Geum.ru

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

Вид материалаАвтореферат диссертации
Подобный материал:
1   2   3   4   5
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 An≥An.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 α, последовательности коммутации контактов выключателя и от временных задержек между коммутацией контактов (углов β и γ). Углы α, β, γ 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(β) и среднеквадратического отклонения σ(β), 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=(0,55÷0,63)UИ.М; σ=(0,16÷0,21)UИ.М. Причем большей величине временного разброса замыкания контактов соответствует меньшее значение m и большее значение σ. 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=(0,78÷0,89)UФ.М; σ=(0,4÷0,62)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; σ<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; σ=0,5UФ.М, на остальных фазах m=(1,7–1,9)UФ.М; σ=(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/τД). 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 τМ уменьшается, постоянная τД 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<40∙lK пФ, взаимная индуктивность по цепям кабель-земля
М12<200∙lK нГн, взаимная индуктивность пар проводников кабелей М1122<30 нГн. Максимальное значение М1122 практически не зависит от длины lK. Для кабеля с экраном С12<0,1∙lK пФ, М12<0,1∙lK нГн, М1122<10 нГн. Если цепь 2 расположена в кабеле с пожильным экранированием, то С12<0,04∙lK пФ, а наведенное напряжение за счет магнитной связи меньше напряжения, вызванного протеканием наведенного тока по экрану. Сопротивление экрана RЭ<10∙lK 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)