zakłócenia malej częstotliwości - Katedra Mikroelektroniki i Technik
advertisement
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Podstawy kompatybilności elektromagnetycznej dr inż. Piotr Pietrzak [email protected] pok. 54, tel. 631 26 20 www.dmcs.p.lodz.pl opracowano na podstawie: Alain Charoy „Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych” Źródła zakłóceń – podział Zakres częstotliwości zakłóceń • zakłócenia malej częstotliwości – stosunkowo łatwe do redukcji w czasie instalacji • zakłócenia wielkiej częstotliwości – wymagają stosowania specjalnych rozwiązań Nośnik zakłóceń • zakłócenia przewodzone, scharakteryzowane poprzez przebiegi prądów i napięć • zakłócenia wypromieniowane, elektryczne i magnetyczne scharakteryzowane poprzez pola Czas trwania (charakter czasowy) zakłóceń • zakłócenia trwałe lub podtrzymywane – wpływające głównie na układy analogowe • zakłócenia przejściowe – wpływające głównie na układy cyfrowe Źródła zakłóceń – podział Miejsce występowania zakłócenia • wewnątrz układu (zakłócenia intersystemowe) • na zewnątrz układu (zakłócenia intrasystemowe) Istnieją szczególne przypadki zakłóceń, które są jednocześnie przewodzone i wypromieniowane (przez pola), np. w przypadku wystąpienia wyładowania atmosferycznego. Dla tego typu zjawisk należy jednocześnie ocenić obydwa typy sprzężeń. Źródła zakłóceń – zakłócenia małej częstotliwości Zakłócenia małej częstotliwości o częstotliwości poniżej 1 MHz najczęściej dotyczą sygnałów W zakresie m.cz. układy zachowują się w sposób przewidywalny, a występujące zjawiska mogą być analizowane na podstawie powszechnie stosowanych modeli i schematów zastępczych zawierających rezystancje, indukcyjności własne i wzajemne oraz pojemności W zakresie m.cz.: • sprzężenia przez pola nie stanowią istotnego źródła zakłóceń • w wielu przypadkach rozwiązanie separacja galwaniczna stanowi skuteczne • długość przewodów uziemiających nie jest zbyt krytyczna • większość problemów może zostać rozwiązana poprzez zapewnienie ekwipotencjalności otoczenia układu elektronicznego, przy czym spełnienie tego warunku jest stosunkowo łatwe • można przyjąć, że parametry prądu płynącego przez przewód są takie same na całej długości tego przewodu Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone Zakłócenia m.cz. odznaczają się czasem trwania co najmniej kilkadziesiąt mikrosekund W przypadku zakłóceń m.cz. istotna jest energia wprowadzona do układu zakłócanego galwanicznie, która jest równa iloczynowi napięcia i prądu sygnału zakłócenia oraz czasu jego trwania Zakłócenia przewodzonych można stosunkowo łatwo zmierzyć przy użyciu szeroko dostępnych urządzeń pomiarowych Zakłócenia małej mają największy wpływ na obwody przenoszące sygnały o niskim poziomie, przy najczęściej występują zakłócenia sumacyjne Zakłócenia m.cz. wprowadzane przez przewodzenie • podtrzymywane • przejściowe Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Zakłócenia podtrzymywane wszelkie pasożytnicze przebiegi prądów i napięć, których czas trwania przekracza 1 s, w przeciwieństwie do zakłóceń impulsowych, które pojawiają się krótkotrwale i sporadycznie Migotanie (flicker) Niewielkie lecz częste obniżenia napięcia zasilającego, spowodowane krótkotrwałymi przetężeniami w obwodach zasilających. W sieci elektroenergetycznej zjawisko szczególnie odczuwane na krańcach linii przesyłowych. Może być powodowane przez załączenie odbiorników dużej mocy, np. dużych silników elektrycznych. W przemyśle, szczególnym przypadkiem jest sieć zasilająca piece łukowe o mocy wielu megawatów, zwierające sieć udarowo, zwłaszcza podczas rozruchów. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Dopuszczalne parametry zjawiska migotania w sieciach energetycznych (spadek napięcia, czas trwania, częstość powtórzeń) określają stosowne normy W celu ograniczenia migotania dąży się do zmniejszania impedancji sieci, która ta nie powinna przekraczać 0,5(0,4 + j0,25) Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane W sieciach energetycznych impedancja zależy od impedancji wyjściowej (zastępczej szeregowej) transformatora oraz impedancji kabli. Kable silnoprądowe o przekroju większym niż 200 mm2 przy częstotliwości 50 Hz zachowują się jak indukcyjności i mają stałą reaktancję na jednostkę długości 0,1 /km. Indukcyjność ta jest praktycznie niezależna od przekroju i proporcjonalna do częstotliwości (np. 0,5 /km przy 250 Hz). Impedancję wyjściową transformatora wyznacza się na podstawie wartości jego mocy znamionowej i napięcia zwarcia. Napięcie zwarcia transformatora (moc zwarciowa) Odniesione do wartości znamionowej napięcie, które należy przyłożyć do uzwojenia pierwotnego, aby w zwartym uzwojeniu wtórnym wymusić przepływ prądu znamionowego. Wyrażane w procentach. Na przykład, transformator o napięciu zwarcia 5% podczas zwarcia pobierze (z sieci sztywnej) prąd dwudziestokrotnie większy od prądu znamionowego. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Napięcie zwarcia małych transformatorów zasilających (o mocy wynoszącej dziesiątki lub setki watów) najczęściej mieści się w zakresie 10% do 20% (głównie składowa rezystancyjna) Napięcie zwarcia dużych transformatorów niskiego napięcia (od 1 kVA do 1 MVA) zawiera się w przedziale 4% do 6% (głównie składowa reaktancyjna) Napięcie zwarcia dużych transformatorów wysokiego napięcia o dużej wytrzymałości elektrycznej jest rzędu 10% (niemal zupełnie reaktancyjne), do 12% dla transformatorów o dużym strumieniu rozproszenia Małe transformatory o mocy mniejszej niż 1 kVA stanowią źródła rezystancyjne, a ich napięcie wtórne obniża się przy obciążeniu rezystancyjnym Duże transformatory są źródłami napięcia, których impedancja wewnętrzna ma charakter indukcyjny. Napięcie na ich uzwojeniu wtórnym pozostaje praktycznie stałe przy obciążeniu rezystancyjnym, ale obniża się przy obciążeniu indukcyjnym i wzrasta przy pojemnościowym. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Zjawisko migotania jest w większości niegroźne dla współcześnie produkowanych urządzeń elektronicznych Migotanie staje się istotne jedynie w przypadku bardzo silnych przeciążeń lub wówczas, gdy impedancja sieci jest duża Migotanie jest uciążliwe dla wzroku w przypadku klasycznych, żarowych źródeł światła Określa się dopuszczalne fizjologiczne poziomy migotania w funkcji częstości zmian napięcia Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Zmienność częstotliwości sieciowej Wynika z procesu wytwarzania energii elektrycznej przez generatory, których częstotliwość nie jest utrzymywana na dokładnie stałym poziomie. Szczególnie istotne w przypadku źródeł zasilania awaryjnego (generatorów napędzanych silnikami Diesla) lub lokalnych niewielkich generatorów prądotwórczych, których obciążenie się zmienia. Zgodnie z obowiązującymi normami wszystkie urządzenia elektroniczne powinny być odporne na zmiany częstotliwości w zakresie ±4%, trwające do 10 min. Duże systemy zasilane przez transformatory z rdzeniami pracującymi w stanie bliskim nasycenia mogą się przegrzewać wskutek zmniejszenia częstotliwości, czemu towarzyszą wyższe, nieparzyste harmoniczne generowane w prądzie transformatora. Sieci elektroenergetyczne krajów UE są powiązane ze sobą tworząc strukturę kratową. Błąd częstotliwości w całej sieci jest mniejszy niż 0,1%. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Współczesne urządzenia elektroniczne zasilane przez zasilacze impulsowe są niewrażliwe na zmiany częstotliwości. Niebezpiecznym przypadkiem jest szybka zmiana częstotliwości napięcia zespołu generatorowego, zasilającego falownik generujący na wyjściu stałe napięcie o określonej wartości. Przy szybkiej zmianie częstotliwości na wejściu falownik przełączający napięcie wejściowe łącznikami półprzewodnikowymi może wyłączyć się z powodu niezgodności faz pomiędzy sygnałami na swoim wejściu i wyjściu. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Harmoniczne Każde nieliniowe obciążenie pobiera prąd zawierający składową podstawową 50 Hz (w Europie) oraz harmoniczne o częstotliwościach, będących krotnościami podstawowej: 100, 150, 200, 250 Hz itd. Analizując zawartość harmonicznych bierze się pod uwagę do 40 harmonicznej (2 kHz w sieciach 50 Hz i 2,4 kHz w sieciach 60 Hz) Harmoniczne parzyste generowane są przez obciążenia pobierające składową stałą prądu. Większość obciążeń nieliniowych (transformatory nasycone z powodu zbyt wysokiego napięcia, lampy wyładowcze, zasilacze impulsowe, itp.) wytwarzają jedynie nieparzyste harmoniczne. Dla urządzeń zasilanych z przetwornic impulsowych (m.in. informatyczne) prądy są odkształcone w granicach od 50 do 80%. Współczynnik szczytu (wartość szczytowa prądu odniesiona do amplitudy jego składowej podstawowej) często przekracza wartość 4, a niekiedy osiąga wartość 6. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Wpływ harmonicznych prądu na kształt napięcia staje się znaczący przy dużych obciążeniach nieliniowych. Zniekształcenie napięcia zasilającego określa się poprzez względne (określone w procentach) odkształcenie sinusoidy napięcia. Jest ono proporcjonalne do poziomu odkształceń harmonicznych prądów (źródło) oraz do impedancji sieci (sprzężenie), która zachowuje się jak impedancja wspólna obwodu zakłócającego i zakłócanego. Każde urządzenie elektroniczne powinno tolerować całkowite odkształcenie napięcia zasilania nieprzekraczające 8%, w tym co najmniej 5% odkształceń pochodzących od najgroźniejszych harmonicznych (często trzeciej w napięciu fazowym oraz piątej lub siódmej w napięciu międzyprzewodowym). Należy zwrócić szczególną uwagę na składowe stałe prądu, które łatwo nasycają rdzenie transformatorów. Obwód magnetyczny klasycznego transformatora zasilającego osiąga nasycenie wskutek występowania składowej stałej prądu rzędu 1% prądu znamionowego dla małych transformatorów (<10 kW) i rzędu 0,1% prądu znamionowego dla transformatorów dużych (>100 kW). Transformator z rdzeniem nasyconym składową stałą staje się źródłem znacznych harmonicznych parzystych. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Prądy trzeciej harmonicznej (oznaczanej jako h3) nawet w przypadku symetrii obciążenia faz w układzie trójfazowym sumują się w przewodzie neutralnym, przez co natężenie prądu w przewodzie neutralnym może być większe niż w przewodach fazowych. Przy częstotliwości prądu 150 Hz występuje zjawisko naskórkowości prowadzące do większego wzrostu temperatury przewodu niż dla 50 Hz. W instalacjach, w których pracuje wiele urządzeń informatycznych prąd trzeciej harmonicznej płynący w przewodzie neutralnym jest 1,2 do 1,5 razy większy od prądu fazowego Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Mostek Graetza oraz regulator tyrystorowy stanowią źródła harmonicznych nieparzystych, niebędących krotnością trzech (h5, h7, h11, itd.) Ich działanie w przebiegu napięcia objawia się występowaniem tzw. załamań komutacyjnych (inaczej komutacja anodowa). Napięcie z mostka jednofazowego jest zniekształcone załamaniami na okres, a z mostka trójfazowego – sześcioma. Amplituda załamań komutacyjnych może sięgać kilkudziesięciu woltów, przy czasie trwania kilkuset mikrosekund. Załamania komutacyjne mogą spowodować załączanie obwodów wykonawczych zawierających gorszej jakości triaki (wrażliwość na przebiegi napięć o stromości mniejszej niż 30 V/µs). czterema Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Bateria kondensatorów niskiego napięcia stosowanych do kompensacji mocy biernej (poprawa cos) przyłączana jest równolegle do indukcyjności transformatora zasilającego tworząc obwód równoległy LC, który przy częstotliwościach rezonansowych przedstawia dużą impedancję. Tłumienie takiego obwodu rezonansowego jest tym mniejsze, im mniejszy jest pobór mocy z transformatora. W przypadku gdy harmoniczna prądu (generowana np. przez mostek Graetza) obciążenia jest zgodna z częstotliwością rezonansową obwodu równoległego LC, odkształcenie napięcia może osiągnąć niedopuszczalne wartości. W takim przypadku należy dokonać zmiany częstotliwości rezonansowej (dodanie pojemności równoległej lub indukcyjności szeregowej), kosztem zmniejszenia poziomu kompensacji. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Jedynym sposobem wyeliminowania harmonicznych (poza zmniejszeniem impedancji sieci, na które najczęściej nie mamy wpływu), możliwym do zastosowania lokalnie, jest włączanie szeregowego filtru lub zespołu filtrów dostrojonego do wybranych harmonicznych (najbardziej dokuczliwe są harmoniczne piąta i siódma). Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Interharmoniczne Prąd interharmoniczny jest prądem o częstotliwościach innych, niż krotność częstotliwości sieci, przy czym rozróżnia się: • interharmoniczne posiadające określoną częstotliwość (prawdziwe) • interharmoniczne o widmie ciągłym Interharmoniczne o określonej częstotliwości generowane są przez niektóre statyczne przekształtniki częstotliwości oraz cyklokonwertery do napędu silników o małej prędkości. Niektóre silniki indukcyjne o nierównomiernej szczelinie wytwarzają kilka harmonicznych częstotliwości obrotowej. W dłuższym czasie interharmoniczne mogą prowadzić do nadmiernego nagrzewania. Zwykłe elektroniczne układy zasilania trudno jest zakłócić interharmonicznymi. Na ogół badania odporności na zawartość harmonicznych są miarodajne dla oceny odporności na interharnioniczne. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone podtrzymywane Procesy przejściowe pozostałe po modulacji szerokości impulsów w układach energoelektronicznych Niektóre układy odcinające, regulatory prędkości, sterowniki silników krokowych i przekształtniki mocy posiadają słabe obwody filtrujące lub nie mają filtrów w ogóle. Takie układy wprowadzają zakłócenia symetrycznie i asymetrycznie do sieci zasilającej oraz do obciążenia. Działaniu układów przełączających towarzyszą procesy przejściowe, które powtarzają się z częstotliwością ich pracy, która zawiera się w granicach od 100 Hz (triaki) do ponad 100 kHz. Po gwałtownym odcięciu napięcia pozostaje przejściowy, tłumiony impuls sinusoidalny, którego częstotliwość może sięgać kilku megaherców. Prądy wysokiej częstotliwości płynące w przełączanych obwodach zakłócają sąsiednie obwody analogowe i cyfrowe poprzez przesłuch oraz wspólną impedancję. Asymetryczne zakłócenia zasilania tłumi się instalując filtry w obwodach napięcia zasilającego urządzenia zakłócającego i/lub zakłócanego oraz stosując kable zasilające z ekranami uziemionymi po obu stronach. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Zakłócenia przejściowe cechują się przemijalnością lub zanikiem. Układy analogowe są mało wrażliwe na zakłócenia przemijające, a układy cyfrowe najczęściej korygują niepowtarzające się błędy. Zakłócenia przejściowe są mniej groźne niż zakłócenia podtrzymywane o tej samej amplitudzie. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Wahania napięcia Polegają na szybkich zmianach napięcia zasilania zawartych, w przedziale normalnych zmian napięcia, dopuszczalnych podczas pracy sieci. Najczęściej wynikają ze skokowych zmian obciążenia sieci: rozruchu dużych silników, uruchamiania pieców łukowych, regulacji napięcia przez zmianę zaczepów transformatora itp. Nie są one trwałe, ale często amplitudę mają większa niż migotanie. Pomimo tego wahania napięcia zakłócają bardzo nieznacznie. Urządzenia elektroniczne zbudowane konwencjonalnie powinny być odporne na wahania napięcia w granicach ±8%. Urządzenia pracujące w sieciach bardzo zakłóconych powinny znosić wahania na poziomie ±15% Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Mikrowyłączenia i zapad napięcia Mikrowyłączenia polegają na zupełnym zaniku napięcia przez co najmniej pół okresu częstotliwości przemysłowej i mogą występować jedynie w napowietrznych sieciach niskiego napięcia, wykonanych nieizolowanymi przewodami rozwieszonymi na izolatorach. Są one wynikiem przemijającego zwarcia dwóch przewodów, powstałego np. wskutek silnego wiatru. Wszystkie inne przypadki są nazywane zapadem napięcia. Najczęściej są one spowodowane wiatrem, burzą, zwarciem przewodów linii lub uszkodzeniem innego odbiorcy. Zwarcia w liniach bardzo wysokich napięć są rzadkie i w praktyce powstają na skutek wyładowań atmosferycznych. Automatyka sieci wymaga, aby czas zapadu był krótszy niż 0,5 s. W przypadku przekroczenia tego czasu mamy do czynienia z wyłączeniem. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Zagrożenie wywołane zapadem określa się dwoma parametrami dotyczącymi napięcia między dwoma fazami najbardziej dotkniętymi zakłóceniem sieciowym: głębokością zapadu wyrażoną w procentach w stosunku do napięcia znamionowego (większą niż 15%) oraz czasem trwania. Skutkiem obniżenia się napięcia jest utrata zasilania ze wszystkimi tego konsekwencjami dla układu elektronicznego. Głębokość zapadów napięcia oraz ryzyko długotrwałych wyłączeń ograniczane są poprzez łączenie sieci średniego napięcia w strukturę kratową. Stosowane sterowania sieciami automatycznie eliminują uszkodzone odcinki oraz dostosowują moc przekazywaną danymi liniami do bieżących potrzeb. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe W procesie projektowania układów elektronicznych, w szczególności obwodów zasilaczy należy wziąć pod uwagę możliwość wystąpienia zapadów napięcia i zastosować odpowiednie rozwiązania zapewniające poprawne funkcjonowanie i/lub bezpieczne wyłączenie urządzenia w czasie wystąpienia zakłócenia. Urządzenia elektroniczne z dobrze zaprojektowanym zasilaczem impulsowym mogą pracować poprawnie przy trwałym obniżeniu napięcia dochodzącym do 50%. W przypadku zasilaczy małej mocy (w szczególności impulsowych) kondensatory filtrujące mogą utrzymać zasilanie w czasie zapadu. W zasilaczach dużej mocy, w celu zapewnienia ciągłości zasilania urządzeń o wysokim stopniu odpowiedzialności stosuje się układy bezprzerwowe, wykorzystujące energię zgromadzoną w akumulatorach. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Przepięcia czasowe Przepięcia szczególnie groźne dla urządzeń zasilanych symetrycznie z sieci trójfazowej (napięciem międzyprzewodowym). Przepięcia czasowe mogą być spowodowane wyłączeniem baterii kondensatorów (np. do kompensacji mocy biernej), których pojemność tworzy z indukcyjnością sieci równoległy obwód rezonansowy LC. Obwody tego typu odznaczają się częstotliwością rezonansową na poziomie 1 kHz. Napięcia przejściowe osiągają napięcie bliskie podwójnej wartości szczytowej napięcia roboczego sieci. Dla sieci jednofazowej 230 V wartość szczytowa przepięcia może przekraczać 500 V. Energia tego typu przepięć sięga setek dżuli. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Przepięcie czasowe może być wywołane przepaleniem się bezpiecznika topikowego. Dla przykładu mały bezpiecznik o prądzie znamionowym 6,3 A przepala się w milisekundę przy prądzie kilku kiloamperów. Energia zgromadzona w indukcyjności obwodu często wynosi kilkaset dżuli. Przepięcie będące następstwem przepalenia się bezpiecznika osiągając amplitudę 1000 V może doprowadzić do uszkodzenia sąsiednich urządzeń podłączonych do tej samej sieci zasilającej Praktycznie jedynym sposobem ochrony przed przepięciami generowanym lokalnie jest stosowanie w obwodach zasilania urządzenia ograniczników przepięć. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Próba odporności na przepięcia czasowe (długotrwałe) polega na nałożeniu impulsu na wartość szczytową napięcia zasilającego: jednofazowo: 425 V i trójfazowo: 735 V. Oznacza to podanie impulsu o amplitudzie 750 V przy zasilaniu jednofazowym i 1300 V przy zasilaniu trójfazowym (2,3 krotność wartości szczytowej napięcia zasilającego). Czas narastania impulsu probierczego wynosi 0,1 ms, natomiast czas trwania do półszczytu jest równy 1,3 ms. Norma IEC 1000-4-5 nakazuje przeprowadzenie trzech prób impulsami każdej biegunowości z jednominutową przerwą na odzyskanie odporności. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Przepięcia sinusoidalne tłumione Wszystkie łączenia w sieci elektroenergetycznej średniego napięcia stanowią przyczynę powstawania przepięć nazywanych udarami łączeniowymi. Dołączenie źródła do linii oznacza podanie na nią impulsu napięcia o stromym czole, czego następstwem jest wystąpienie tłumionego przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości równej częstotliwości własnej linii (najczęściej pomiędzy 10 kHz a 1 MHz). Analogiczne zjawisko związane jest z procesem łączenia w sieciach niskiego napięcia. Obserwowane zakłócenia cechuje mniejsza energia niż w przypadku udarów łączeniowych oraz wyższa częstotliwość. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Zgodnie z normą próba badania odporności urządzeń na przepięcia sinusoidalne tłumione polega na nałożeniu impulsu o czasie narastania 0,5 µs, po którym następuje oscylacja o częstotliwości 100 kHz tłumiona tak, aby kolejny szczyt przebiegu był równy co najmniej 60% wartości poprzedniego. Skutkiem udarów łączeniowych i pochodzących od nich zakłóceń asymetrycznych są zakłócenia układów elektronicznych o małej odporności. Ochrona przed przepięciami sinusoidalnymi tłumionymi wymaga instalacji odpowiednich filtrów. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Przepięcia piorunowe Są skutkiem wyładowań atmosferycznych, w wyniku których powstaje plazmowy kanał przewodzący prąd rozładowania elektryczności statycznej zgromadzonej między chmurą a ziemią lub pomiędzy chmurami. Jest to idealne źródło prądu impulsowego. Jedno na dwa wyładowania ma amplitudę o wartości co najmniej 25 kA. W celu zapewnienia 95% ochrony od skutków wyładowań atmosferycznych należy wziąć pod uwagę prądy szczytowe do 100 kA, a dla 99% ochrony – prądy 200 kA. Z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej energia wyładowania atmosferycznego jest znaczna. Zakłócenie pochodzące z wyładowania atmosferycznego zakłóca pracę urządzeń przenikając przez wspólną impedancję (uziemienie) oraz przez napięcie indukowane w pętlach przewodów masy. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Czas narastania udaru prądowego jest krótki (ok. 1 µs przy stromości prądu i/t wynoszącej dla 95% udarów nie więcej niż 160 kA/µs). Przyjęcie do oceny zagrożenia z powodu stromości prądów 99% udarów, wymaga założenia i/t = 300 kA/µs. Niezależnie od impedancji uziemień, konieczne jest zapewnienie właściwej ochrony linii elektroenergetycznych i telekomunikacyjnych przez zastosowanie odgromników, które chronią układ bocznikując wpływający do niego prąd, gdy napięcie przekroczy zadany poziom ochronny. Ograniczenie skutków wyładowania wymaga prowadzenia odpowiednich połączeń wewnętrznych: tworzenia kratowych połączeń mas, czy też wykorzystania efektów redukcyjnych. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe Prądy przejściowe Spowodowane są załączeniem obciążenia, wygenerowanie krótkiego impulsu prądowego. któremu W przypadku impulsów symetrycznych, wpływają i przejściowo na przebieg napięcia zasilania. one towarzyszy nieznacznie Dla przykładu zapłon lampy fluorescencyjnej wywołuje impuls o wartości szczytowej przekraczającej 10 A. Głównym czynnikiem zakłócającym jest występowanie stromego czoła impulsu wnikające go do obwodu asymetrycznie (najczęściej amplituda jest stosunkowo niewielka: ok. kilku amperów). Szczególnie narażone na zakłócenia od prądów przejściowych są instalacje przemysłowe – kable różnego typu (energetyczne, komunikacyjne, itp.) prowadzone są wspólnymi trasami (korytka instalacyjne, listwy, itp.). Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz. przewodzone przejściowe W celu redukcji zakłóceń należy zachować właściwe odstępy pomiędzy kablami sygnalizacyjnymi i zasilającymi. W większości przypadków bezpieczną odległością jest 30 cm. Przepięcia wolne (przepalenie bezpieczników, załączanie dużych obciążeń pojemnościowych...), pojawiające się symetrycznie mogą doprowadzić do uszkodzenia obwodów zasilania. Przepięcia asymetryczne małej częstotliwości w układzie odseparowanym galwanicznie nie powinny zakłócać jego pracy. Zakłócenia m.cz., przejściowe, wnikające przez przewodzenie stanowią niebezpieczeństwo dla prawidłowo zaprojektowanego układu jedynie w sytuacji gdy posiadają bardzo dużą energię (np. wyładowania atmosferyczne). Można ograniczyć ich wpływ stosując środki ochrony przeciwprzepięciowej. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Zakłócenia małej częstotliwości przenikające przez sprzężenie elektromagnetyczne, podtrzymywane Dla zakresu małych częstotliwości poważniejsze konsekwencje może mieć jedynie występowanie sprzężenia dla pola magnetycznego zakłócającego obwód. Ekranowanie układu od pola magnetycznego przy częstotliwościach mniejszych niż 10 kHz, jest trudne. Obecność pól magnetycznych podtrzymywanych często może być stwierdzona przy użyciu podstawowych narzędzi: oscyloskopu (multimetru) i pętli przewodu (cewki powietrznej). Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Pole magnetyczne rozproszenia transformatorów Wartość szczytowa indukcji w żelazie transformatorów pracujących przy obciążeniu znamionowym często przekracza 1,5 T, co oznacza, że pracują one w stanie bliskim nasycenia, a natężenie pola magnetycznego w pobliżu transformatora może przekraczać 100 A/m. Natężenie pola magnetycznego małej częstotliwości wytwarzane przez źródło punktowe zanika wraz z odległością r zgodnie z prawem BiotaSavarta-Laplace’a (prawo B-S-L) gdzie: dl – nieskończenie mały element przewodnika z prądem dB – indukcję magnetyczną Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Sposobem na 5 10-krotne ograniczenie pola rozproszenia transformatora klasycznego W otoczeniu dużych transformatorów typu SN/nn oprócz pola magnetycznego rozpraszanego przez należy uwzględnić pole wytwarzane przez prądy w wyprowadzeniach uzwojenia niskiego napięcia. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Bardzo dobrym rozwiązaniem ograniczenia poziomu zakłóceń emitowanych przez transformator jest użycie transformatorów z rdzeniem toroidalnym Przy równomiernym rozłożeniu uzwojeń transformatora toroidalnego pole rozproszenia pozostaje we wnętrzu uzwojeń i strumień rozproszenia osiąga bardzo małe wartości. Pojemność pomiędzy uzwojeniami transformatorów toroidalnych jest znacznie większa niż transformatorów z uzwojeniami na oddzielnych, kolumnach rdzenia (pojedyncze nanofarady odniesione do kilkudziesięciu pikofaradów). Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Pola magnetyczne napowietrznych, linii elektroenergetycznych Przewody trakcyjne oraz linie napowietrzne wysokiego napięcia stanowią źródło pola magnetycznego. Elementem Pętlą promieniującą pole magnetyczne jest powierzchnia pomiędzy przewodem doprowadzającym i przewodem powrotnym (np. kolejowy przewód trakcyjny i szyna). Linie o napięciu 20 kV przewodzą najczęściej prąd o natężeniu 500 A, linie 63 kV przewodzą 1000 A, linie 400 kV – około 2000 A. W instalacjach przemysłowych w szynoprzewodach zbiorczych niskiego napięcia mogą wystąpić prądy przekraczające 10 kA. Pole magnetyczne wytwarzane przez symetryczną linię napowietrzną zanika odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości. Negatywnym efektem działania pól elektroenergetycznych jeśli indukowanie w pętlach urządzeń znajdujących się w pobliżu. magnetycznych linii napięć zakłócających Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Natężenie pola magnetycznego emitowanego przez linie elektroenergetyczne o napięciu 220 kV lub 400 kV na poziomie ziemi wynosi około 10 A/m i maleje do około 1 A/m w odległości stu metrów. W celu ograniczenia zakłóceń pochodzących od linii zasilających w przemysłowych sieciach rozdzielczych niskiego napięcia dąży się do zmniejsza powierzchni pętli emitującej pole magnetyczne poprzez zbliżenie do siebie kabli poszczególnych faz. Przy prądach sieci przekraczających 500 A stosuje się przewody fazowe wielokrotne, co pozwala ograniczyć się zjawisko naskórkowości prądu. W przypadku przepływu w wyniku zwarcia prądów większych niż 10 kA w przewodach znajdujących się blisko siebie indukowane są siły elektrodynamiczne mogące doprowadzić do nagłego odepchnięcia przewodów od siebie. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Prądy upływu do ziemi Urządzenia takie jak mikroskop elektronowy czy spektrograf masowy są niezwykle wrażliwe na pola magnetyczne małej częstotliwości i tolerują natężenia do 0,25 A/m. W ich przypadku najgroźniejszym źródłem pola magnetycznego jest pętla przewodu neutralnego instalacji, przez której dużą powierzchnię przepływa stosunkowo duży prąd. Prąd upływu płynący w przewodach masy można przyjąć na poziomie: • 1 A na 1 MVA zainstalowanej mocy dla pomieszczeń ogólnego przeznaczenia • 10 A na 1 MVA zainstalowanej mocy dla pomieszczeń komputerowych. Prąd upływu płynący w przewodach masy generuje pole magnetyczne, którego natężenie maleje proporcjonalnie do odległości. Wyeliminowanie jego wpływu poprzez zwiększenie odległości często okazuje się niewystarczające – należy stosować transformatory separujące. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Prądy upływu mogą różnicowoprądowych. powodować błędne działanie zabezpieczeń Problem prądów upływu staje się istotny z powodu prądów upływu zasilaczy z modulacją szerokości impulsów, które to prądy przy częstotliwościach przetwarzania znacznie przekraczają prądy upływu o częstotliwości sieciowej. Szpilki prądowe towarzyszące działaniu urządzeń informatycznych w chwili ich włączenia mogą osiągać wartość kilkunastu amperów i trwać do kilku ms. Do tego typu obciążeń stosuje się zabezpieczenia różnicowoprądowe krótkozwłoczne (często stosuje się zamiast nich zabezpieczenia o charakterystyce A). Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Układ sieci TN-C sprzyja emisji zakłóceń przenikających przez pole magnetyczne emitowane przez pętlę PEN. W celu ich ograniczenia stosuje się układ TN-S. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Układy odchylania kineskopów Układy magnetycznego odchylania wiązki elektronów w kineskopach, wykorzystujące cewki odchylające, generatory odchylania poziomego (linii) i pionowego (ramki) wytwarzają w swoim otoczeniu pole magnetyczneo częstotliwości od 15 do 80 kHz. Zakłócenia te mogą w łatwy sposób przenikać do bardziej wrażliwych obwodów o wysokiej impedancji, przenoszących sygnały niskoamplitudowe. Piece indukcyjne Cewki (wzbudniki, induktory) przemysłowych pieców indukcyjnych są źródłem bardzo silnego pola magnetycznego. Ich moc waha się w granicach 10 kW do 1 MW, a częstotliwość pola wynosi od kilkuset herców do kilkudziesięciu kiloherców, zależnie od głębokości nagrzewania. Tego typu piece stosowane są do nagrzewania materiałów przewodzących w celu obróbki powierzchni lub przetopu. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Sprzęt AGD Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, przejściowe Przejściowe zakłócenia małej częstotliwości wprowadzane przez promieniowanie Przejściowe pola magnetyczne małej częstotliwości stanowią źródło zakłóceń tylko w sytuacji, kiedy mają bardzo dużą amplitudę. Zwarcia W konsekwencji wystąpienia zwarcia w sieci zasilającej jest wiele zjawisk mogących prowadzić do zaburzenia pracy urządzeń: • chwilowe obniżenie napięcia zasilania, • przejściowy wzrost wartości natężenia pola magnetycznego spowodowany prądem zwarciowym, • pojawienie się przepięć o dużej energii (np. przepalenie się bezpiecznika topikowego). Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, przejściowe Prąd zwarciowy w sieci elektroenergetycznej jest 5 do 50 razy większy od prądu znamionowego In, przy czym 50-krotny wzrost obserwuje się jedynie w pobliżu transformatorów zasilających. W sieciach średniego napięcia prąd zwarciowy nie przekracza 25In (typowo 15In). Prąd zwarciowy praktycznie nigdy nie przekracza wartości 100 kA (nawet dla transformatorów dużej mocy, także ze względu na stosowane zabezpieczenia). Pole magnetyczne prądów zwarciowych może zaburzyć działanie jedynie wrażliwych obwodów przenoszących niskie poziomy sygnałów, których czas odpowiedzi jest krótszy niż kilka milisekund w przypadku niskiego napięcia i kilkadziesiąt milisekund - w przypadku średniego napięcia, tj. krótszy niż czas działania zabezpieczeń sieci. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, przejściowe Załączanie linii napowietrznych Rzadko występujące, jakkolwiek groźne zjawisko ponownego załączenia długiej linii przesyłowej wysokiego napięcia, którego efektem jest pojawienie się na jej otwartym końcu przepięcia, którego wartość może przekroczyć podwójną wartość napięcia znamionowego. W przypadku zwarcia na końcu linii, po jej załączeniu pojawia się okresowa, trójkątna fala prądu, wędrująca od zasilania do miejsca zwarcia i z powrotem. Czas trwania każdego przebiegu zależy od odległości pomiędzy punktami i może sięgać kilku milisekund. Efektem ubocznym załączenia jest indukowanie napięcia we wszystkich sąsiednich pętlach masy. W przypadku linii 20 kV, w niekorzystnych okolicznościach wartość szczytowa zaindukowanego napięcia może przekroczyć 1 kV i może doprowadzić do uszkodzenia urządzeń znajdujących się w odległości nawet kilkuset metrów. Kable narażone na zakłócenia pochodzące od zwarć w sąsiednich liniach, w szczególności kable przesyłające małe sygnały, powinny być separowane galwanicznie i dobrze zsymetryzowane. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, przejściowe Wyładowania atmosferyczne Oprócz zakłócania obwodów na skutek sprzężenia galwanicznego, negatywny wpływ na ich działanie ma pole magnetyczne wywołane przez prąd wyładowania atmosferycznego. W czasie wyładowania prąd o natężeniu kilkudziesięciu kiloamperów może narastać w czasie krótszym niż 1 µs. Pole magnetyczne zmniejsza się proporcjonalnie do odległości od przewodu, którym jest zjonizowane powietrze. Dla przykładu wartość szczytowa napięcia indukowanego przez udar piorunowy w pętli w odległości kilkuset metrów może wynieść 100 V na metr kwadratowy powierzchni pętli Napięcia indukowane w pętlach uziemień oraz przewodach masy mogą wynosić wiele kilowoltów i prowadzą do zaburzenia pracy lub zniszczenia urządzeń elektronicznych. Ze względu na częstość występowania, zjawisko indukowania się napięcia jest znacznie bardziej kłopotliwe niż zjawisko zakłóceń przewodzonych. Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz., sprzężenie EM, przejściowe Ochrona przed polami magnetycznymi pochodzącymi z wyładowań atmosferycznych polega na połączeniu mas urządzeń elektronicznych w strukturę kratową, a przewody prowadzić w taki sposób, aby uzyskać efekt redukcyjny. W praktyce pola magnetyczne małej częstotliwości zakłócają jedynie połączenia przewodowe, nieseparowane galwanicznie, asymetryczne i instalowane bez starań o ograniczenie sprzężeń. Pomiary przypadkowych impulsów magnetycznych, sporadycznie występujących zjawisk, wymagają rejestratorów automatycznych. jak każdych zastosowania
