Вопросы электромагнитной совместимости в системах безопасности

Я. Мироненко
ООО «Аудит Сервис Оптимум»

Статья опубликована в журнале "Алгоритм безопасности" №1, 2013

Тема электромагнитном совместимости (ЭМС) не в новинку для читателей журнала. Начиная с 2002 года, проблемы ЭМС были подняты в трех крупных статьях:

1. «Идем на грозу... Защита сигнальных линий от опасных напряжений» («Алгоритм Безопасности» № 1, 2002 г.);
2. «Пока не грянул гром» («Алгоритм безопасности» № 1, 2010 г.);
3. «Безопасность для систем сигнализации или ... пока не грянул гром 2» («Алгоритм Безопасности № 3, 2011 г.).

Не раз эти вопросы поднимались как отдельный параграф в более конкретных тематических выпусках журнала - примером может послужить статья «Обходя периметр, или памятка проектировщику систем видеоконтроля... и не только» («Алгоритм Безопасности» № 1, 2012 г.).

Теперь подготовленный читатель может несколько по-иному посмотреть на эту тему. Под более широким углом. Физика процесса с 2002 года действительно не изменилась. И последствия неправильных решений тоже. Дорогие приборы, отличные датчики, современные модули могут остаться неработоспособным, если монтаж системы выполнен без учета требований электромагнитной совместимости. Перенапряжения в линиях, вызванные грозовыми и коммутационными импульсами, наведенные напряжения, электростатические заряды, помехи в питающей сети - все это вопросы электромагнитной совместимости оборудования на конкретном объекте.

ГОСТ 30372-95/ ГОСТ Р 50397-92 предлагает следующую формулировку качества функционирования технического средства в условиях изменяющегося электромагнитного поля: для нормального функционирования электронных устройств необходимо обеспечивать их электромагнитную совместимость (ЭМС) с электромагнитной обстановкой (ЭМО) на объекте. Под обстановкой понимается совокупность электромагнитных процессов в заданной области пространства, частотном и временном диапазоне. Все просто. Достаточно обеспечить электромагнитную совместимость, и можно не бояться ни грозы, ни провалов напряжения в питающей сети. Сложности в создании такого обеспечения.

В списке общих определений, предлагаемых все тем же ГОСТ, остановим внимание на термине «помеха». Помеха - электромагнитная величина, способная вызвать в электрическом устройстве нежелательный эффект (например, разрушение, старение и т.д.). То есть все то, что мы раньше называли перенапряжениями, импульсами и скачками, - все это помехи, а уже потом все остальное. Другое дело, что многие из помех могут не оказать существенное влияние на работу систем безопасности. Соответственно защита от них - это выброшенные на ветер деньги, которые могли бы быть использованы для улучшения иного параметра. Правильный и своевременный учет проблем ЭМС на объекте - это залог финансовой рентабельности проекта в этой строке калькуляции.

Но у этой задачи непростое решение. Измерение помех на объекте провести практически невозможно - можно лишь полагаться на статистику. (Экономисты вспомнят: есть ложь, есть наглая ложь, а есть статистика.) Отсюда вытекает сложность точного теоретического анализа электромагнитной обстановки. Действительно сложно решать систему дифференциальных уравнений в частных производных, не имея при этом никаких данных. Поэтому обоснование того или иного мероприятия по обеспечению ЭМС часто опирается не на математический расчет, а на опыт и интуицию. Опыт же базируется на знании, основы которого могут быть заложены, в том числе, и этой статьей. Конечно, применения терминов «синфазная и противофазная помеха, емкостная связь и спектральная плотность» едва ли можно избежать, рассуждая об ЭМС. Но постараемся, чтобы сложных терминов, не из школьного курса физика, в статье не было. Начнем наш краткий экскурс с основного: виды и причины помех. Читатель уже сталкивался с подобным перечнем в предыдущих статьях. Немного видоизменим список и подробно остановимся на каждом пункте.

Среди того многообразия помех выберем те, которые могут оказать существенное влияние на работу систем безопасности.

1. ГРОЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ

Все-таки самое опасное и разрушительное явление. Приблизительно 2000 гроз существует одновременно на Земле, вызывая около 100 разрядов молний каждую секунду. В среднем по Европе число грозовых дней в году составляет от 15 до 35. А число ударов молний, приходящихся на 1 км2 площади за год - от 1 до 5. Причем, первая цифра больше характерна для северных районов, а вторая - для южных. РД 54.21 122-87 «Инструкция по устройству молниезашиты зданий и сооружении» дает следующую статистику: частота поражения молниеИ зданиИ высотой 20 м и размерами в плане 100x100 м составляет 1 раз в 5 лет, для зданий с размерами порядка 10x10 м - 1 попадание за 50 лет. От прямого удара молнии не спасет ничего. Хорошо, что это очень редкое событие. Если разряд удаленный, то на электротехническое устройство действует электромагнитный импульс молнии. Все существующие стандарты и положения отстраиваются именно от последствий удара молнии. Если рассматривать чисто теоретические вероятности, то возможно только одно более разрушительное явление, чем молния, - это импульс ядерного взрыва.

2. ПОМЕХИ ИЗ СЕТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Обширная группа, которая включает в себя коммутационные импульсные помехи, помехи, вызванные все тем же ударом молнии, перенапряжения и провалы в сети. Коммутационные помехи были подробно разобраны в самой первой статье «Идем на грозу...». Как правило, они представляет собой одиночные импульсы с амплитудой до нескольких киловольт. В соответствии с Г0СТ13109-97 считается допустимым наличие в сети 220 В импульсов коммутационных помех амплитудой до 4,5 кВ длительностью до 5 мс. Реально частота возникновения одиночных импульсных помех амплитудой до 300 В составляет в среднем для промышленных предприятий 20 помех в час, для жилых домов 0,5 помех в час. Наибольшее влияние на системы безопасности оказывают кратковременные затухающие колебания при переключении индуктивной нагрузки.

Рис. 1. Виды помех, проникающих из сети питания:
а) от вспышки молнии; б) при переключении индуктивной нагрузки

Если рассматривать колебания напряжения в питающей сети, то можно выделить две глобальные причины этих помех: технологические и коммерческие потери. Первые вызваны устаревшим оборудованием электросетевого хозяйства, вторые - кражами электроэнергии. И с тем и с другим борются, но в обычной бытовой сети колебания напряжения утром и вечером явно превосходят нормированные ГОСТ-ом показатели. Это все¬гда надо учитывать.

3. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД

Статическое электричество возникает на диэлектрических материалах. Вспомним эбонитовую палочку. Величина заряда зависит от скорости движения трущихся тел, их материала и величины поверхности соприкосновения. Естественно, что в бытовых условиях едва ли стоит опасаться этого явления. А вот на промышленном предприятии нас ждет совсем другой подход. Амплитуда напряжения может составлять до 15 кВ, а максимальный ток импульса доходит до 30 А. Электростатический заряд, накапливающийся при работе технологического оборудования, интересен также тем, что хоть и имеет сравнительно небольшую энергию, но разряжается в непредсказуемом месте.

Вот мы и рассмотрели три группы помех, отвечающие нашим требованиям. Конечно, возможно возникновение в вашей системе и экзотических явлений: исчезновения сигнала при передаче, микрофонного эффекта, эффекта Зеебека и пьезоэлектрических смещений на сгибах изоляции. Но в большинстве своем - это все несущественно для работы вашей системы. Поэтому и не будем на этом останавливаться.

Теперь мы знаем об источниках помех. Скажем пару слов и о приемнике. Главный приемник помех в системах безопасности - это длинная линия. Она выступает как антенна. Именно в линии наводится опасное напряжение, которое может вывести из строя аппаратуру. Поэтому все защитные устройства ставятся на выходе, на входе в линию.

Самое время поговорить об этих самых защитных устройствах. В своей совокупности они представляют модули защиты от импульсного перенапряжения. Можно с уверенность говорить, что названия защитных устройств, применяемых сейчас, вводят в заблуждение покупателя. Почти все они носят гордое название «устройств грозозащиты». Подобная формулировка, скорее, совсем некорректна, чем не совсем корректна. В предыдущих статьях по данной тематике читатель уже ознакомился с принципом работы и техническими характеристиками этих приборов. На страницах журнала рассматривалась зонная концепция МЭК-62305 и приводилась общая схема двухступенчатого устройства защиты. Данные устройства могут применяться как устройства грозозащиты только третьего класса. То есть и не грозозащиты вовсе, а остаточного напряжения в сети, которое пропустили средства защиты других классов. Те же виды помех, от которых данные приборы действительно защищают, никак не отражены в названии и только перечислены в руководстве пользователя.

Немного углубимся в тему защиты от импульсного перенапряжения. Внимательно прочитав предшествующий список помех, можно понять, что практически все они в той или иной мере импульсные. Поэтому подобной защитой пренебрегать нельзя. И, разобравшись с основными принципами, можно не пользоваться готовым решением, а создать собственную модель. Благо ничего сложного в этом нет.

Все существующие предложения построены на различной комбинации 4 основных устройств:

• Разрядник. Это ограничитель перенапряжения из двух токопроводящих пластин с калиброванным зазором. При резком повышении напряжения между пластинами возникает разряд, который сбрасывает высокое напряжение на землю. Существует множество различных типов разрядников с разным заполнением искрового промежутка. Отметим газовые разрядники. Камера в них заполнена инертным газом низкого давления. Благодаря этому, их параметры мало зависят от внешних условий (влажность, температура, запыленность и т.д.). Типовое напряжение срабатывания для разрядников составляет 1,5-4 кВ (для сети 220/380 В 50 Гц). Время срабатывания порядка 100 нс. Максимальный ток при разряде для различных исполнений от 45 до 60 кА при длительности импульса 10/350 мкс.
• Варистор. Керамический элемент, у которого резко падает сопротивление при превышении определенного напряжения. Напряжение срабатывания 470-560 В (для сети 220/380 В 50 Гц). Время срабатывания менее 25 нс. Максимальный импульсный ток от 2 до 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс.
• Разделительный трансформатор. Эффективный ограничитель перенапряжения - силовой трансформатор с раздельными обмотками и равными входным и выходным напряжениями. Трансформатор просто не способен передать столь короткий высоковольтный импульс во вторичную обмотку и благодаря этому свойству является практически идеальной защитой от импульсного перенапряжения.

Разделительный трансформатор - это основа гальванической развязки сетей. Основная идея гальванической развязки заключается в том, что в электрической цепи полностью устраняется путь, по которому возможна передача кондуктивной помехи. Гальваническая изоляция позволяет решить следующие проблемы:

1. исключает появление паразитных токов по шине земли, вызванных разностью потенциалов отдаленных друг от друга земель, и тем самым снижает индуктивные наводки, вызванные этими токами;
2. уменьшает практически до нуля напряжение синфазной помехи на входе дифференциального приемника аналогового сигнала;
3. защищает входные и выходные цепи модулей ввода и вывода от пробоя большим синфазным напряжением.

В цепях постоянного тока также возможно использование разделительного трансформатора совместно с DC-DC или AC-DC преобразователями. Однако при прямом попадании молнии в электросеть может нарушиться целостность изоляции первичной обмотки и трансформатор в этом случае выйдет из строя. И еще следует помнить, что при отключении первичной сети трансформатор сам по себе генерирует высоковольтный выброс, что требует установки варисторов на выходе трансформатора.

4. ЗАЩИТНЫЕ ДИОДЫ

Как правило, в эту группу относят TVS диоды и TVS тиристоры. TVS тиристор представляет собой обычный тиристор со стабилитроном в цепи управляющего электрода. При повышении напряжения на стабилитроне более напряжения стабилизации в управляющий электрод начинает протекать ток, отпирающий тиристор. Открытый тиристор играет роль шунтирующего элемента, понижая напряжение в защищаемой линии до 1-2 Вольт. После окончания импульса молнии ток линии становится меньше тока удержания тиристора и он переходит в запертое состояние. TVS тиристоры имеют время срабатывания около нескольких наносекунд.

TVS диоды имеют такую же структуру, технологию изготовления и принцип действия, как обычные, но спроектированы специально для работы при больших токах малой длительности и имеют малую емкость обратно смещенного p-n-перехода. Время срабатывания достигает нескольких пико- секунд. Напряжение срабатывания задается техпроцессом и лежит в диапазоне от 2,8 В до 440 В.

На этом список закачивается. Когда длинные интерфейсные линии только-только начали применяться в системах автоматики, на юге России прокатилась череда выгораний дорогих приборов. Сотрудники компаний, занимающихся монтажом и обслуживанием подобных систем, не успевали приехать из Курска, как нужно было ехать в Воронеж. Именно тогда появились те самые «модули грозозащиты». Простенькое средство соединило в себе разрядник, резистор и токоограничивающий элемент и решило вопрос о применении длинных линий в районах с большим количеством гроз. Сейчас задача грозозащиты достаточно хорошо проработана. Инсталлятор может решить: воспользоваться готовым решением или же создать собственную более надежную систему защиты.

Основные положения концепции зонной защиты приведены в стандартах IEC- 1024-1 (1990-03) «Защита сооружений от удара молний. Часть 1. Общие принципы» и IEC-1312-1 (1995-02) «Защита от электромагнитного импульса молнии. Часть 1. Общие принципы».

Типовая схема зонной защиты, собранная из вышеуказанных элементов, может выглядеть так, как представлено на рисунке 2. Приведенная на схеме зонная концепция соответствует немецкому стандарту E DIN VDE 0675-6/А1/03-96.

Рис. 2. Типовая схема зонной защиты

На вводе в здание (например, в щитке ГРЩ) устанавливаются газовые или воздушные разрядники. Этот уровень защиты обязателен при наличии воздушного ввода линии. Если же ввод подземный, то достаточно установки средств защиты двух других классов. В распределительных щитках устанавливаются мощные варисторные модули (токами разряда порядка 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс). И уже во второй зоне непосредственно возле потребителя устанавливаются фильтры со встроенной варисторной защитой и просто небольшие варисторные модули.

Селективность защиты обеспечивается замедлением роста импульса на каждом последующем этапе защиты за счет индуктивности кабеля. Поэтому расстояние между модулями должно быть примерно 7-10 метров. Если такое расстояние соблюсти не удается, то используются токоограничивающие устройства - чаще всего это дроссели с номинальным током сети.

УЗО чаще всего ставится на границе 1 и нулевой зоны - в распределительном щитке после устройств защиты. Это обеспечивает защиту УЗО от удара молнии и препятствует его срабатыванию от токов разряда и утечки, протекающих в PE-проводнике. Устройства защиты непосредственно потребителя можно устанавливать после УЗО.

Точнее, даже не заземления. В ЭМС есть точное разграничение привычного для нас определения: «земля и масса». Первый термин применяется, когда речь идет о безопасности жизни человека. Второй - когда имеется в виду система опорного потенциала. Так что сейчас мы говорим не о важности земли, а о сильном влиянии массы на обеспечение совместимости. Существует большое количество видов заземлений: аналоговое, силовое, цифровое, «плавающее». Не будем сейчас подробно останавливаться на этом, а просто перечислим основные принципы.

Подключение устройств защиты к РЕ рекомендуется делать отдельным проводником и сводить к шине выравнивания потенциала (ШВП). Такое подключение позволяет свести к минимуму бросок потенциала в результате срабатывания устройств защиты от импульсного перенапряжения. Устройства защиты следует заземлять в одной точке, чтобы потенциалы их земель не отличались.

Заземление тесно связано с понятием экранирования. В области ЭМС термин «экран» приобретает несколько иное значение, по сравнению с энергетикой. Здесь экранирование - это способ снижения (подавления или, значит, ослабления) влияния внешних паразитных электромагнитных полей, помех и наводок, мешающих работе электро- и радиотехнических установок, аппаратуры передачи и обработки данных и т.п. Экранирование осуществляют с помощью заземленного металлического или металлизированного экрана с высокой электрической или магнитной проводимостью. Заземление экранов кабелей нужно проводить только с одной стороны - со стороны источника сигнала. Если заземлить экран кабеля с двух сторон, то мы получим замкнутый контур, который будет великолепной антенной для всех существующих помех. Если произвести заземление со стороны приемника, то мы получим дополнительный путь протекания тока помехи - по емкости между жилами кабеля. Если источник сигнала не заземлен, то можно производить заземление с любой стороны кабеля - замкнутый контур в этом случае будет отсутствовать. Во всех случаях экран должен быть изолирован, чтобы предотвратить случайные его контакты с металлическими предметами и землей.

Рис. 3. Вариант правильного заземления шкафа автоматики

Для защиты от магнитного поля молнии сигнальные кабели, проходящие по открытой местности, могут быть проложены в металлических трубах из ферромагнитного материала, например стали. Трубы играют роль магнитного экрана. Нержавеющую сталь использовать нельзя, поскольку этот материал не является ферромагнитным. Трубы прокладывают под землей, а при наземном расположении они должны быть заземлены примерно через каждые 3 метра. Кабель должен быть экранирован, и экран заземлен. Заземление экрана должно быть произведено очень качественно с минимальным сопротивлением на землю.

В случае линии интерфейса RS-485 есть еще одно более радикальное решение проблем защиты от молнии - применение оптоволоконного кабеля. Но это уже вопрос бюджета. Все-таки устройство подобных линий - достаточно дорогое мероприятие.

Можно сказать еще пару слов о правильном монтаже шкафов автоматики. Во-первых, заземление шкафов должно быть выполнено в одной точке - это делается для уравнивания потенциалов разных земель. Во-вторых, корпусы шкафов не стоит соединять между собой. Это приводит к созданию замкнутого контура в цепи заземления, т.е. хорошей «антенны» для сигналов помех. В-третьих, заземление приборов в шкафу нужно приводить к клемме заземления, а не к корпусу шкафа. В противном случае по корпусу шкафа может протекать ток помехи от трансформатора блока питания. В-четвертых, выводы земли надо также подводить к клемме заземления, а не к корпусу шкафа. При подключении непосредственно к корпусу появляется еще один источник индуктивной наводки на провода, проходящие вдоль стен шкафа. Ну и еще одна рекомендация - лучше разделять блоки цифровых и аналоговых сигналов. Это позволит избежать непосредственного соединения цифровой и аналоговой земли.

Вот и весь список мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости, которые можно без особых затрат организовать на любом объекте. Применение всего комплекса, предложенного в статье, позволит обеспечить гораздо лучшую защиту вашей системы безопасности, нежели чем обычное устройство третьего класса.

Конечно, эта статья охватывает далеко не все вопросы ЭМС. Не рассмотрены оказались вопросы совместимости в беспроводных сетях (хотя сейчас это направление очень популярно и круг нерешенных задач просто огромен), не акцентировано внимание на готовых продуктах - модулях грозозащиты, существующих сейчас на рынке, не рассмотрен более подробно метод гальванической развязки. Но цель статьи не охватить все задачи ЭМС, а расширить представление читателя об их многообразии и способах решения. Более подробную информацию по каждому из представленных пунктов можно найти в любом учебнике по электромагнитной совместимости (есть такой предмет в технических вузах) или же в многочисленных нормативных документах (по большей части европейских, но есть и наши издания).