Miks vajame täiustatud EMC-ga tööstuslikke lüliteid?

Mis põhjustab pakettide kadu kohtvõrgus? Sellel võib olla mitmeid põhjuseid: valesti konfigureeritud koondamine, võrgu mittetulundus koormusega toimetulekuks või kohtvõrgus on torm. Kuid põhjus ei ole alati võrgu tasandil.

Ettevõte "Arktek" LLC valmistas AS-i "Apatit" Rasvumtšorri kaevandusele automatiseeritud protsessijuhtimissüsteemi ja videovalvesüsteemid, mis põhinevad Phoenix Contacti lülitid.

Probleemid tekkisid võrgu ühes osas. FL SWITCH 3012E-2FX lülitite vahel – 2891120 ja FL SWITCH 3006T-2FX – 2891036 Sidekanal oli äärmiselt ebastabiilne.

Seadmed olid ühendatud vaskkaabliga, mis oli paigaldatud samasse kanalisse kui 6 kV toitekaabel. Toitekaabel tekitab võimsa elektromagnetvälja, mis põhjustas häireid. Tavalistel tööstuslülititel puudub piisav mürakindlus, mis põhjustab mõningast andmekadu.

Kui FL SWITCH 3012E-2FX lülitid paigaldati mõlemasse otsa – 2891120, ühendus on stabiliseerunud. Need lülitid vastavad standardile IEC 61850-3. Muuhulgas kirjeldab selle standardi 3. osa elektrijaamadesse ja alajaamadesse paigaldatud seadmete elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) nõudeid.

Miks toimisid parendatud elektromagnetilise ühilduvusega lülitid paremini?

EMS – üldsätted

Selgub, et andmeedastuse stabiilsust kohtvõrgus ei mõjuta ainult seadmete õige konfiguratsioon ja edastatavate andmete hulk. Pakettide katkemist või kahjustatud kommutaatorit võivad põhjustada ka elektromagnetilised häired: võrguseadmete lähedal kasutatav raadio, läheduses paigaldatud toitekaabel või lühise ajal rakenduv kaitselüliti.

Raadio, kaabel ja lüliti on elektromagnetiliste häirete allikad. Parema elektromagnetilise ühilduvusega lülitid on loodud normaalselt töötama ka nende häirete korral.

Elektromagnetilisi häireid on kahte tüüpi: induktiivsed ja juhtivad.

Induktiivsed häired kanduvad elektromagnetvälja kaudu "läbi õhu". Seda häiret nimetatakse ka kiirguvaks või kiirguvaks.

Juhtiv interferents kandub edasi juhtide kaudu: juhtmed, maandus jne.

Induktiivne interferents tekib tugeva elektromagnetilise või magnetvälja mõjul. Juhtiv interferents võib tekkida vooluahelate lülitamise, välgulöökide, impulsside jms tõttu.

Nagu kõiki seadmeid, võivad ka lüliteid mõjutada nii induktiivsed kui ka juhtivad häired.

Vaatleme erinevaid häirete allikaid tööstusrajatises ja milliseid häireid need tekitavad.

Häirete allikad

Raadiokiirgust kiirgavad seadmed (raadiosaatjad, mobiiltelefonid, keevitusseadmed, induktsioonahjud jne)
Iga seade kiirgab elektromagnetvälja. See elektromagnetväli mõjutab seadmeid nii induktiivselt kui ka juhtivalt.

Kui tekitatud väli on piisavalt tugev, võib see juhis voolu esile kutsuda, mis häirib signaali edastamist. Väga tugev interferents võib isegi põhjustada seadmete seiskumise. Seda nimetatakse induktiivseks interferentsiks.

Operatiivpersonal ja turvateenistused kasutavad omavahel suhtlemiseks mobiiltelefone ja raadiosaatjaid. Rajatistes on paigaldatud statsionaarsed raadio- ja televisioonisaatjad ning mobiilsetele paigaldistele Bluetooth- ja WiFi-seadmed.

Kõik need seadmed on võimsad elektromagnetvälja generaatorid. Seetõttu peavad lülitid tööstuskeskkonnas nõuetekohaseks toimimiseks taluma elektromagnetilisi häireid.

Elektromagnetilise keskkonna määrab elektromagnetvälja tugevus.

Lüliti induktiivsete elektromagnetväljade vastupidavuse testimisel indutseeritakse lülitile väljatugevus 10 V/m. Lüliti peaks nendes tingimustes täielikult toimima.

Kõik lüliti sees olevad juhid ja kõik kaablid toimivad passiivsete vastuvõtuantennidena. Raadiokiirgust kiirgavad seadmed võivad tekitada juhtivuslikke elektromagnetilisi häireid sagedusvahemikus 150 Hz kuni 80 MHz. Elektromagnetväli indutseerib nendes juhtides pingeid. Need pinged omakorda põhjustavad voolusid, mis tekitavad lülitis häireid.

Lüliti vastupidavuse testimiseks juhtivuslikele elektromagnetilistele häiretele rakendatakse andme- ja toiteportidele pinget. GOST R 51317.4.6-99 määrab kõrge elektromagnetkiirguse taseme korral pingeks 10 V. Lüliti peaks selle testi ajal jääma täielikult töökorras.

Vool toitekaablites, elektriliinides, maandusahelates
Toitekaablites, -liinides ja maandusahelates kulgev vool tekitab tööstusliku sagedusega (50 Hz) magnetvälja. Magnetväli indutseerib suletud juhis voolu, mis on interferents.

Tööstusliku sagedusega magnetväli jaguneb järgmiselt:

• tavapäraste töötingimuste korral voolude poolt tekitatud konstantse ja suhteliselt madala intensiivsusega magnetväli;
• suhteliselt suure intensiivsusega magnetväli, mille tekitavad avariiolukorras voolud ja mis toimivad lühidalt enne seadmete käivitumist.

Lülitite tööstussageduslike magnetväljade taluvuse testimisel rakendatakse neile pikka aega 100 A/m ja 3 sekundi jooksul 1000 A/m väljatugevust. Testimise ajal peavad lülitid täielikult töötama.

Võrdluseks, tüüpiline kodumajapidamises kasutatav mikrolaineahi tekitab magnetvälja tugevuse kuni 10 A/m.

Pikselöögid, avariiolukorrad elektrivõrkudes
Pikselöögid põhjustavad võrguseadmetes samuti häireid. Need häired on lühiajalised, kuid nende tugevus võib ulatuda mitme tuhande voldini. Neid häireid nimetatakse impulsshäireteks.

Impulssinterferentsi saab rakendada nii lüliti toite- kui ka andmeportidele. Kõrgete pingetõusude tõttu võivad need seadmete tööd häirida või need isegi täielikult hävitada.

Pikselöök on impulssinterferentsi erijuhtum. Seda võib liigitada suure energiaga mikrosekundilise impulssinterferentsiks.

Pikselöögid võivad olla erinevat tüüpi: välgulöök välispingeahelasse, kaudsed välgulöögid ja löögid maasse.

Kui välk lööb välise pingeahela, tekivad häired suure tühjendusvoolu voolamise tõttu läbi välise vooluahela ja maandusahela.

Kaudne välgulöök on pilvede vahel toimuv välgulöök. Sellised löögid tekitavad elektromagnetvälju. Need väljad indutseerivad elektrisüsteemi juhtides pingeid või voolusid, põhjustades häireid.

Kui välk lööb maapinda, voolab läbi maa vool. See vool võib tekitada sõiduki maandussüsteemis potentsiaalide erinevuse.

Kondensaatorpatareide lülitamine tekitab täpselt sama interferentsi. See lülitamine on lülitustransient. Kõik lülitustransientid põhjustavad suure energiaga mikrosekundilisi impulssinterferentsi.

Kaitseseadmete käivitumisel tekkivad pinge või voolu kiired muutused võivad sisemistes vooluahelates põhjustada ka mikrosekundilise impulssmüra teket.

Lüliti impulssmüra immuunsuse testimiseks kasutatakse spetsiaalseid impulssgeneraatoreid. Näiteks UCS 500N5. See generaator edastab testitavatele lüliti portidele erinevate parameetritega impulsse. Impulsi parameetrid sõltuvad teostatavatest testidest. Need võivad erineda impulsi kuju, väljundtakistuse, pinge ja säriaja poolest.

Mööduva pinge taluvuse testimisel rakendatakse toiteportidele 2 kV pingetõusu ja andmeportidele 4 kV pingetõusu. See test eeldab, et töö võib katkeda, kuid taastub automaatselt pärast pingetõusu kadumist.

Reaktiivkoormuste lülitamine, relee kontaktide põrge, lülitamine vahelduvvoolu alaldamise ajal
Elektrisüsteemis võivad toimuda mitmesugused lülitusprotsessid: induktiivkoormuste katkestused, releekontaktide avanemine jne.

Need lülitusprotsessid tekitavad ka impulssmüra. Nende kestus ulatub ühest nanosekundist ühe mikrosekundini. Sellist impulssmüra nimetatakse nanosekundiliseks impulssmüraks.

Testide läbiviimiseks rakendatakse lülititele nanosekundilisi impulsspurskeid. Impulsid rakendatakse toite- ja andmeportidele.

Toiteporte varustatakse 2 kV impulssidega ja andmeporte 4 kV impulssidega.
Nanosekundiliste impulsside interferentsi testide ajal peavad lülitid täielikult toimima.

Tööstuslike elektroonikaseadmete, filtrite ja kaablite häired
Kui lüliti paigaldatakse jaotussüsteemide või jõuelektroonikaseadmete lähedusse, võib tekkida tasakaalustamata pinge. Sellist häiret nimetatakse juhtivuslikuks elektromagnetiliseks häireks.

Juhtivate häirete peamised allikad on:

• elektrijaotussüsteemid, sealhulgas alalisvool ja 50 Hz sagedus;
• võimsuselektroonikaseadmed.

Sõltuvalt allikast jagunevad häired kahte tüüpi:

• Alalispinge ja 50 Hz pinge. Lühised ja muud jaotussüsteemide häired tekitavad häireid põhisagedusel;
• pinge sagedusvahemikus 15 Hz kuni 150 kHz. Selliseid häireid tekitavad tavaliselt jõuelektroonikaseadmed.

Lülitite testimiseks rakendatakse toite- ja andmeportidele konstantset 30 V RMS-pinget ja 1 sekundi jooksul 300 V RMS-pinget. Need pingeväärtused vastavad GOST-i testimise rangusastmele.

Seade peab sellistele mõjudele vastu pidama, kui see paigaldatakse karmi elektromagnetilisse keskkonda. Seda keskkonda iseloomustavad:

• Testitavad seadmed ühendatakse madalpinge elektrivõrkude ja keskpingeliinidega;
• seadmed ühendatakse kõrgepingeseadmete maandussüsteemiga;
• Kasutatakse võimsusmuundureid, mis süstivad maandussüsteemi märkimisväärset voolu.

Sarnaseid tingimusi võib leida jaamades või alajaamades.

Vahelduvpinge alaldamine akude laadimisel
Pärast alaldamist pulseerib väljundpinge alati. See tähendab, et pinge väärtused kõiguvad juhuslikult või perioodiliselt.

Kui lülitid saavad toidet alalispingest, võivad suured pingepulsatsioonid seadmete tööd häirida.

Tavaliselt kasutavad kõik tänapäevased süsteemid spetsiaalseid silumisfiltreid ja pulsatsioonitase on madal. Olukord muutub aga siis, kui toitesüsteemi paigaldatakse akud. Akude laadimise ajal pulsatsioonitase suureneb.

Seetõttu on vaja arvestada ka sellise sekkumise võimalusega.

Järeldus
Täiustatud elektromagnetilise ühilduvusega lülitid võimaldavad andmeedastust karmides elektromagnetilistes keskkondades. Selle artikli alguses toodud Rasvumchorri kaevanduse näites puutus andmesidekaabel kokku võimsa tööstussagedusliku magnetväljaga ja see põhjustas häireid sagedusvahemikus 0–150 kHz. Tavapärased tööstuslülitid ei suutnud sellistes tingimustes andmeedastusega toime tulla ja paketid läksid kaduma.

Täiustatud elektromagnetilise ühilduvusega lülitid saavad täielikult töötada järgmiste häirete korral:

• raadiosageduslikud elektromagnetväljad;
• tööstusliku sagedusega magnetväljad;
• nanosekundilise impulsi interferents;
• suure energiaga mikrosekundilised impulsside interferentsid;
• raadiosagedusliku elektromagnetvälja poolt esile kutsutud juhtivushäired;
• läbiviidud häired sagedusalas 0 kuni 150 kHz;
• Alalisvoolu toitepinge pulsatsioon.

Allikas: www.habr.com