Как испытать электронное оборудование энергосистем на устойчивость к электромагнитному импульсу? - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

1194
Как испытать электронное оборудование энергосистем на устойчивость к электромагнитному импульсу?

Защита электронного оборудования энергосистем от воздействия ЭМИ ЯВ, способного нарушить их нормальную работоспособность или полностью вывести из строя, приобрела в последнее время особую актуальность. В данной статье рассматриваются особенности испытаний электронного оборудования энергосистем на устойчивость к ЭМИ ЯВ, обсуждаются вопросы, связанные с выбором цели таких испытаний, методики испытаний и параметров тестовых импульсов.

Способность оборудования нормально функционировать в условиях воздействия внешних электромагнитных помех называется электромагнитной совместимостью (ЭМС). Методика испытаний оборудования на ЭМС хорошо отработана и описана в многочисленных стандартах. Однако, несмотря на то, что электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ), а точнее, его составляющая Е1, – это всего лишь одна из разновидностей электромагнитных помех, от которых должно быть защищено электронное оборудование энергосистем [1, 2], он имеет некоторые существенные отличия и особенности, требующие уточнения и корректировки известных методов испытания на ЭМС.

Несмотря на обилие отчетов и стандартов в области ЭМИ ЯВ [3], очень небольшое их количество посвящено рассмотрению методики испытаний устойчивости оборудования к этому воздействию [4, 5]. Учитывая сложность этих испытаний и полное отсутствие практического опыта в проведении таких испытаний у специалистов-энергетиков, указанных двух публикаций явно недостаточно для проведения эффективных испытаний электронного оборудования энергосистем. А те единичные испытания, которые были проведены, в частности, испытание микропроцессорного реле защиты типа SEL-311, вряд ли можно признать образцом для подражания вследствие многочисленных ошибок в методике испытаний и выборе параметров испытательных импульсов [6].

В связи с вышеизложенным, возникла необходимость в уточнении особенностей испытания электронного оборудования энергосистем на устойчивость к ЭМИ ЯВ.

 

1. Особенности ЭМИ ЯВ

Особенностями ЭМИ ЯВ, требующими учета при составлении программы испытаний являются:

1.1. Очень короткая длительность возмущающего воздействия (одиночный импульс длительностью в несколько наносекунд), в течение которого должен быть зафиксирован сбой в работе испытываемого оборудования (ИО). Поэтому количество режимов работы ИО, контролируемых в процессе испытаний, весьма ограничено. При испытании на устойчивость к ЭМИ ЯВ нельзя, например, изменять с помощью подключенного к ИО компьютера какие-то режимы работы ИО, и наблюдать его реакцию на это изменения, как это обычно делается при испытаниях на ЭМС в так называемой безэховой камере, когда ИО длительное время находится под воздействием электромагнитного излучения.

1.2. Опасность так называемых «мягких повреждений» (soft faults, soft failures, soft errors), особенно в элементах памяти электронного оборудования, которые далеко не всегда могут быть выявлены мгновенно в процессе испытаний. В аппаратуре, подвергнутой испытаниям, они могут проявиться лишь через значительное время после проведения испытаний, например, при обращении: к поврежденным участкам памяти для выполнения определенных операций или к определенным программным модулям.

1.3. Испытательный стенд ЭМИ ЯВ состоит, обычно, из бетонного основания с заложенной в него металлической сеткой, играющей роль одного электрода, и второй металлической сеткой, расположенной на высоте до 10…15 метров над бетонным основанием, играющей роль второго электрода. Между этими двумя электродами и прикладывается импульс высокого напряжения с выхода специального генератора (чаще всего это генератор Маркса на основе набора высоковольтных конденсаторов и управляемых разрядников). Использовать сетку, заложенную в бетонное основание стенда и подключенную к генератору, в качестве системы заземления ИО, как правило, запрещается.

1.4. Высокая стоимость таких испытаний в связи с ограниченностью количества испытательных центров в стране и их принадлежностью к структурам Министерства обороны.

1.5. Проблема организации правильной конфигурации ИО, поскольку в отличие от обычных электромагнитных помех, ЭМИ ЯВ имеет глобальный, а не местный характер и воздействует не только на сам ИО, а и на систему его электропитания, заземления, связи с другими объектами. То есть, в качестве ИО для испытаний должно быть выбрано не отдельно взятое устройство, блок, модуль, aсистема устройств, блоков, модулей, связанных между собой так же, как и реальной обстановке, включая заземление в различных точках системы, расположенных на расстоянии друг от друга.

 

2. Цель испытаний

В связи со сложностью и высокой стоимостью проведения испытаний оборудования на стойкость к ЭМИ ЯВ, очевидно, что таким испытаниям должны быть подвергнуты далеко не все виды оборудования, а лишь некоторые, нарушение работоспособности которых может привести к крупным авариям. С выбора видов оборудования для испытаний и должно начинаться составление плана испытаний.

Следующим этапом должно стать четкое и понятное формулирование цели испытаний, поскольку от поставленной цели будет зависеть и выбор объекта испытаний, и методика испытаний. Возможные цели испытаний могут быть сформулированы следующим образом:

2.1. Испытание устойчивости существующего оборудования, без каких бы то ни было средств защиты, к максимально возможному воздействию ЭМИ. Целью этого испытания является выявление элементов, узлов и систем оборудования, чувствительных к ЭМИ и требующих защиты.

2.2. Испытание эффективности защиты оборудования с помощью минимального набора предварительно установленных средств защиты, предназначенных для действующих электроустановок к максимально возможному воздействию ЭМИ. В этом испытании может быть проверена эффективность применения минимального набора защитных средств, а также установлены виды и типы нарушений в работе оборудования, которые следует ожидать при воздействии ЭМИ.

2.3. Испытание эффективности защиты оборудования с помощью полного набора предварительно установленных средств защиты, предназначенных для вновь вводимых электроустановок к максимально возможному воздействию ЭМИ. Это испытание призвано подтвердить эффективность наиболее сложного и наиболее дорогостоящего варианта защиты оборудования и оправдать средства, потраченные на системы защиты.

2.4. Испытание существующего оборудования без средств защиты серией импульсов с последовательно возрастающей амплитудой импульсов от 20% максимально возможного уровня, до 100%. Целью испытания является:

во-первых, поиск наиболее чувствительного к ЭМИ вида (или видов) оборудования;

во-вторых,определение максимального значения амплитуды ЭМИ, выдерживаемого без повреждений самой аппаратурой, с целью последующего расчета требуемого уровня дополнительной защиты, дополняющей ослабление, вносимое самой аппаратурой, до уровня, регламентируемого стандартом.

 

3. Особенности методики испытаний

3.1. Поскольку, как отмечалось выше, количество режимов работы ИО, контролируемых в процессе испытаний, весьма ограничено, то в качестве таких режимов можно отнести несанкционированное появление или наоборот, исчезновение сигналов на выходах как минимум двух ИО, объединенных системой связи в стационарном (ждущем) режиме, а также в режиме интенсивного обмена информацией (например, в аварийном режиме). В последнем случае симуляция запуска аварийного режима должна быть синхронизирована с запуском тестового импульса.

3.2. В связи с опасностью наличия «мягких» повреждений в сложной микропроцессорной электронной аппаратуре после воздействия на нее испытательного импульса, даже в том случае, если в процессе тестирования не будет зафиксировано видимых повреждений или сбоев в ее работе непосредственно в процессе проверки, необходимо подвергнуть ее тщательной полной проверке на функционирование после проведения испытаний. В этой связи испытание с целью определения требуемого уровня дополнительной защиты (п. 2.4) должно сопровождаться тестированием на функционирование после каждого уровня воздействия ЭМИ. Несомненно, это значительно усложняет испытание, так как после каждого импульса с более высокой амплитудой, испытуемый объект должен быть подвергнуть функциональному тестированию, а для этого к ИО после каждого цикла испытаний должны быть подключены тестовые системы. Упростить процесс испытаний можно, если использовать мобильные программируемые тестовые системы и заранее запрограммировать их для требуемого функционального тестирования. Такие системы выпускаются многими компаниями (DOBLE, ISA, Omicron, Meggerи др.) и широко применяются в релейной защите.

3.3. Поскольку система заземления при воздействии на нее ЭМИ ЯВ играет роль огромной антенны, абсорбирующей электромагнитную энергию с большой площади и доставляющей ее прямо к заземленной электронной аппаратуре, необходимо включение в программу испытаний влияния системы заземления на два ИО, разнесенных в пространстве и подключенных к этой системе заземления в двух удаленных одна от другой точках. Поскольку конструкция испытательного стенда не предусматривает использование сетки, заложенной в бетонное основание в качестве системы заземления ИО, для испытаний должна быть смонтирована отдельная система заземления в виде сетки достаточно большой площади. Учитывая, что ЭМИ ЯВ имеет и вертикальную и горизонтальную составляющие, сетка заземления должна быть расположена не горизонтально на бетонном основании стенда, а под углом 30…45°. Возможно конструктивное выполнение этой большой сетки в виде отдельных секций, соединенных проводом между собой.

Схема испытательного стенда приведена на рис.2, на ней обозначено:

1 – передвижная батарея с напряжением 230 В;

2 – шкафы с электронной аппаратурой, расположенные на расстоянии друг от друга;

3 – испытуемые электронные устройства (в частности, МУРЗ);

4 – устройства связи;

5 – исполнительное устройство (в частности электромеханическое реле) управляемое выходными цепями ИО;

6 – зарядно-подзарядный агрегат;

7 – набор металлических решеток, образующих модель системы заземления;

8 – симуляторы различных режимов работы испытуемых электронных устройств, синхронизированные с системой запуска ЭМИ;

устройства

9 – устройства регистрации состояния испытуемых объектов;

10 – нагрузка с устройством контроля выходного напряжения зарядно-подзарядного агрегата.

3.4. Электронные устройства энергосистем во многих случаях снабжены связью с другими электронными устройствами, датчиками, источниками электропитания, силовыми электрическими или электромеханическими аппаратами, образуя сложную систему. Так, например, построена система релейной защиты, SCADA. Поэтому, испытанию должна быть подвергнута система, а не отдельное устройство. В случае релейной защиты, в качестве такой системы, могут быть использованы два шкафа. В каждом из них устанавливается микропроцессорное устройство релейной защиты (МУРЗ), аккумуляторная батарея, выполняющая роль источника питания, а также зарядно-подзарядный агрегат. Шкафы должны быть максимально разнесены в пространстве, соединены с сеткой заземления и снабжены системой связи между собой. Входы токов и напряжений МУРЗ должны быть подключены к управляемому источнику токов и напряжений, защищенному от воздействия на него испытательного импульса. Такая защита обеспечивается размещением источника в защищенном отсеке и соединением его с ИО через специальный фильтр (coupling-decouplingcircuit), обеспечивающий прохождение сигналов между ИО, и аппаратурой, размещенной в защищенном отсеке, но блокирующий тестовый электромагнитный импульс. Этот источник должен быть снабжен дистанционным управлением для синхронизации его запуска с запуском тестового импульса. Также должен быть предусмотрен контроль состояния выходных цепей МУРЗ в процессе испытаний, рис.2. Как правило, в стационарных испытательных стендах уже заложены специальные экранированные кабели и фильтры, предназначенные для передачи информации с ИО, находящегося на стенде, в защищенное экранированное помещение.

3.5. Как правило, электронное оборудование энергосистем расположено в металлических шкафах, а сами шкафы в кирпичных или бетонных зданиях, существенно ослабляющих воздействие ЭМИ ЯВ, в то время как другая часть оборудования: система заземления, датчики, измерительные трансформаторы тока и напряжения, многочисленные кабели, выходящие из здания, расположены на открытой местности. Это означает, что в реальных условиях различные элементы общей системы будут подвергнуты различным по интенсивности электромагнитным воздействиям.

Классическая конструкция излучающей антенны испытательного стенда (рис.1) содержит в центральной части участок с фиксированным расстоянием между двумя параллельными сетками, а также два участка по краям с уменьшающимся расстоянием между верхней и нижней сетками. Такая конструкция дает возможность подвергнуть различные элементы испытуемой системы различным по интенсивности воздействиям от одного и того же тестового импульса, поскольку напряженность поля между верхней и нижней сетками очень сильно зависит от расстояния между ними. Расположив элементы испытуемой системы на различных участках испытательного стенда можно получить условия испытания максимально приближенные к реальным.

3.6. Еще одной особенностью ЭИМ ЯВ, которую следует учитывать при испытаниях – наличие при реальном высотном ЯВ не только вертикальной составляющей электромагнитного поля, направленной от точки взрыва на большой высоте к земле, но и значительной горизонтальной составляющей этого поля. Поэтому при расположении элементов испытуемой системы между нижней и верхней сетками излучающей антенны испытательного стенда, необходимо устанавливать их под определенным углом к поверхности земли с тем, чтобы обеспечить воздействие на них обеих этих составляющих.

3.7. При испытаниях должны быть предусмотрены средства фиксации изменения параметров ИО в процессе воздействия ЭМИ (расположенные, естественно в защищенной зоне). В качестве таких средств могут быть использованы внешние самописцы, запоминающие импульсные осциллографы с автоматически запускаемым триггером, а также, параллельно с этим и собственные встроенные в ИО регистраторы аварийных событий.

3.8. В зависимости от выбранной цели испытания, система должна быть снабжена теми или иными средствами защиты: специальными фильтрами, ограничителями перенапряжений, экранированными кабелями и т.п., или не иметь никаких специальных средств защиты.

 

4. Виды испытаний и параметры испытательных импульсов

4.1. В соответствии со стандартом 61000-4-25, испытания на устойчивость электронной аппаратуры к ЭМИ ЯВ должны содержать две составные части: испытание на устойчивость к электромагнитным излучениям (ЭМИЗ) и к контактным импульсным воздействиям (КИВ). В свою очередь контактные импульсные воздействия подразделяются на два вида: импульсные напряжения, прикладываемые к входам аппаратуры и импульсные токи, наводимые в протяженных проводах и кабелях.

4.2. Определение конкретных норм испытаний начинается с выбора одной из 6 концепции испытаний. Стандарты 61000-2-11 и 61000-5-3 определяют эти концепции. Для ИО, расположенных в капитальных железобетонных или кирпичных зданиях, снабженных защитой от молний, без специальных защитных фильтров может быть выбрана концепция номер 2b. Этой концепцией предусматривается ослабление конструкцией здания уровня ЭМИЗ на 20 дБ в полосе частот 100 кГц…30 МГц. Для выбранной концепции и компонента Е1 напряженность электрического поля излучения, воздействующего на испытуемый объект устанавливается 5 кВ/м (уровень R4), напряженность магнитного поля 13.3 А/м.

Нарис.3 приведена форма компонента ЭМИЗ в соответствии со стандартами IEC61000-2-9, IEC61000-2-10, IEC61000-2-11 и MIL-STD-461F.

Для сравнения: для деревянных зданий, не ослабляющих ЭМИЗ, напряженность электрического поля составляет 50 кВ/м (уровень R7). Для той же концепции и компонента Е2 напряженность электрического поля устанавливается 10 В/м и магнитного поля 0.08 А/м. Параметры импульса ЭМИЗ описаны в стандартах 61000-2-9, 61000-2-10, 61000-2-11, MIL-STD-461F: время нарастания импульса (передний фронт) 2.5 нс, ширина импульса 25 нс, форма импульса соответствует приведенному на рис.3.

Крупные испытательные стенды, обеспечивающие генерацию ЭМИЗ с требуемыми параметрами, имеются во многих странах. Например, в США таких стендов несколько (TORUS, ALECS, ARES, WSMR, ATLAS, VPBWи др.), в России таких стендов 3:

- комплекс «Аллюр» ФГУП ВЭИ им. Ленина в г. Истра Московской обл. (рис.4);

- испытательный центр ФГУ «12 ЦНИИ МО РФ» в Сергиевом Посаде;

- испытательный комплекс «26 Центрального научно-исследовательского института» МО РФ в Санкт-Петербурге.

Показанный на рис.4 стационарный имитатор ЭМИ ЯВ «Аллюр» Высоковольтного научно-исследовательского центра ФГУП ВЭИ (г. Истра, Московской обл.) имеет следующие параметры:

- габариты имитатора      100 х 35 х 13,5 м;

- рабочий объем  10 х 10 х 10 м;

- форма импульса        2,5/25 нс;

- максимальная напряженность импульса электрического поля 70 кВ/м.

Имеются подобные стенды также во Франции, Германии, Швеции, Швейцарии, Италии, Израиле, Голландии, Чехии, Польше, Украине (в Харьковской обл.), Китае, Японии.

4.3. На следующем этапе выбирается уровень испытательного воздействия для КИВ в соответствии со стандартом 61000-4-25. Для выбранной концепции номер 2bи наличии подключенных к рассматриваемому объекту незаглубленных в грунт проводов выбирается уровень испытательного воздействия Е8 (для обеспечения нормальной 50% вероятности устойчивости объекта) или Е9 (для 99% вероятности). Уровень Е8 предполагает устойчивость испытуемого объекта к импульсному напряжению 8 кВ, а уровень Е9 – 16 кВ. Вероятность 50% считается в стандарте нормальной и может применяться для гражданской аппаратуры.

Под испытательным импульсом напряжения КИВ подразумевается так называемый ElectricalFastTransient(EFT) – быстрый импульс, параметры которого (кроме амплитуды испытательного напряжения) и методика испытаний описаны в стандарте IEC61000-4-4, рис.5. В таблице 1 этого стандарта амплитуда испытательного напряжения для НЕМР (обозначен как 2special») отмечена значком «Х» и соответствует для него уровням Е8 или Е9.

Ранее генераторы EFTс требуемым уровнем выходного напряжения 8 кВ выпускались компаниями TESEQ, KentechInstrumentsLtd. и ThermoElectronCorp. (таблица) на основе вакуумного управляемого разрядника, формировавшего тестовые импульсы. С появлением мощных полупроводниковых коммутирующих элементов (IGBT-транзисторов), выпуск генераторов на вакуумных разрядниках был прекращен всеми этими тремя компаниями, поскольку импульсы, формируемые транзисторами, оказались намного более стабильными и «правильными», чем импульсы, формируемые вакуумным разрядником. К сожалению, одновременно с повышением стабильности генерируемых импульсов, пришлось снизить их амплитуду.

Выполненный нами анализ показал, что на сегодняшний день ни один из выпускаемых на продажу генераторов EFTне удовлетворяет полностью требованиям стандартов по амплитуде импульса (8 кВ). Наиболее близкой амплитудой, к требуемому значению амплитуды импульса, обладает генератор типа PEFT8010 cс максимальной амплитудой импульсов 7.3 кВ, производимый шведской компанией HaefelyEMCTechnology, рис.6.

 

5. Критерии качества функционирования

Допустимый для данного типа ИО и для данного типа испытаний вид реакции на электромагнитные воздействия во время и после испытания называется критерием качества функционирования (ККФ).

Такими реакциями могут быть:

- графические искажения на дисплее ИО, мигание или погасание экрана;

- отображение на экране неверных данных;

- искажение или потеря сигналов или данных;

- нарушение функционирования или полная потеря каналов связи;

- ложное срабатывание датчиков;

- ложная активация систем;

- резкое снижение способности систем к обработке и передаче информации, а также неправильное ее функционирование;

- сбои в работе программного обеспечения;

- зависание системы;

- автоматическая перезагрузка компьютеризированной системы;

- полный отказ функционирования системы вследствие повреждения источника;

 - питания или перегорания предохранителей в цепях питания;

- физическое разрушение внутренних электронных компонентов ИО.

В базовом стандарте IEC 61000-4-25 [4] (параграф 9) предложены лишь 5 типов ККФ, обобщающих перечисленные выше реакции ИО:

A). Нормальное функционирование в соответствии с установленными нормами.

B). Временное ухудшение качества функционирования или прекращение выполнения установленной функции с последующим восстановлением нормального функционирования, без вмешательства оператора.

C). Временное ухудшение качества функционирования или прекращение выполнения установленной функции, восстановление которых требует вмешательства оператора или перезагрузки системы.

D). Ухудшение качества функционирования или прекращение выполнения установленной функции, которые не могут быть восстановлены оператором из-за потери данных или повреждения оборудования.

E). Ухудшение качества функционирования, которое может повлечь за собой возникновение опасности для персонала, например, пожар.

При планировании испытаний должны быть заранее установлены критерии качества функционирования отдельно для каждого вида испытаний, по которым будет сделан вывод о том, выдержал или не выдержал ИО тот или иной вид испытаний. Для электронного оборудования энергосистем релевантными являются, очевидно, лишь критерии «A» и «B» и поэтому выбор должен быть сделан между ними.

 

Выводы

1. В связи со сложностью и высокой стоимостью проведения испытаний оборудования на стойкость к ЭМИ ЯВ испытаниям должны быть подвергнуты лишь некоторые виды оборудования, нарушение работоспособности которых может привести к крупным авариям.

2. Планирование испытаний электронного оборудования энергосистем на устойчивость к ЭМИ ЯВ должно начинаться с четкого и понятного формулирования цели испытаний, которых может быть несколько.

3. Электронное оборудование энергосистем должно испытываться не в виде отдельных изделий, а в виде системы, включающей несколько электронных устройств (как минимум, двух), объединенных системой связи между ними, общей системой заземления, общим источником питания, источниками управляющих сигналов и т.п. При планировании испытания должна быть составлена функциональная схема такой системы и перечень необходимого оборудования, участвующего испытаниях.

4. В зависимости от конкретного вида ИО должен быть заранее составлен перечень параметров, контролируемых в процессе воздействия ЭМИ, продумана методика контроля этих параметров и выбраны соответствующие виды аппаратуры для фиксации изменения этих параметров в процессе испытаний.

5. Воздействие ЭМИ на электронное оборудование может проявляться не только мгновенно в процессе испытаний, но иметь скрытые последствия. Поэтому помимо контроля состояния ИО в процессе испытаний необходима полная проверка функционирования ИО после завершения испытаний на стенде-симуляторе ЭМИ ЯВ, а также после подачи на ИО тестового высоковольтного импульса контактным способом.

6. Для испытаний электронного оборудования энергосистем на устойчивость к ЭМИ ЯВ необходимы два типа воздействий, проводимых в дополнение к полному комплексу стандартных испытаний на электромагнитную совместимость:

- импульсное электромагнитное излучение с длительностью фронта импульса 2 нс, шириной импульса 25 нс и с напряженностью поля 5 – 50 кВ/м;

- быстрый импульс 5/50 нс (EFT) с амплитудой импульса 8 кВ, подаваемый контактным способом на входы ИО.

7. Среди возможных критериев качества функционирования для электронного оборудования энергосистем должны быть выбраны стандартные критерии «А» или «В».

 

Литература

1. Гуревич В. И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты: проблемы и решения. – М.: Инфра-Инженерия, 2014. – 256 с.

2. Гуревич В. И. Защита оборудования подстанций от электромагнитного импульса. – М.: Инфра-Инженерия, 2016. – 302 с.

3. Gurevich V. I. EMP and Its Impact on Electrical Power System: Standards and Reports. – Problems in Power, 2016.

4. IEC 61000-4-25Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-25: Testing and measurement techniques - HEMP immunity test methods for equipment and systems.

5. MIL-STD-461FRequirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment, RS105, 2007.

6. Гуревич В. И. Проблемы тестирования микропроцессорных реле защиты на устойчивость к преднамеренным электромагнитным деструктивным воздействиям. Продолжение темы.//Компоненты и технологии. – 2015. - № 3. – С. 158 -

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus