Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА1. Динамика развития международной стандартизации, испытательного оборудования и средств измерений в области ЭМС . 12
1.1 Развитие стандартизации в области ЭМС 12
1.2 Стандарты ЭМС и качество электроэнергии 23
1.3 Перспективы совершенствования законодательной базы в области ЭМС 32
1.4 Тенденции развития средств измерений и испытаний на устойчивость
к кондуктивным помехам 36
1.5 Цель работы и задачи исследования 43
ГЛАВА 2. Методы прогнозирующего расчета защиты радиотехнических устройств от кондуктивных помех 44
2.1 Физические процессы, определяющие время запаздывания пробоя и методы увеличения быстродействия защитных разрядников 45
2.2 Моделирование вольтсекундных характеристик пробоя защитных разрядников при высоких скоростях нарастания напряжения 51
2.3 Алгоритм прогнозирующего расчета времени запаздывания пробоя при различных формах импульсного напряжения 59
2.4 Разработка методов и средств испытаний радиотехнических устройств на устойчивость к кондуктивным помехам 66
2.5 Метод расчета эффективности защиты радиотехнических устройств 76
2.6 Выводы 79
ГЛАВА 3. Методология создания программно-аппаратных комплексов для испытаний на устойчивость к кондуктивным помехам 82
3.1 Методология создания и особенности разработки автоматизированных программно-аппаратных испытательных комплексов 82
3.2 Проектирования испытательных генераторов кондуктивных помех 105
3.2.1 Программно-аппаратный комплекс ИГУ 16.1 105
3.2.2 Оборудование для испытаний ТС на помехоустойчивость 129
3.3 Выводы 142
ГЛАВА 4. Методы проектирования средств измерений кондуктивных помех в сети электропитания 143
4.1 Программно-аппаратный комплекс для измерения фликера и
гармонических составляющих тока 143
4.1.1 Измерение фликера 143
4.1.2 Измерение эмиссии гармонических составляющих тока 148
4.1.3 Возможности комплекса для разработчиков технических средств 154
4.1.4 Назначение, характеристики, программное и метрологическое обеспечение комплекса 157
4.2 Мониторинг показателей качества электрической энергии 162
4.2.1 Алгоритм разработки структурных, функциональных схем
и метрологических характеристик средства измерения
показателей качества электроэнергии 163
4.2.2 Построение территориальной системы мониторинга показателей качества электроэнергии в режиме реального времени 174
4.3 Выводы 182
ГЛАВА 5. Внедрение методов, средств измерений и испытаний на устойчивость к кондуктивным помехам 183
5.1 Расчет эффективности защиты радиотехнических устройств 183
5.2 Особенности внедрения и перспективы дальнейшего развития испытательного оборудования 187
5.3 Выводы 199
Заключение 200
Список литературы
- Стандарты ЭМС и качество электроэнергии
- Моделирование вольтсекундных характеристик пробоя защитных разрядников при высоких скоростях нарастания напряжения
- Проектирования испытательных генераторов кондуктивных помех
- Возможности комплекса для разработчиков технических средств
Введение к работе
Прогресс в области радиотехники и электроники, ведущий к миниатюризации оборудования и увеличению его сложности, определяет возрастание чувствительности технических средств к электромагнитным помехам. В то же время повышение энерговооруженности технологических процессов ведет к непрерывному усложнению электромагнитной обстановки. Радиотехническим средствам, как и подавляющему большинству технических средств, присущи свойства электромагнитной эмиссии и электромагнитной восприимчивости.
Электромагнитная эмиссия от технических средств приводит к загрязнению окружающей среды излучаемыми и кондуктивными электромагнитными помехами, способными нарушить нормальное функционирование технических средств и неблагоприятно влиять на биологические объекты. Нарушения функционирования технических средств, возникающие вследствие их электромагнитной восприимчивости, могут причинить вред здоровью людей, имуществу физических и юридических лиц, окружающей природной среде и быть опасными для жизни людей.
Эти обстоятельства определяют проведение мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости. В первую очередь, к таким мероприятиям следует отнести испытания технических средств на соответствие стандартам электромагнитной совместимости; за последнее десятилетие число видов таких испытаний увеличилось в несколько раз. В течение длительного времени до 1990-1995 гг. отечественные мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) проводились, в основном, в целях обеспечения защиты радиоэфира от помех. Требования помехоустойчивости предъявлялись лишь к техническим средствам специальных назначений [60,66,67,74,80,81]. К этому периоду относится цикл работ автора посвященный разработке методик и алгоритмов защиты радиотехнических средств от кондуктивных помех на основе анализа физических процессов, определяющих быстродействие защитных разрядников [1- 20].
Государственные стандарты, устанавливающие нормы индустриальных радиопомех технических средств различных групп, а также нормы нежелательных радиоизлучений радиопередающих устройств, являлись в тот период, по существу, основными нормативными документами по стандартизации в области ЭМС [61].
В 1985-90 гг. международное сообщество пришло к пониманию необходимости ужесточить требования электромагнитной совместимости и усилить государственное
5 регулирование в области обеспечения ЭМС с тем, чтобы обеспечить нормальное функционирование в окружающей электромагнитной обстановке не только различных радиоприемных средств, но и технических средств всех видов и назначений, и исключить опасность электромагнитных излучений для жизни и здоровья населения [68-73].
Решения о совершенствовании регулирования в области ЭМС были связаны, прежде всего, с широким распространением в бытовой, производственной и хозяйственной сферах, в первую очередь, радиотехнических средств и непрерывным возрастанием уровня электромагнитных помех, включая кондуктивные низкочастотные и высокочастотные помехи [75-79]. Принималась во внимание также необходимость устранения барьеров в международной торговле [45,50].
Для усиления регулирования в области ЭМС предусматривалось установление в стандартах требований ЭМС к техническим средствам не только в части ограничения помехоэмиссии, что имело место и ранее, но также в части обеспечения устойчивости к электромагнитным помехам (помехоустойчивости); это неотвратимо вело за собой требование создания новой испытательной и измерительной базы в области ЭМС.
В принятых в 1994-1999гг. международных стандартах МЭК и СИСПР было установлено [49], что технические средства народнохозяйственного применения любых видов и назначений должны не только отвечать требованиям ЭМС, направленным на защиту радиоприема от радиопомех, но также удовлетворять целой гамме вновь вводимых требований, относящихся к ограничению помехоэмиссии и обеспечению помехоустойчивости и обеспечения качества электрической энергии в электрических сетях [134,135].
Отечественные государственные стандарты ЭМС, гармонизированные с указанными международными стандартами, приняты в 1999 — 2000 гг. [87-130].
В настоящее время, в соответствии с Федеральным законом «О техническом регулировании» [47], разрабатывается общий Технический регламент «Об электромагнитной совместимости» [53-56]. В регионах России развернута сеть аккредитованных испытательных лабораторий технических средств по требованиям электромагнитной совместимости и испытательных лабораторий по качеству электрической энергии. Введено подтверждение соответствия требованиям ЭМС при обязательной сертификации технических средств различных видов и назначений в ряде систем сертификации.
Большой вклад в эту работу внесли известные российские специалисты В.С.Кармащев, С.В.Пугачев, А.И.Ситников, В.В.Носов, В.Н.Никифорова, П.И.Братухин, В.Н.Сарылов, Л.Л.Синий, Б.Н.Файзулаев и другие.
Стала осуществляться обязательная сертификация электрической энергии по показателям качества [51,52]. Проблема качества электроэнергии как товара многогранна, и в настоящее время она становится и правовой, и технической, и финансовой[136-149,152,156]. Она напрямую связана с коммерческой деятельностью предприятия, с затратами на его переоснащение и внедрение энергосберегающих технологий.
Качество электроэнергии зависит от процессов производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии и является интегральной характеристикой всей работы электроэнергетики [175-201]: качества электрооборудования, правильности выдачи технических условий на присоединение, проектирование и ввод в эксплуатацию энергетических объектов; состояния эксплуатации энергетических объектов и правильности ведения электрических режимов; правильности выбора и работы систем гарантированного энергоснабжения, противоаварийной автоматики и релейной защиты; работы юридических и энергосбытовых служб [150,151,153-155].
Современная законодательная база (Федеральный закон «Об электроэнергетике» [48], Федеральный закон «О техническом регулировании» [47]), требует от энергоснабжающих организаций поставки электроэнергии надлежащего качества, серьезные требования предъявляются и к потребителям электроэнергии. К нарушителям предусмотрены меры воздействия в соответствии с гражданским и уголовным законодательством.
В этой связи существенно возрастает значимость разработки средств измерения показателей качества электроэнергии, способных непрерывно работать в режиме реального времени в условиях неблагоприятной электромагнитной обстановки и суровых погодных условий России и роль разработки подходов территориальных систем мониторинга показателей качества электроэнергии [150, 156-165]. Эти задачи решаются в работах автора [34,36-41].
В преддверии вступления России во Всемирную торговую организацию деятельность Правительства Российской Федерации в экономической области направлена на то, чтобы развитие отечественной экономики осуществлялось при ориентации на жесткие требования мирового рынка для завоевания на нем своих собственных новых нищ с использованием инструментов Всемирной торговой организации [46]. С другой стороны, гармонизация в России международных стандартов означает в конечном итоге введение для многих классов радиотехнических и других видов изделий новых обязательных требований, выполнение которых существенно усложняет их разработку и испытания [50,54]. Непрерывно идет процесс расширения перечня видов испытаний и спектра необходимого испытательного оборудования, в разработке которого автор непосредственно активно участвует с 1987 года [21-32]. В области ЭМС появились новые образцы отечественных средств измерений и испытаний [44].
В настоящее время стандартами установлена структура связей технического средства с внешней средой - типы портов, в отношении которых устанавливаются требования помехоустойчивости и помехоэмиссии и проводятся соответствующие испытания.
В соответствии с целью общих стандартов по ЭМС, из подлежащих рассмотрению помех ограничиваются (нормируются) наиболее существенные.
В отношении норм помехоэмиссии это: гармоники напряжения электропитания и колебания напряжения электропитания [166-174]; кондуктивные радиочастотные напряжения от 0,15 до 30 МГц; излучаемые радиочастотные поля от 30 до 1000 МГц.
Работы автора посвящены первым двум из указанных выше норм помехоэмиссии: методам измерения фликера и гармонических составляющих тока [33,35], являющимся новыми видами испытаний технических средств на кондуктивную помехоэмиссию (обязательные требования впервые введены 01.07.2004г. [87,88]).
В отношении испытаний на помехоустойчивость это: гармоники напряжения электропитания; колебания напряжения, провалы, прерывания, перенапряжения; магнитные поля на промышленной частоте и импульсные; кондуктивные импульсные помехи наносскундной и микросекундной длительности; быстрые переходные напряжения; кондуктивные помехи в полосе частот от постоянного до 150 кГц; разряды электростатического электричества. Автор непосредственно участвовал в разработке структурных, функциональных схем, метрологических характеристик и автоматизации программно-аппаратных комплексов оборудования на указанные виды испытаний [21 - 32],
В радиочастотном диапазоне в настоящее время введены требования испытаний на помехоустойчиивость к кондуктивным радиочастотным напряжениям от 0,15 до 80 МГц и излучаемым радиочастотным полям от 26 до 1000 МГц (в СЕНЕЛЕК только свыше 80 МГц).
Для дальнейшего развития отечественной промышленности и обеспечения возможности производства конкурентоспособных отечественных радиотехнических, электронньтх и радиоэлектронных изделий, соответствующих современным требованиям безопасности и электромагнитной совместимости, особое значение приобретает внедрение новых стандартов в области ЭМС и соблюдение требований этих стандартов при разработке, производстве и испытаниях технических средств.
Последние достижения в технологии производства и конструирования радиотехнических средств позволили добиться существенного снижения числа отказов оборудования и вывели на первый план вопросы борьбы со сбоями, поскольку в условиях интенсивной электронизации и информатизации технологических процессов . цена последствий от сбоев существенно повысилась. По мере роста быстродействия технических средств, требования помехозащищенности становятся жестче, возрастет роль экспериментальных исследований, испытаний и математического моделирования.
В решение задач проектирования и конструирования радиотехнической и электронной аппаратуры с учетом требований электромагнитной совместимости большой вклад внесли советские и российские ученые И.С.Гурвич, А.Д. Князев, Л.Н.Кечиев, Н.В. Балкж, A.M. Костроминов, В.Н, Никифорова, Л.О. Мырова, В.В. Носов, Б.Н. Файзуласв, Э.Н. Фоминич и другие.
Обобщая опыт развитых стран следует отметить, что ужесточение требований к техническим средствам (ТС) по обеспечению ЭМС не только снижает риск причинения вреда личности, имуществу физических и юридических лиц и окружающей природной среде, но и приводит к улучшению технических и эксплуатационных характеристик радиотехнических, электронных и радиоэлектронных изделий различных видов и является необходимым условием разработки и изготовления продукции, конкурентоспособной на мировом рынке, и защиты отечественного рынка от импорта некачественной продукции.
В диссертации решается научная проблема разработки методов, создания средств измерений и испытаний на устойчивость РТУ к кондуктивным помехам, регламентированным требованиями отечественных и международных стандартов по ЭМС, имеющая особое значение и важность для дальнейшего развития отечественной промышленности и обеспечения возможности производства конкурентоспособных отечественных радиотехнических, электронных и радиоэлектронных изделий. Цель работы и задачи исследований
Целью работы является разработка научно-обоснованных технических решений, создание, внедрение средств измерений и испытаний на устойчивость к кондуктивным помехам радиотехнических устройств по требованиям стандартов.
Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ тенденций и динамики развития международной стандартизации, испытательного оборудования и средств измерений в области ЭМС.
2. Разработка методов оценки защищенности радиотехнических устройств от кондуктивных помех.
3. Разработка методов и средств испытаний радиотехнических устройств на устойчивость к кондуктивным помехам.
4. Разработка методологии создания испытательного оборудования, в том числе, автоматизированных программно-испытательных комплексов для испытаний РТУ на устойчивость к кондуктивным помехам.
5. Разработка методов проектирования новых средств измерений кондуктивных помех в сети электропитания для измерения фликера, гармонических составляющих тока и показателей качества электроэнергии,
Разработка основ организации и построения территориальной системы мониторинга показателей качества электроэнергии в режиме реального времени.
Внедрение разработанных методов, средств измерений и испытаний на устойчивость к кондуктивным помехам в практику промышленного проектирования, метрологических и испытательных центров, заводских лабораторий и в учебный процесс вузов.
Поставленные задачи определили содержание последующих глав диссертационной работы.
Во второй главе исследованы физические процессы, определяющие быстродействие разрядников, применяемых для защиты аппаратуры и создания испытательных генераторов. Проведена теоретическая оценка вкладов отдельных составляющих времени запаздывания пробоя на основе которой предложены методы его снижения и разработан алгоритм прогнозирующего расчета этого времени при различной форме подаваемого напряжения.
Полученные результаты легли в основу разработанных подходов к оценкам чувствительности защищаемой аппаратуры и выбора разрядника для ее защиты, а также разработки целого спектра испытательного оборудования для испытаний технических средств на устойчивость к кондуктивным помехам.
В третьей главе представлены результаты разработок номенклатуры оборудования для испытаний технических средств на устойчивость по вновь принятым 13 видам кондуктивных помех. Показано развитие разработок от первых испытательных генераторов с микропроцессорным управлением до современных программ но-аппаратных испытательных комплексов.
В четвертой главе приведены результаты разработок программно-аппаратного измерительного комплекса для измерений фликера, колебаний напряжения и гармонических составляющих тока, а также средства измерений показателей качества электроэнергии. Представлена концепция территориальной системы мониторинга показателей качества электроэнергии в режиме реального времени на основе разработанного средства измерений, описаны функциональные возможности системы.
В пятой главе отражено внедрение результатов проведенных разработок в государственных, отраслевых, промышленных испытательных центрах и заводских
10 лабораториях. Отмечены особенности создания и внедрения испытательных комплексов для различных типов однородной продукции и перспективы дальнейшего развития испытательной и измерительной базы в области ЭМС
Научная новизна.
В работе выдвинут, теоретически обоснован и доведен до практического применения ряд принципиально новых положении:
1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования физических процессов, определяющих быстродействие и моделирование вольтсекундных характеристик пробоя защитных разрядников в диапазоне скоростей нарастания напряжения 109 -* 1013 В/с.
2. Разработаны и исследованы эффективные методы снижения времени запаздывания пробоя переносом излучения в спектральных линиях и эмиссией электронов из полупроводниковых эмиттеров на базе карбида кремния, обладающие отечественным приоритетом.
3. Разработаны методы расчета защиты радиотехнических устройств от кондуктивных помех на основе алгоритма пересчета времени запаздывания пробоя при линейнонарастающем напряжении на значения при прямоугольной форме импульса напряжения.
4. Разработаны требования и методы испытаний систем бесперебойного питания и устройств подавления сетевых импульсных помех, предложен метод расчета экономической эффективности защиты радиотехнических устройств.
Разработана методология создания средств испытаний на устойчивость к различным видам кондуктивных помех, в том числе, программно-аппаратных комплексов.
Предложены и реализованы методы проектирования средств измерений кондуктивных помех в сети электропитания для измерения фликера, гармонических составляющих тока и показателей качества электроэнергии.
Разработана модель построения территориальной системы мониторинга показателей качества электроэнергии в режиме реального времени.
Основные положения, выносимые на защиту:
Комплексная модель физических процессов, определяющих быстродействие и параметры вольтсекундных характеристик пробоя защитных разрядников.
Методы снижения времени запаздывания пробоя в аргоне.
Методы расчета эффективности защиты радиотехнических устройств от кондуктивных помех.
Требования и методы испытаний систем бесперебойного питания и устройств подавления сетевых импульсных помех.
5. Методология создания программно-аппаратных комплексов для испытаний на устойчивость к различным видам копдуктивных помех.
6. Методы проектирования средств измерений кондуктивных помех в сети электропитания.
7. Основы проектирования системы мониторинга показателей качества электроэнергии в режиме реального времени.
Материалы, представленные в диссертации, характеризуются общей направленностью разработок. Они содержат совокупность новых научных обобщений и отвечают задачам современного развития теории и практики создания средств измерений и испытаний на устойчивость к кондуктивным помехам радиотехнических устройств и других видов однородной продукции. Достоверность результатов
Достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается корректностью научно-обоснованных технических решений и математических моделей, результатами внедрения инженерных методик расчетов и практикой многолетней успешной эксплуатации испытательного оборудования и средств измерения в крупнейших государственных, отраслевых и промышленных испытательных центрах и заводских испытательных лабораториях России и Украины. Практическая ценность
Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании, внедрении и успешной эксплуатации:
Оборудования, включая программно-аппаратные комплексы, для испытаний на устойчивость к электромагнитным помехам ( разработано и выпускается более 20 видов испытательных генераторов и дополнительных средств измерений - это самая широкая гачма продукции для испытаний в области электромагнитной совместимости отечественного производства);
Средств измерений показателей качества электроэнергии (Измеритель показателей качества электроэнергии «Прорыв-КЭ» признан лауреатом конкурса «Лучший отечественный измерительный прибор - 2003»), введен в Государственный Реестр средств измерений РФ;
3. Измерителя фликера, колебаний напряжения и гармонических составляющих тока ИФГ 20.1, который является первым отечественным фликерметром, введенным в Госреестр средств измерений РФ в 2001г. и успешно эксплуатируется в шести из семи федеральных округах Российской Федерации (по состоянию на 1.09.2004г.).
Стандарты ЭМС и качество электроэнергии
В настоящее время в международных стандартах и в принятых на их основе гармонизированных государственных стандартах установлен значительный состав требований, относящихся к электромагнитной совместимости технических средств (ТС) и к качеству электрической энергии (КЭ) [51,52]. Подтверждение соответствия ТС требованиям ЭМС и электрической энергии, поставляемой энергоснабжающими организациями бытовым потребителям, требованиям к ее качеству осуществляется при обязательной сертификации указанной продукции в Системе сертификации ГОСТ Р (Системе сертификации электрооборудования и электрической энергии). Для этой цели в регионах Российской Федерации развернута обширная сеть аккредитованных испытательных лабораторий ЭМС, испытательных лабораторий КЭ и органов по сертификации ТС и КЭ. Разработаны и внедрены соответствующие процедуры обязательной сертификации электрической энергии [51]. После развертывания системы аккредитованных испытательных лабораторий в области ЭМС ТС и КЭ стало возможным осуществлять в указанной сфере технического регулирования действенные контрольные функции со стороны органов Госстандарта России и Госэнергонадзора.
Регулирование в области ЭМС ТС и КЭ осуществляется во всех развитых странах. Трудно переоценить важность эффективного регулирования в этой области для обеспечения прав граждан и устойчивого развития многих отраслей народного хозяйства, особенно в условиях присоединения Российской Федерации к ВТО [45,49].
Основой указанного регулирования являются требования к ЭМС ТС и КЭ, установленные в международных стандартах. В первую очередь от согласованности и полноты этих требований зависит возможность реально исключить в условиях эксплуатации нарушения функционирования ТС различных видов и назначений при воздействии внешних электромагнитных помех, в том числе, при ухудшении качества электрической энергии [47,48].
Международный опыт показывает, что меры направленные на обеспечение нормального функционирования ТС и исключение опасности нарушений их функционирования в условиях эксплуатации в результате воздействия внешних электромагнитных помех и пониженного качества электрической энергии в общем случае включают: установление требований: по ограничению эмиссии электромагнитных помех от ТС (норм помехоэмиссии); по обеспечению устойчивости ТС к внешним электромагнитным помехам (требований помехоустойчивости); к качеству электрической энергии, поставляемой энергоснабжающими организациями в системах энергоснабжения общего назначения (норм качества электрической энергии); б) подтверждение соответствия технических средств и электрической энергии
Состав требований к ЭМС ТС и КЭ является значительным, поскольку эти требования обусловлены характеристиками электромагнитной обстановки в различных местах размещения ТС, которая достаточно сложна из-за широкого разнообразия источников электромагнитных помех и условий эксплуатации ТС [52]. Существует общепризнанная классификация электромагнитных помех, установленная в международных стандартах МЭК серии 61000-2, в соответствии с которой электромагнитные помехи, как указано ниже в таблице 1.2,1, подразделяют на виды, относящиеся к категориям низкочастотных и высокочастотных кондуктивных и излучаемых помех и электростатических разрядов.
Кондуктивные электромагнитные помехи, действующие в электрических сетях переменного тока, представляют собой отклонения напряжения, частоты и формы синусоидальности кривой напряжения в сети от установленных значений. Возможность нарушения функционирования ТС, подключенных к электрической сети, определяется соотношением между уровнями указанных электромагнитных помех (значениями показателей качества электрической энергии (ПКЭ) и предельными уровнями устойчивости технических средств к электромагнитным помехам. Таблица 1.2.1. Классификация электромагнитных помех
Электростатически е разряды 26 В таблице 1.2.2 показатели и нормы качества электрической энергии, установленные в международных стандартах (эквивалентный отечественный стандарт — ГОСТ РІЗІ 09-97), сопоставлены с кондуктивными электромагнитными помехами в условиях эксплуатации ТС.
Отклонения напряжения Установившееся отклонение напряжения ± 10% U ном (на зажимах ТС) Колебания напряжения электропитания Размах изменения напряжения(для колебанийнапряжения, огибающаякоторых имеет формумеандра) От 0,4 % U ном при частоте повторенияизменений напряжения I 000 "1 мин до 4 %и ком при частоте повторения 1 мин Дозафликера Длительная дозафликера 1,0
Гармоники и интергармоники напряжения электропитания Коэффициент искажениясинусоидальности кривойнапряжения 12% (при U ном = 0,38 кВ) Коэффициент п-йгармонической составляющейнапряжения (п от 2 до 40) 7,5 % при п = 3; 9 % при и = 5; 7,5 % при n = 7;5.2 % при п =1 1; 3 % при п = 1 7 (при U ном =0,38 кВ) Несимметрия напряженийв трехфазных системахэлектроснабжения Коэффициентнесимметриинапряжений по обратной 4% (при U ном = 0,38 кВ) Коэффициентнесимметриинапряжений по нулевойпоследовательности 4% (при U ном = 0,38 кВ) Изменения частоты всистемахэлектроснабжения Отклонение частоты ± 0,4 Гц Провалы, кратковременныеперерывы напряженияэлектропитания ивременные перенапряжения Длительность провала напряжения 30с (динамические изменения напряжения не нормируются)
Высокочастотные непрерывные колебания Не установлен Не норм ируется Анализ таблицы 1.2.2 показывает, что современные требования к качеству электрической энергии основаны на ограничении низкочастотных кондуктивных электромагнитных помех в электрических сетях. Вместе с тем в настоящее время не предусмотрено установления норм качества применительно к электромагнитным помехам нескольких видов, создающим реальную опасность нарушений функционирования ТС, получающих питание от электрических сетей, включая: - переходные (импульсные) напряжения микросекундной и наносекундной дли тельности, вызванные молниевыми разрядами и коммутационньши процессами в электрическом оборудовании и электрических сетях; - динамические изменения напряжения, возникающие при функционировании ТС в электрических сетях (кратковременные прерывания, провалы и выбросы напряжения длительностью от половины до нескольких десятков периодов питающего напряжения); - наведенные радиочастотные напряжения, вызванные электромагнитными полями от различных радиопередающих устройств.
Рассмотрим связь между кондуктивньши и излучаемыми электромагнитными помехами в условиях эксплуатации технических средств и нормами помехоэмиссии от ТС, установленными в международных стандартах ЭМС. В таблице 1.2.3 приведены нормируемые параметры помехоэмиссии и значения соответствующих норм для ТС различных назначений, применяемых в жилых, коммерческих зонах и производственных зонах с малым энергопотреблением, установленные в соответствии с общим международным стандартом СИСПР/ МЭК 61000-6-3-96 (эквивалентный государственный стандарт - ГОСТ Р 51317.6.3-99).
Моделирование вольтсекундных характеристик пробоя защитных разрядников при высоких скоростях нарастания напряжения
Для проведения измерений был разработан специальный генератор «Борец-1», формирующий импульсы напряжением до ЮкВ за 2.4 не с использованием в качестве коммутаторов газовых разрядников и ртутных герконов.
Для эффективной защиты радиотехнических средств от мощных импульсных кондуктивных помех необходимо по возможности предельно ослабить сигнал помехи на первом каскаде схемы защиты - защитных разрядниках, С этой целью были проведены исследования новых методов снижения запаздывания пробоя защитных разрядников [4,5,8-12].
Исследованы закономерности инициирования пробоя в аргоне вблизи минимума кривой Пашена вспышкой света. Установлено, что при концентрации атомов 1016 - 1019 (см"3) эффективное инициирование пробоя осуществляется фотонами, распространяющимися от источника излучения в межэлектродный зазор за счет процесса радиационного переноса излучения в спектральных линиях. Процесс инициирования разряда происходит следующим образом. Излучение от источника возбуждает молекулы наполняющего газа. Последовательное поглощение и испускание фотонов молекул газа приводит к формированию волны возбуждения, распространяющейся в газовый объем. Волна доходит до разрядного промежутка и возбуждает фотоэмиссию электронов с катода, которые инициируют пробой промежутка. Эксперименты показали, что наличие экрана, перекрывающего прямой ход излучения, не влияет на снижение запаздывания пробоя за счет огибания экрана при переизлучении. По изменению запаздывания определена скорость распространения волны излучения 105 м/с при концентрации атомов аргона —10IS см 3. Проведенные расчеты переноса излучения дают близкий результат. Так среднее время, необходимое фотону, соответствующему центру резонансной линии аргона Я.— 10" см, для смещения его на расстояние - 10см, равно 0,7мс. Рассчитанное время является максимальным и его можно отождествить с временем жизни излучения, инициирующего пробой промежутка, оно совпадает с экспериментальными данными с погрешностью 15%. Очевидно, что минимальные времена запаздывания на фронте импульса имеют место, если напряжение на промежутке достигает статического значения одновременно с моментом распространения излучения до разрядного промежутка. Установлено, что в условиях маломощной подсветки эффективность перенесенного излучения для снижения времени запаздывания пробоя больше, чем у прямопролетных ионов. Получены экспериментальные данные по ослаблению перенесенного излучения в зависимости от пройденного расстояния.
Предложен способ коммутации защитных газоразрядных устройств, согласно которому узел инициирования экранируется от разрядного промежутка, что позволяет значительно увеличить ресурс и стабильность вольтсекундпых характеристик разрабатываемых приборов. В неуправляемых разрядниках в качестве подсветки могут выступать микроискрения или коронные разряды. С этой точки зрения представляло интерес исследование механизма снижения времени запаздывания пробоя проводящими пленками на керамике, разделяющей электроды разрядного промежутка. Известно, что применение таких пленок существенно снижает время запаздывания пробоя разрядников.
Проведены эксперименты по выяснению влияния геометрии, потенциала, электрического сопротивления и определению температурного коэффициента сопротивления проводящих пленок, доказывающие существенную роль автоэлектронной эмиссии и эффекта диспергированных металлических пленок (ДМП) в процессе инициирования пробоя. При подаче напряжения на промежуток возникают условия для появления автоэлектронной эмиссии с конца пленки за счет локального усиления напряженности электрического поля, что прииводит к появлению токов утечки, микроискрениям и эмиссии со всей поверхности пленки за счет эффеккта ДМП; совокупность этиих процессов вызывает пробой разрядника. Поскольку «спусковым» процессом инициирования пробоя является автоэлектронная эмиссия, это предполагаеет наличие больших напряжений в приборах с низким статическим напряжением пробоя. Поэтому встала задача получения в разрядном промежутке значительного количества первичных электронов при значениях нарастающего напряжения ниже статического, что позволило бы существенно снизить или полностью убрать статистическую составляющую времени запаздывания.
На основе проведенных исследований инициирования импульсного пробоя газа низковольтными маломощными эмиттерами экспериментально доказана возможность многоэлектронного инициирования пробоя эмиттерами горячих электронов на базе карбида кремния в режиме питания эмиттера от внешнего источника постоянного напряжения и в режиме наведенного потенциала, когда эмиттер расположен непосредственно па одном из электродов и разогрев электронного газа осуществляется тянущим полем (током зарядки емкостей межэлектродного зазора и эмиттера).
Процесс инициирования пробоя исследовался при двух типах низковольтных эмиссионных систем: эмиттерах на основе вплавных и диффузионных р-n переходов, включенных в запирающем направлении, и эмиссионных структур типа металл-полупроводник. Последние представляли собой контакт карбид кремния п-типа - никель, полученный методом лазерной сварки. В эмиттерах реализованы электронные токи - 10"10А, позволяющие существенно снизить запаздывание пробоя при скоростях нарастания напряжения до I0IZB/c по сравнению с применением радиоактивных изотопов и проводящих пленок.
Показано, что существенными факторами, влияющими на время запаздывания, являются обратный ток через эмиттер и расстояние от эмиттера до промежутка. Установлен экспоненциальный рост времени запаздывания с ростом расстояния разрядный промежуток-эмиттер, соответствующий диффузионным потерям электронов. Особый интерес представляет случай работы эмиттера в режиме наведенного потенциала. Проведенные расчеты показывают, что величина обратного тока через эмиттер увеличивается с увеличением скорости нарастания напряжения на межэлектродном зазоре, что приводит к возрастанию электронного тока и снижению времени запаздывания пробоя. Таким образом, при работе эмиттера в режиме наведенного потенциала, величина эмиссионного тока увеличивается с увеличением скорости нарастания напряжения на межэлектродном зазоре, что приводит к снижению динамического напряжения пробоя разрядника. Сравнение способов снижения времени запааздывания пробоя радиоактивными изотопами, проводящими пленками и низковольтными эмиттерами в режиме наведенного потенциала показало, что в последнем случае удается достичь наилучших результатов. Экспериментально наблюдаемые при этом времена запаздывания хорошо согласуются с расчетными при многоэлектронном инициировании разряда.
На базе исследований разработаны конструкции быстродействующих ограничителей напряжения, обладающие отечественным приоритетом [4,5,8-12] и более широкими функциональными возможностями по сравнению с существующими ранее. Так, например, предложенный способ коммутации защитных газоразрядных устройств реализован в разряднике Р-71, выпускаемом в серийном производстве. Это энергоемкий неуправляемый разрядник, предназначенный для защиты РЭС связи и управления от воздействия многоразовых импульсов перенапряжения. Малые времена запаздывания пробоя обеспечиваются за счет описанных выше способов инициирования пробоя переносом излучения от микроискрений ДМП, поскольку узел инициирования разряда, представляющий собой электропроводящие графитовые пленки на изоляторе, разделяющем электроды разрядника, экранируется от разрядного промежутка коструктивными элементами разрядника. Разрядник предназначен для коммутации токов до 3 кА при количестве электричества за импульс до 180 Кл. Вынесение узла инициирования разряда из зоны основного разрядного промежутка позволили увеличить в 10 раз ресурс разрядника по сравнению с базовым образцом
Проектирования испытательных генераторов кондуктивных помех
Получены научно-обоснованные технические решения по разработке газоразрядных коммутаторов, расчету разрядных цепей и формирующих линий для получения импульсов кондуктивиых помех с заданными стандартами параметрами и стабильностью вольтсекундных и вольтамперных характеристик на основе следующих экспериментальных и теоретических результатов исследований:
Основным элементом испытательного генератора, формирующего любые кондуктивные помехи, является сильноточный высоковольтный коммутатор. Конструктивные особенности и стабильность параметров коммутатора в конечном итоге определяют параметры формируемых импульсов кондуктивных помех и разброс их временных характеристик. Выбор коммутатора является ключевым моментом при разработке испытательных генераторов кондуктивных помех.
Быстродействие и стабильность вольтсекундных характеристик защитных разрядников зависит от следующих физических факторов и процессов: свойств катодной поверхности, механизмов поступления первичных электронов в межэлектродный зазор, скорости поступления первичных электронов в межэлектродный зазор, времени ЖИЗНИ первичных электронов в межэлектродном зазоре,
На основе анализа физических процессов, определяющих быстродействие защитных разрядников получено аналитическое выражение для среднего статистического времени запаздывания пробоя с учетом конечного времени жизни первичных электронов в межэлектродном зазоре. В предельных случаях при малых скоростях поступления электронов оно переходит в закон Лауэ. Такой характер зависимости экспериментально подтверждается установленным экспоненциальным спадом времени запаздывания пробоя от напряженности электрического поля при полях, реализуемых в защитных разрядниках.
Проведенный теоретический анализ показывает следующие пути снижения времени запаздывания пробоя и увеличения стабильности вольтсекундных и вольтамп ерных характеристик газоразрядных приборов: поиск новых источников с высокими скоростями поступления первичных электронов при напряжениях на межэлектродном зазоре ниже статического, обеспечивающих много электронное инициирование пробоя; поиск способов стабилизации и сохранения параметров указанных источников в условиях протекания сильноточного разряда при коммутации разрядника.
Установлена аналитическая зависимость времени запаздывания пробоя от напряженности электрического поля,
Проведено моделирование вольтсекундных характеристик пробоя защитных разрядников при высоких скоростях нарастания напряжения 10 В/с и выше с учетом требования к ширине полосы пропускания измерительного тракта, физических свойств проводящего канала и мощности источника нарастающего напряжения.
Установлено, что при измерениях вольтсекундных характеристик пробоя низковольтных разрядников вклад падения напряжения на индуктивности токоподводов может составлять до 40% от измеряемой величины динамического напряжения пробоя. Измеряемая величина динамического напряжения пробоя в большой степени зависит от условий измерений: мощности источника нарастающего напряжения и способа подключения. Защитные свойства разрядника при высоких скоростях нарастания напряжения в значительной степени определяются его конструкцией, размерами и способом включения в защищаемую цепь; при прочих равных условиях наилучшие защитные свойства будут у миниатюрных разрядников проходной конструкции, позволяющей исключить влияние индуктивностей токоподводов.
Предложена методика, позволяющая проводить прогнозирующий расчет вольтсекундных характеристик разрядников при различной мощности источника нарастающего напряжения.
Разработаны научно-обоснованные технические решения по конструированию быстродействующих ограничителей напряжения, обладающие отечественным приоритетом и более широкими функциональными возможностями по сравнению с существующими ранее на основе следующих полученных результатов:
На основе исследований закономерности инициирования пробоя в аргоне вблизи минимума кривой Паш єна вспышкой света установлено, что при концентрации атомов 106 4-10 9 (см" ) эффективное инициирование пробоя осуществляется фотонами, распространяющимися от источника излучения в межэлектродный зазор за счет процесса радиационного переноса излучения в спектральных линиях.
Установлено, что в условиях маломощной подсветки эффективность перенесенного излучения для снижения времени запаздывания пробоя больше, чем у прямопролетных фотонов.
Предложен способ коммутации защитных газоразрядных устройств, согласно которому узел инициирования экранируется от разрядного промежутка, что позволяет значительно увеличить ресурс и стабильность вольтсекундных характеристик разрабатываемых приборов.
На основе проведенных исследований инициирования импульсного пробоя газа низковольтными маломощными эмиттерами экспериментально доказана возможность многоэлектронного инициирования пробоя эмиттерами горячих электронов на основе карбида кремния.
Экспериментально показана возможность многоэлектронного инициирования пробоя эмиттерами горячих электронов на базе карбида кремния, что позволяет существенно снизить время запаздывания пробоя при скоростях нарастания напряжения до 10 В/с.
На основе разработанного алгоритма пересчета времени запаздывания пробоя при линейно нарастающем напряжении на значения при прямоугольной форме импульса напряжения получены научно-обоснованные технические решения по выбору серийных газоразрядных коммутаторов для формирования импульсов кондуктивных помех с заданными стандартами параметрами и стабильностью вольтсекундных и вольтампсрных характеристик.
Разработаны научно-обоснованные требования и методы испытаний устройств подавления сетевых импульсных помех и систем бесперебойного питания (СБП), легшие в основу первого отечественного стандарта по требованиям ЭМС для этого типа однородной продукции на основе следующих полученных результатов:
Произведен обоснованный выбор номенклатуры видов испытаний и детально разработаны требования помехоустойчивости, применительно к каждому порту СБП и выработаны критерии качества функционирования при испытаниях СБП на помехоустойчивость.
Возможности комплекса для разработчиков технических средств
Для определения величины выбросов выходного напряжения, длительности и периода изменений напряжения, времени нарастания и спада изменений напряжения на генераторе устанавливается 3-я степень жесткости испытаний и запускается испытательный цикл. Все перечисленные характеристики измеряются при помощи осциллографа, подключенного через делитель напряжения к выходу генератора. Результаты измерений заносятся в протокол.
Определение точностных характеристик в режиме по ГОСТ Р 51317.4,28-00 Генератор ИГУ 16.1 устанавливается в режим испытаний по ГОСТ Р 51317.4.28-00 (изменения частоты питающего напряжения). Включается источник питания. При помощи внутреннего измерителя определяется выходное напряжение при холостом ходе и на нагрузке 27.5 Ом, 2кВт. Измеренные значения заносятся в протокол. Отклонение измеренных значений от номинальных рассчитываются по формуле (3.2. t). Результаты расчета заносятся в протокол. Устанавливается 4-я степень жесткости испытаний и запускается испытательный цикл. Частота выходного напряжения измеряется на выходе генератора при помощи частотомера, подключенного через делитель напряжения. Погрешность установки частоты определяется для значений частоты 50, 42.5 и 57.5 Гц. Максимальное значение погрешности заносится в протокол.
Определение точностных характеристик в режиме по ОСТ 36417.4.1-01
Генератор ИГУ 16.1 устанавливается в режим испытаний по ОСТ 36417.4.1-01 (искажения синусоидальности напряжения электропитания). Включается источник питания. При помощи внутреннего измерителя определяется выходное напряжение при холостом ходе и на нагрузке 27.5 Ом, 2кВт. Измеренные значения заносятся в протокол. Отклонение измеренных значений от номинальных рассчитываются по формуле (10.1). Результаты расчета заносятся в протокол. Частота выходного напряжения измеряется на выходе генератора при помощи частотомера, подключенного через делитель напряжения. Измеренное значение заносится в протокол. Отклонение измеренного значения от номинального рассчитывается по формуле (3.2.2). Результаты расчета заносятся в протокол.
При помощи внутреннего измерителя определяется гармонический состав выходного напряжения при холостом ходе и на нагрузке 27.5 Ом, 2кВт. Максимальные из измеренных значений заносятся в протокол.
Погрешность установки напряжения генерируемых гармоник и интергармоник определяется при помощи внутреннего измерителя. Для этого на генераторе устанавливается максимальное значение напряжения гармоник (14%) и измеряется его фактическое значение (в процентах от первой гармоники) на частотах 15, 100, 200, 500, 1000 и 2000 Гц.
Погрешность установки рассчитывается по формуле (3.2.3). Максимальное из расчетных значений погрешности заносится в протокол. С/г-14 Шг = - - х 100%. (3.2.3) где Ur - фактическое значение напряжения гармоник (в процентах от первой гармоники). Определение точностных характеристик в режиме по ГОСТ Р 51317.4.11-99 Генератор ИГУ 16.1 устанавливается в режим испытаний по ГОСТ Р 51317,4.11-99 (постепенные изменения напряжения электропитания). Включается источник питания. При помощи внутреннего измерителя определяется выходное напряжение при холостом ходе и на нагрузке 27.5 Ом, 2кВт. Измеренные значения заносятся в протокол .Отклонение измеренных значений от номинальных рассчитываются по формуле (3.2.1). Результаты расчета заносятся в протокол.
Определение времени понижения и нарастания выходного напряжения, времени выдержки на пониженном напряжении производится при испытательных уровнях 40% и 0% от UH. Все перечисленные характеристики измеряются при помощи осциллографа, подключенного через делитель напряжения к выходу генератора. Результаты измерений заносятся в протокол.Определение точностных характеристик в режиме по ГОСТ Р 50009-00 (УК5) и НПБ 57-97 табл.4
Генератор ИГУ 16,1 устанавливается в режим испытаний по ГОСТ Р 50009-00 (искажения синусоидальности напряжения электропитания). Включается источник питания. При помощи внутреннего измерителя определяется выходное напряжение при холостом ходе и на нагрузке 27.5 Ом, 2кВт. Измеренные значения заносятся в протокол (см. табл. 14).Отклонение измеренных значении от номинальных рассчитываются по формуле (3.2.1). Результаты расчета заносятся в протокол. Частота первой гармоники выходного напряжения измеряется на выходе генератора при помощи частотомера, подключенного через делитель напряжения. Измеренное значение заносится в протокол. Отклонение измеренного значения от номинального рассчитывается по формуле (3.2.2). Результаты расчета заносятся в протокол.
Погрешность установки напряжения генерируемых гармоник определяется при помощи внутреннего измерителя. Для этого на генераторе устанавливаются амплитуды гармоник 10В (Кг=3.2%), 20В (Кг=6.4%) и 35В (Кг=11.2%), и измеряются фактические значения напряжений гармоник (в процентах от первой гармоники) на частотах 100, 200, 500, 1000, 2000 и 5000 Гц. Максимальное из расчетных значений погрешности заносится в протокол.
Решение проблем защиты информационных ресурсов, оценки устойчивости гражданских объектов, обеспечение функциональной безопасности информационных и телекоммуникационных систем в настоящее время проводится по следующим основным направлениям [132]: - задание в качестве требований в нормативно-технических документах обоснованных, типизированных параметров электромагнитных факторов; - создание и модернизация имитаторов для воспроизведения заданных в стандартах параметров электромагнитных полей; - испытание объектов к действию электромагнитных факторов с использованием имитаторов; - разработка методов и средств защиты; - обеспечение электромагнитной совместимости технических систем.
Как видно из представленных направлений, ключевое значение отведено созданию и модернизации испытатедьного оборудования.
Ниже представлено краткое описание спектра такого оборудования, созданного при непосредственном участии автора.
В результате проведенных исследований и разработок созданы автоматизированные комплексы, обеспечивающие проведение испытаний в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.1-2000 (МЭК 61000-4-1-2000) «Совместимость технических средств электромагнитная. Испытания на помехоустойчивость. Виды испытаний» [27-32].
В Таблице 3.11 эти виды испытаний представлены вместе с ссылками на национальные и международные стандарты и с указанием типов созданного испытательного оборудования, реализующего указанные воздействия.
