификация продукции по ЭМС в системе сертификации ГОСТ в России (EMC certification of products in GOST certification system in Russia). Proceeding of International Symposium on EMC, Sendai, Japan, 1994. – P.466–468.

Worshevsky, A.A. ЭМС/ЭМИ деятельность в России (EMC/EMP activity in Russia). Proceeding of International Symposium on electromagnetic environment, Bordeaux, France, 1994. – P.101–105.

Worshevsky, A., Koprienko, V., Theiler, T., Dikvall, T., Lovstrand, K.G. Сравнительные ЭМИ испытания шкафа мобильной связи в двух ЭМИ лабораториях. (Comparative EMP Testing of a mobile communications shelter at two EMP test laboratories). The World of Electromagnetics. Albuquerque, New Mexico, USA, 1996. – P.383.

Воршевский, А.А. Испытание блоков бесперебойного питания и средств защиты от помех в соответствии с ГОСТ Р 50745–95 / А.А.Воршевский: сб. докл. 5-й Российской науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». – Санкт-Петербург, 1998. – С.513–519.

Worshevsky A.А., Worshevsky, A.А. Расчет затухания импульсных напряжений в фильтрах (Сalculation of surge attenuation in filters). Proceedings of International Symposium on EMC. Tokyo, Japan, 1999. – P.48–50.

Вилесов, Д.В. К формированию требований по обеспечению электро­магнитной совместимости судового оборудования / Д.В.Вилесов, А.А.Воршев­ский.: сб. докл. 6-й Российской науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». – Санкт-Петербург, 2000. – С.345–353.

РД 31.64.26-00. Нормы и правила обеспечения электромагнитной сов­местимости (ЭМС) на морских подвижных объектах и методы комплексной оценки ЭМС. Москва, 2000.– 104 c.

Worshevsky, A.A. Требования по электромагнитной совместимости к судовому оборудованию (Electromagnetic compatibility requirements for shipboard equipment). Proceedings 2001 of St. Petersburg Chapter, St.Petersburg ETU (LETI) Publishing House, 2001– P.102–105.

Вилесов, Д.В. Изменения требований к судовому оборудованию по электромагнитной совместимости. / Д.В.Вилесов, А.А.Воршевский, В.Б.Мачуль­ский.: сб. докл. 7-й Российской науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». – Санкт-Петер­бург, 2002. – C.164–169.

Worshevsky, A.A. Требования по помехоустойчивости к оборудованию, отвечающему за безопасность (Immunity requirements for safety determining equipment). Proceedings of IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Istanbul, Turkey, 2003. – P. TU-A-P1-13.

Vodopjanov, G., Worshevsky, A. ЭМС стандартизация в России (EMC Standardization in Russia). Proceedings of IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Istanbul, Turkey, 2003. – P. WE-P-I4.3.

Агафонов, А.М. Создание испытательного импульсного и затухающего колебательного магнитного поля / А.М.Агафонов, А.А.Воршевский: сб. науч. докл. 5-го Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. – Санкт-Петербург, 2003. – С.296–298.

Воршевский, А.А. Определение гармоник потребляемого тока и фликера, создаваемого электрооборудованием, альтернативным методом / А.А.Воршевский // Технологии ЭМС. – 2004. – № 1. – С.29–35.

Воршевский, А.А. Факторы, определяющие изменение параметров им­пульсных помех, при распространении по кабелю / А.А.Воршевский, Фам Тхань Хьет.: сб. докл. 8-й Российской науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». – Санкт-Петер­бург, 2004. – С.129–133.

Воршевский, А.А. Перенапряжения на удаленном электронном обору­довании при коммутации конденсаторов в электрической сети. / А.А.Воршевский.: сб. докл. 8-й Российской науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость техни­ческих средств и биологических объектов». – Санкт-Петербург, 2004. – С.117–120.

Kouprienko, V., Worshevsky, A. ЭМС и высокоэнергетические установки в Санкт-Петербургском регионе (EMC and high energy test facilities in Saint-Petersburg region). Proceedings of 2004 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. “EMC Europe 2004”, Eindhoven, The Netherlands, September 6–10, 2004. – Р. W8.2.

Worshevsky, A. Эффекты распространения импульсных помех в электрической системе (Effects of pulse noise propagation in electrical system). Proceedings of 2004 International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Sendai, Japan, June 1–4, 2004. – Р. 4E4.

Worshevsky, A.A. ЭМС требования Российского морского регистра судо­ходства для электронного, электротехнического оборудования и систем (Russian register of shipрing EMC requirements for electrical and electronic equipment and systems). Proceedings of 6th International Symposium on EMC and Electromagnetic Ecology. Saint-Petersburg, Russia, 2005. – P.324–327.

Agafonov, A., Worshevsky, A. Измерения импульсных напряжений в ЭМС (Pulse voltage measurement in EMC). Proceedings of 6th International Symposium on EMC and Electromagnetic Ecology. Saint-Petersburg, Russia, 2005. – P.187–189.

Worshevsky, A.A., Pham, T.K., Nguen, M.D. Распространение импульсных помех в судовых электрических кабелях с неоднородностью параметров (Propagation of pulse noise in shipboard electrical cables with nonuniform parameters). Proceedings of Asian-Pacific Conference on environmental electromagnetics. Dalian, China, 2006. – P.710–713.

Worshevsky, A.A., Nguen, M.D. Вероятностные характеристики импуль­сных напряжений, вызванных коммутацией индуктивной нагрузки (Probability characteristics of pulse voltages caused by arc process of inductive load switchings). Proceedings of 7th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. Saint-Petersburg, Russia, 2007. P.64–66.

Воршевский, А.А. Испытания на электромагнитную совместимость электронного оборудования, расположенного на ходовом мостике судна / А.А.Воршевский, П.А.Воршевский, А.М.Агафонов // Технологии ЭМС. – 2007 – № 2 (21). – C.10–21.

Воршевский, А.А. Электромагнитная совместимость судовых технических средств по импульсным помехам, возникающим, распространяющимся и воздействующим в судовой электроэнергетической системе / А.А.Воршевский // Технологии ЭМС. – 2007 – № 3 (22) – C.23–32.

ИЦ СПбГМТУ, Лоцманская, 10

Подписано в печать 8.11.2007. Зак. 3498. Тир.120. 2,0 печ. л.