Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств по импульсным помехам в судовых электротехнических системах
Вид материала | Автореферат диссертации |
- Устойчивость к радиочастотному, 635.67kb.
- Постановлением Госстандарта России от 14. 01. 92 №12 Настоящие методические указания, 769.54kb.
- Vii международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, 50.03kb.
- Правила технической эксплуатации судовых технических средств и конструкций рд 31. 21., 4945.87kb.
- Повышение эксплуатационной надежности электротехнических комплексов нефтедобычи с погружными, 312.89kb.
- В. А. Хачатурян управление электроснабжением нефтеперерабатывающих, 834.03kb.
- Обеспечение электромагнитной совместимости систем электроснабжения нефтегазового комплекса, 331.23kb.
- Учебное пособие для студентов 2ОО8, 551.16kb.
- Карта компетенции дисциплины, 45.29kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине б б 07 Электроника, 792.46kb.
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