Защо се нуждаем от промишлени превключватели с подобрена EMC?

Защо пакетите могат да бъдат загубени в LAN? Има различни опции: резервацията е неправилно конфигурирана, мрежата не може да се справи с натоварването или LAN е „бурна“. Но причината не винаги се крие в мрежовия слой.

Компанията Arktek LLC изработи автоматизирани системи за управление на процесите и системи за видеонаблюдение за мина Rasvumchorrsky на Apatit JSC на базата на Превключватели Phoenix Contact.

Имаше проблеми в една част от мрежата. Между превключватели FL SWITCH 3012E-2FX – 2891120 и FL SWITCH 3006T-2FX – 2891036 комуникационният канал беше изключително нестабилен.

Устройствата бяха свързани с меден кабел, положен в един канал към захранващ кабел 6 kV. Захранващият кабел създава силно електромагнитно поле, което причинява смущения. Конвенционалните индустриални превключватели нямат достатъчна устойчивост на шум, така че някои данни бяха загубени.

Когато превключвателите FL SWITCH 3012E-2FX са инсталирани в двата края – 2891120, връзката се стабилизира. Тези превключватели отговарят на IEC 61850-3. Освен всичко друго, част 3 от този стандарт описва изискванията за електромагнитна съвместимост (EMC) за устройства, които се инсталират в електрически централи и подстанции.

Защо превключвателите с подобрена EMC се представиха по-добре?

EMC - общи положения

Оказва се, че стабилността на предаването на данни в LAN се влияе не само от правилната конфигурация на оборудването и количеството прехвърлени данни. Изпуснати пакети или счупен превключвател могат да бъдат причинени от електромагнитни смущения: радио, което е било използвано близо до мрежово оборудване, захранващ кабел, положен наблизо, или превключвател на захранването, който е отворил веригата по време на късо съединение.

Радиото, кабелът и превключвателят са източници на електромагнитни смущения. Превключвателите за подобрена електромагнитна съвместимост (EMC) са проектирани да работят нормално, когато са изложени на тези смущения.

Има два вида електромагнитни смущения: индуктивни и кондуктивни.

Индуктивните смущения се предават чрез електромагнитното поле „през въздуха“. Тази интерференция се нарича още излъчена или излъчена интерференция.

Проведените смущения се предават чрез проводници: проводници, земя и др.

Индуктивни смущения възникват при излагане на мощно електромагнитно или магнитно поле. Кондуктивните смущения могат да бъдат причинени от превключващи токови вериги, удари от мълнии, импулси и др.

Превключвателите, както всяко оборудване, могат да бъдат засегнати както от индуктивен, така и от проводен шум.

Нека да разгледаме различните източници на смущения в индустриално съоръжение и какъв вид смущения създават.

Източници на смущения

Радиоизлъчващи устройства (уоки-токита, мобилни телефони, заваръчно оборудване, индукционни пещи и др.)
Всяко устройство излъчва електромагнитно поле. Това електромагнитно поле влияе на оборудването както индуктивно, така и проводящо.

Ако полето е генерирано достатъчно силно, то може да създаде ток в проводника, което ще наруши процеса на предаване на сигнала. Много силните смущения могат да доведат до изключване на оборудването. По този начин се появява индуктивен ефект.

Оперативният персонал и службите за сигурност използват мобилни телефони и уоки-токита, за да комуникират помежду си. В съоръженията работят стационарни радио и телевизионни предаватели, на мобилни инсталации са инсталирани Bluetooth и WiFi устройства.

Всички тези устройства са мощни генератори на електромагнитно поле. Следователно, за да работят нормално в индустриална среда, превключвателите трябва да могат да понасят електромагнитни смущения.

Електромагнитната среда се определя от силата на електромагнитното поле.

При тестване на превключвател за устойчивост на индуктивните ефекти на електромагнитните полета върху превключвателя се индуцира поле от 10 V/m. В този случай превключвателят трябва да е напълно функционален.

Всички проводници вътре в превключвателя, както и всички кабели, са пасивни приемни антени. Радиоизлъчващите устройства могат да причинят електромагнитни смущения в честотния диапазон от 150 Hz до 80 MHz. Електромагнитното поле индуцира напрежение в тези проводници. Тези напрежения на свой ред причиняват токове, които създават шум в превключвателя.

За да тествате превключвателя за устойчивост на електромагнитни смущения, се прилага напрежение към портовете за данни и захранващите портове. GOST R 51317.4.6-99 определя стойност на напрежението от 10 V за високо ниво на електромагнитно излъчване. В този случай превключвателят трябва да е напълно функционален.

Ток в захранващи кабели, електропроводи, заземителни вериги
Токът в захранващите кабели, електропроводите и заземителните вериги създава магнитно поле с индустриална честота (50 Hz). Излагането на магнитно поле създава ток в затворен проводник, което е смущение.

Магнитното поле на мощността се разделя на:

• магнитно поле с постоянен и относително нисък интензитет, причинено от токове при нормални работни условия;
• магнитно поле с относително висок интензитет, причинено от токове при аварийни условия, действащо за кратко време, докато устройствата се задействат.

При тестване на превключватели за стабилност на излагане на магнитно поле с мощностна честота, към него се прилага поле от 100 A/m за дълъг период от време и 1000 A/m за период от 3 s. При тестване превключвателите трябва да са напълно функционални.

За сравнение, конвенционалната домакинска микровълнова фурна създава сила на магнитното поле до 10 A/m.

Мълнии, аварийни състояния в електрически мрежи
Ударите от мълния също причиняват смущения в мрежовото оборудване. Те не траят дълго, но силата им може да достигне няколко хиляди волта. Такива смущения се наричат ​​импулсни.

Импулсният шум може да се приложи както към захранващите портове на комутатора, така и към портовете за данни. Поради високи стойности на пренапрежение, те могат както да нарушат функционирането на оборудването, така и напълно да го изгорят.

Удар от мълния е специален случай на импулсен шум. Може да се класифицира като високоенергиен микросекунден импулсен шум.

Ударът от мълния може да бъде от различни видове: удар от мълния във верига с външно напрежение, непряк удар, удар в земята.

Когато мълния удари верига с външно напрежение, възникват смущения поради протичането на голям разряден ток през външната верига и веригата за заземяване.

Непрякото попадение на мълния се счита за разряд на мълния между облаците. При такива удари се генерират електромагнитни полета. Те индуцират напрежение или ток в проводниците на електрическата система. Това е, което причинява смущения.

Когато мълния удари земята, през земята протича ток. Може да създаде потенциална разлика в системата за заземяване на автомобила.

Абсолютно същата намеса се създава при превключване на кондензаторни батерии. Такова превключване е преходен процес на превключване. Всички преходни процеси при превключване причиняват високоенергиен микросекунден импулсен шум.

Бързите промени в напрежението или тока, когато работят защитните устройства, също могат да доведат до микросекунден импулсен шум във вътрешните вериги.

За тестване на превключвателя за устойчивост на импулсен шум се използват специални генератори на тестови импулси. Например UCS 500N5. Този генератор доставя импулси с различни параметри към тестваните портове на комутатора. Параметрите на пулса зависят от проведените тестове. Те могат да се различават по форма на импулса, изходно съпротивление, напрежение и време на експозиция.

По време на микросекундни тестове за устойчивост на импулсен шум към захранващите портове се прилагат импулси от 2 kV. За портове за данни – 4 kV. По време на този тест се предполага, че операцията може да бъде прекъсната, но след като смущението изчезне, то ще се възстанови от само себе си.

Превключване на реактивни товари, "подскачане" на релейни контакти, превключване при изправяне на променлив ток
В електрическата система могат да възникнат различни комутационни процеси: прекъсвания на индуктивни товари, отваряне на релейни контакти и др.

Такива процеси на превключване също създават импулсен шум. Тяхната продължителност варира от една наносекунда до една микросекунда. Такъв импулсен шум се нарича наносекунден импулсен шум.

За извършване на тестове към превключвателите се изпращат импулси от наносекундни импулси. Импулсите се подават към портовете за захранване и портовете за данни.

Захранващите портове се захранват с 2 kV импулси, а портовете за данни се захранват с 4 kV импулси.
По време на наносекундно тестване на шума от взрив, превключвателите трябва да са напълно функционални.

Шум от индустриално електронно оборудване, филтри и кабели
Ако превключвателят е инсталиран близо до електроразпределителни системи или захранващо електронно оборудване, в тях може да се индуцират небалансирани напрежения. Такива смущения се наричат ​​електромагнитни смущения.

Основните източници на кондуктивни смущения са:

• електроразпределителни системи, включително DC и 50 Hz;
• силова електронна апаратура.

В зависимост от източника на смущения те се разделят на два вида:

• постоянно напрежение и напрежение с честота 50 Hz. Късите съединения и други смущения в разпределителните системи генерират смущения на основната честота;
• напрежение в честотната лента от 15 Hz до 150 kHz. Такива смущения обикновено се генерират от силови електронни системи.

За да се тестват превключвателите, портовете за захранване и данни се захранват със средноквадратично напрежение от 30 V непрекъснато и средноквадратично напрежение от 300 V за 1 s. Тези стойности на напрежението съответстват на най-високата степен на тежест на тестовете на GOST.

Оборудването трябва да издържа на такива влияния, ако е инсталирано в сурова електромагнитна среда. Характеризира се с:

• изпитваните устройства ще бъдат свързани към електрически мрежи ниско напрежение и линии средно напрежение;
• устройствата ще бъдат свързани към заземителната система на оборудване с високо напрежение;
• се използват силови преобразуватели, които инжектират значителни токове в заземителната система.

Подобни условия могат да бъдат намерени на гари или подстанции.

Изправяне на AC напрежение при зареждане на батерии
След коригиране изходното напрежение винаги пулсира. Тоест стойностите на напрежението се променят произволно или периодично.

Ако превключвателите се захранват от постоянно напрежение, големите вълни на напрежението могат да нарушат работата на устройствата.

Като правило, всички съвременни системи използват специални анти-алиасинг филтри и нивото на пулсации не е високо. Но ситуацията се променя, когато батериите са инсталирани в захранващата система. При зареждане на батериите пулсацията се увеличава.

Следователно трябва да се вземе предвид и възможността за такава намеса.

Заключение
Превключватели с подобрена електромагнитна съвместимост ви позволяват да прехвърляте данни в тежки електромагнитни среди. В примера с мината Rasvumchorr в началото на статията кабелът за данни беше изложен на мощно магнитно поле с индустриална честота и проведе смущения в честотната лента от 0 до 150 kHz. Конвенционалните индустриални комутатори не можеха да се справят с предаването на данни при такива условия и пакетите се губеха.

Превключвателите с подобрена електромагнитна съвместимост могат да работят напълно, когато са изложени на следните смущения:

• радиочестотни електромагнитни полета;
• магнитни полета с индустриална честота;
• наносекунден импулсен шум;
• високоенергиен микросекунден импулсен шум;
• проведени смущения, предизвикани от радиочестотно електромагнитно поле;
• проведени смущения в честотния диапазон от 0 до 150 kHz;
• Пулсации на постояннотоковото захранващо напрежение.

Източник: www.habr.com