Испытания комбинированных блоков питания на устойчивость к воздействию микросекундных импульсных помех

13 мая 2015 в 20:00

Технические требования

В соответствии с [1], способность комбинированных блоков питания (в дальнейшем – блок, техническое средство или ТС) сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних электромагнитных помех с регламентируемыми значениями параметров, при отсутствии дополнительных защитных средств, не относящихся к принципу действия или построения ТС, называют устойчивостью к электромагнитной помехе [2].
При испытаниях на электромагнитную совместимость предполагают, что электромагнитные помехи воздействуют на ТС через пόрты – границы между ним и внешней электромагнитной средой [3].
Действующими стандартами предусмотрено несколько критериев качества функционирования [4], характеризующих работоспособность ТС при воздействии помех. В связи с тем, что все изделия, используемых в системах релейной защиты, при  воздействии помех должны соответствовать критерию качества А, то есть продолжать функционировать без сбоев и не требовать вмешательства оператора после прекращения воздействия помех, рассматривать другие критерии здесь не будем.
Все ТС, используемые в схемах релейной защиты, согласно [5] должны
быть подвергнуты испытаниям на устойчивость к воздействию микросекундных импульсных помех (МИП), проводимым по [6, 7].
Требование устойчивости к воздействию таких помех предъявляют к ТС, подключаемых к сетям питания, а также к другим сетям, проложенным вне зданий.
Cчитают, что МИП возникают в результате действия естественных (например, молнии) и/или искусственных (переходные и коммутационные процессы в электросетях, импульсы при работе мощных тиристорных приводов, сварочных аппаратов и  т.п.) факторов.
Время воздействия импульса может составлять десятки и сотни микросекунд (много меньше одного полупериода), амплитуда напряжения может достигать десятков кВ, а ток - до ста кА. (рис. 1)

Последствия воздействия МИП на электронное оборудование и электропроводку могут быть разрушительными (рис. 2).

В самом первом нормативном документе [10], выпущенном ещё в 1997,
зафиксированы такие характеристики МИП:
- длительность импульса тока – 6,4/16 мкс;
- длительность импульса напряжения – 1/50 мкс.
Задавая те или иные уровни испытательного напряжения необходимо учитывать прочность изоляции цепей, на которые будут поданы МИП.
В РД [10] предусмотрено, что испытаниям на воздействие МИП подвергают входные цепи тока и напряжения ТС, подключенные к трансформаторам тока и  напряжения, установленным на высоковольтной подстанции.
В [6] установлено, что испытаниям на воздействие МИП по подвергают ТС, устанавливаемые:
- в жилых и коммерческих зонах, а также в промышленных зонах с малым энергопотреблением;
- в промышленных зонах;
- на электростанциях.
Условия отнесения ТС к той или иной зоне, перечислены в стандартах [11, 12].
В действующем в настоящее время стандарте [7] предусмотрено, что при испытаниях МИП воздействуют на порты электропитания ТС.
В стандарте [7] также предусмотрено, что при определенных обстоятельствах воздействию МИП могут подвергаться порты электропитания постоянного тока, порты ввода-вывода и порт заземления, а вот воздействие на порт корпуса этого вида помех в этом документе не предусмотрено.

Степень жесткости испытаний

Для удобства интенсивность воздействия МИП характеризуют условным номером (цифрой) и называют степенью жесткости испытаний [14].
Степень жесткости испытаний согласно рекомендациям, приведенным в стандарте [6], определяют в зависимости от класса условий эксплуатации, определяемых электромагнитной обстановкой. Предусмотрено несколько классов эксплуатации – от 0 (защищенная электромагнитная обстановка, характерная для специально оборудованного помещения) до 5 (электромагнитная обстановка, характерная для ТС, подключенных к линиям связи и воздушным силовым линиям в малонаселенных районах).
Предусмотрен  также класс Х (особая электромагнитная обстановка, характеристики которой устанавливают по специальному соглашению между изготовителем и потребителем), поэтому в стандарте [6] предусмотрена специальная степень жесткости испытаний, обозначаемая знаком Х.
Для класса условий эксплуатации 0 испытания на воздействие МИП не применяют.
Практически все комбинированные блоки питания эксплуатируют в условиях,  отнесенных стандартом [6] ко 2 и 3 классам.
Для электромагнитной обстановки 2 класса характерна:
- раздельная прокладка силовых и сигнальных кабелей;
- наличие заземляющих шин, к которым подключены ТС, отделенных от системы заземления энергетических установок, в которой могут возникать напряжения помех, создаваемых разрядами молнии или энергетическими установками;
- система электропитания электронных устройств, развязанная от других питающих цепей (например, с помощью специальных трансформаторов);
- наличием защиты большинства соединительных кабелей от перенапряжений.
В этом случае считают, что напряжение МИП не превышает 1 кВ.
При этом следует учитывать, что для ТС, эксплуатируемого в условиях электромагнитной обстановки 2 класса, стандартом предусмотрено испытание на устойчивость к МИП линий связи малой протяженности и линий передачи данных МИП с амплитудой не менее 0,5 кВ (степень жесткости испытаний 1).
Электромагнитная обстановка 3 класса характерна:
- совмещением трасс силовых и сигнальных кабелей;
- наличием общей для ТС и энергетических установок системы заземления, подверженной воздействиям помех создаваемых разрядами молнии и энергетическими установками;
- относительно высокой амплитудой напряжения помех, создаваемых токами короткого замыкания, разрядами молний, операциями переключений;
- подключением к общей системе электропитания защищенного электронного оборудования  и менее чувствительных к помехам электротехнических устройств;
- прокладкой соединительных кабелей вне помещений и вблизи шин заземления;
- наличием электрооборудования, содержащего индуктивные нагрузки, не снабженные средствами помехоподавления при коммутации.
Принято считать, что для этой электромагнитной обстановки напряжение МИП не превышает 2 кВ.
Исходя из указанных характеристик электромагнитной обстановки
в технических условиях на некоторые комбинированные блоки питания указаны такие амплитуды напряжения [13]:
– 1 кВ при подаче МИП по схеме «провод–провод» (степень жесткости испытаний 2);
– 2 кВ при подаче МИП по схеме «провод–земля» (степень жесткости испытаний 3).
Необходимо напомнить, что в РД  [10] для цифровых устройств релейной защиты указана амплитуда напряжения испытательного импульса 4 кВ, что соответствует степени жесткости испытаний 4.
Учитывая, что для степени жесткости 0 испытания не проводят, то при проведении испытаний качество функционирования ТС должно быть подтверждено для каждой из степеней жесткости испытаний, начиная от первой до наибольшей, установленной в документации.
Поэтому нужно провести два (для тех случаев, когда в документации указана степень жесткости испытаний 2) или три испытания ТС (для тех случаев, когда  в документации указана степень жесткости испытаний 3).
Испытания на устойчивость к воздействию МИП, соответствующие степеням жесткости 3 (для симметричных и несимметричных линий) и 4 (во всех случаях) проводят с применением первичной защиты.

Методика испытаний

Для обеспечения сопоставимых результатов, испытания на помехозащищенность необходимо производить с использованием методов и испытательного оборудования, соответствующего требованиям, приведенных в стандартах испытаний.
Основное оборудование, используемое при испытаниях на воздействие МИП – испытательный генератор (рис. 3), требования к которому регламентированы в стандарте [6] в зависимости от режима работы следующим  образом:
- режим холостого хода:
- длительность фронта импульса на выходе испытательного генератора 1 мкс (см. рис. 1);
- длительность импульса – 50 мкс;
- режим короткого замыкания:

- длительность фронта импульса на выходе испытательного генератора 6,4 мкс;
- длительность импульса – 16 мкс.
Перед проведением испытаний необходимо проверит характеристики ИГ, (1/50 мкс -6,4/16 мкс) в  режиме холостого хода (нагрузка не менее 10 кОм) и в режиме короткого замыкания (нагрузка не более 0,1 Ом) при одних и тех же заданных напряжениях.
Ток короткого замыкания должен быть не менее 0,2 кВ при напряжении холостого хода 0,5 кВ и не менее 2 кА при напряжении холостого хода 4 кВ.
Микросекундные импульсные помехи на ТС подают по одной из схем – «провод-провод» (рис. 4) или «провод-земля» (рис. 5).

При испытаниях по схеме «провод-провод» полное сопротивление цепи питания принимают равным 2 Ом, а при испытаниях применяют испытательный генератор с внутренним сопротивлением 2 Ом.

Рис. 5 Подача МИП на цепи питания по схеме «провод-земля» А1 – схема развязки, АG – испытательный генератор, А2 – объект испытаний – БПК-5, С – конденсатор связи, L– фазный провод, N – нейтральный провод, PE– защитное заземление, R – резистор, имитирующий сопротивление системы заземления

Стандартный метод испытаний на устойчивость  к воздействию МИП предусматривает необходимость соблюдения определенных требований к рабочему месту для испытаний, проводимых в испытательной лаборатории, чего не было для рабочего места при испытаниях на устойчивость к воздействию магнитного поля промышленной частоты [15].
Например, стандарт [6] предусматривает применение устройства развязки (см. А1 на рис. 4, 5), что позволяет избежать воздействие МИП на другие ТС, не подвергающиеся испытаниям и получить импульса установленной формы. Длина силового кабеля  между ТС и устройством развязки не должна превышать 2 м.
Кроме этого, для обеспечения соответствующего сопротивления связи в некоторых случаях возможно применение дополнительных резисторов (см. R
на  рис. 5).
Полное общее сопротивление цепи электропитания и системы заземления принимают равным 12 Ом, поэтому при испытаниях по схеме «провод-земля» последовательно с конденсатором связи включают резистор, имеющий сопротивление 10 Ом (см. рис.5).
Полное сопротивление между всеми другими линиями связи и землей принимают равным 42 Ом, поэтому последовательно с конденсатором связи включают резистор сопротивлением 40 Ом.
При испытаниях на устойчивость к воздействию помех ТС должно работать в соответствии со своим назначением, поэтому комбинированный блок  включают в испытательную схему, используемую и при проверке его параметров.
В испытательной схеме должны предусмотрены регулируемые источники напряжения и тока, регулируемая нагрузка , как это показано в описаниях процессов испытания комбинированных блоков питания на устойчивость к другим помехам [15, 16].

           
Перед началом испытаний на входе  комбинированного блока питания устанавливают напряжение, указанному в его документации.
При испытаниях блоков питания, в которых канал тока блокируется при  наличии питания на входе  напряжения, источник токового сигнала  не включают.
В блоках, где блокирование токового канала не предусмотрена, устанавливают значение тока, указанное в документации испытываемого изделия.
После этого с помощью испытательного генератора AG подают МИП. Испытания повторяют несколько раз,  в соответствие с указаниями  в технической документации. Параметры МИП также должны  соответствовать приведенным в документации ТС.
Во время воздействия МИП и после их прекращения блок должен функционировать нормально, выходное напряжение блока не должно отклоняться за установленные пределы. Если в блоке предусмотрен световой сигнал о работе, то во время испытаний он должен светиться непрерывно.
После окончания испытаний на воздействие МИП проводят визуальный контроль блока для выявления видимых повреждений и подвергают приемосдаточным испытаниям для проверки характеристик блока.
Перечень контролируемых характеристик должен быть установлен в программе испытаний.

Литература
1. ГОСТ 30372-95  (ГОСТ Р 50397-92). Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения.

2. Устойчивость к электромагнитной помехе//[Электронный ресурс
«Всё о РЗА»], режим доступа: http://rza.org.ua/glossary/read/Ustojchivost-k-elektromagnitnoj-pomehe.html
3. Порт технического средства//[Электронный ресурс «Всё о РЗА»], режим доступа: http://rza.org.ua/glossary/read/PORT.html
4. Качество функционирования//[Электронный ресурс «Всё о РЗА»], режим доступа: http://rza.org.ua/glossary/read/Kachestvo-funkcionirovanija.html
5. ГОСТ Р 51317.6.5–2006. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанциях. Требования и методы испытаний
6. ГОСТ Р 51317.4.5–99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний/
7. ГОСТ 51317.4.1–2000. Совместимость технических средств электромагнитная.
Испытания на помехоустойчивость. Виды испытаний.
8. Испытания по электромагнитной совместимости//[Электронный ресурс], режим доступа: http://www.smtu.ru/rus/elemcom/test_r.html
9. ГОСТ Р 51317.1.5–2009. Совместимость технических средств электромагнитная. Воздействия электромагнитные большой мощности на системы гражданского назначения. Основные положения (стандарт можно скачать здесь — http://docs.cntd.ru/document/gost-r-51317-1-5-2009)
10. РД 34.35.310–97. Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем. М.: ОРГРЭС, 1997.
11. ГОСТ 51317.6.1–2006. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в жилых, коммерческих зонах и производственных зонах с малым энергопотреблением
12. ГОСТ Р 51317.6.2–2007 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в промышленных зонах. Требования и методы испытаний
13. Захаров О. Г. Источники питания для схем с цифровыми устройствами релейной защиты. М.:НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2011, 102 с.
[Библиотечка электротехника, приложение к журналу «Энергетик»,
вып. 2 (146)].
14. Cтепень жесткости испытаний//[Электронный ресурс «Всё о РЗА»], режим доступа: http://rza.org.ua/glossary/read/Stepen-zhestkosti-ispytanij.html
15. Захаров О. Г. Испытания комбинированных блоков питания на устойчивость к магнитному полю промышленной частоты//[Электронный ресурс], режим доступа: http://www.olgezaharov.narod.ru/2015/MPPCH.html
16. Испытания комбинированных блоков питания на устойчивость к воздействию наносекундных импульсных помех//[Электронный ресурс], режим доступа: http://www.energoboard.ru/articles/3652-ispitaniya-kombinirovannih-blokov-pitaniya-na-ustoychivost-k-vozdeystviyu-nanosekundnih-impulsnih-pomeh.html
17. ГОСТ 32137–2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Технические средства для атомных станций. Требования и методы испытаний.
18. Захаров О. Г. Надежность цифровых устройств релейной защиты. Показатели. Требования. Оценки. М.: Инфра-Инженерия, 2014, 128 с.