EMCが改善された産業用スイッチがなぜ必要なのでしょうか?

LAN 上でパケットが失われるのはなぜですか? さまざまなオプションがあります。予約が正しく構成されていない、ネットワークが負荷に対応できない、または LAN が「嵐」であるなどです。 しかし、その理由は必ずしもネットワーク層にあるわけではありません。

Arktek LLC 社は、以下に基づいて、Apatit JSC の Rasvumchorrsky 鉱山向けの自動プロセス制御システムとビデオ監視システムを製造しました。 フエニックス・コンタクトのスイッチ.

ネットワークの一部に問題が発生しました。 FL SWITCH 3012E-2FX スイッチ間 – 2891120 および FL スイッチ 3006T-2FX – 2891036 通信チャネルが非常に不安定でした。

デバイスは、6 つのチャネルに敷設された銅ケーブルによって XNUMX kV の電力ケーブルに接続されました。 電源ケーブルは強力な電磁場を生成し、干渉を引き起こします。 従来の産業用スイッチはノイズ耐性が十分ではないため、一部のデータが失われていました。

FL SWITCH 3012E-2FXスイッチを両端に設置した場合 – 2891120, 接続が安定しました。 これらのスイッチは IEC 61850-3 に準拠しています。 この規格のパート 3 では、特に、発電所および変電所に設置されるデバイスの電磁適合性 (EMC) 要件について説明します。

EMC が改善されたスイッチのパフォーマンスが向上したのはなぜですか?

EMC - 一般規定

LAN 上のデータ伝送の安定性は、機器の正しい構成や転送されるデータ量だけではないことがわかりました。 パケットのドロップやスイッチの破損は、ネットワーク機器の近くで使用された無線機、近くに敷設された電源ケーブル、または短絡中に回路を開いた電源スイッチなどの電磁干渉によって発生する可能性があります。

無線、ケーブル、スイッチは電磁干渉の発生源です。 強化された電磁両立性 (EMC) スイッチは、この干渉にさらされても正常に動作するように設計されています。

電磁干渉には、誘導と伝導の XNUMX 種類があります。

誘導干渉は、電磁場を介して「空気を介して」伝わります。 この干渉は、放射または放射干渉とも呼ばれます。

伝導妨害は、電線やアースなどの導体を介して伝達されます。

誘導障害は、強力な電磁場または磁場にさらされると発生します。 伝導妨害は、スイッチング電流回路、落雷、パルスなどによって発生する可能性があります。

すべての機器と同様に、スイッチは誘導ノイズと伝導ノイズの両方の影響を受ける可能性があります。

産業施設におけるさまざまな干渉源と、それらがどのような種類の干渉を引き起こすかを見てみましょう。

干渉源

無線放射装置（トランシーバー、携帯電話、溶接装置、誘導炉など）
どのデバイスも電磁場を放射します。 この電磁場は、機器に誘導性と伝導性の両方で影響を与えます。

十分に強い磁界が生成されると、導体内に電流が発生し、信号伝送プロセスが中断される可能性があります。 非常に強い干渉が発生すると、機器がシャットダウンする可能性があります。 したがって、誘導効果が現れます。

運用担当者とセキュリティ サービスは、携帯電話とトランシーバーを使用して相互に通信します。 固定ラジオおよびテレビ送信機は施設で動作し、Bluetooth および WiFi デバイスは移動施設に設置されます。

これらのデバイスはすべて強力な電磁場発生器です。 したがって、産業環境で正常に動作するには、スイッチが電磁干渉に耐えることができなければなりません。

電磁環境は電磁場の強さによって決まります。

電磁場の誘導効果に対するスイッチの耐性をテストする場合、スイッチには 10 V/m の場が誘導されます。 この場合、スイッチは完全に機能している必要があります。

スイッチ内のすべての導体およびケーブルは、受動的な受信アンテナです。 無線放射装置は、150 Hz ～ 80 MHz の周波数範囲で伝導電磁妨害を引き起こす可能性があります。 電磁場はこれらの導体に電圧を誘導します。 これらの電圧により電流が発生し、スイッチ内にノイズが発生します。

スイッチの伝導 EMI 耐性をテストするには、データ ポートと電源ポートに電圧を印加します。 GOST R 51317.4.6-99 では、高レベルの電磁放射に対する電圧値を 10 V に設定しています。 この場合、スイッチは完全に機能している必要があります。

電源ケーブル、電力線、接地回路の電流
電力ケーブル、送電線、および接地回路内の電流は、工業用周波数 (50 Hz) の磁界を生成します。 磁場にさらされると、閉じた導体に電流が発生し、これが干渉です。

電力周波数磁場は次のように分類されます。

• 通常の動作条件下で電流によって生じる一定の比較的弱い強度の磁場。
• 緊急事態下で電流によって発生する比較的強度の高い磁場で、装置が作動するまで短時間作用します。

電源周波数の磁界にさらされたスイッチの安定性をテストする場合、100 A/m の磁界が長期間印加され、1000 A/m の磁界が 3 秒間印加されます。 テストすると、スイッチは完全に機能するはずです。

比較のために、従来の家庭用電子レンジは最大 10 A/m の磁界強度を生成します。

落雷、電気ネットワークの緊急事態
落雷もネットワーク機器に干渉を引き起こします。 それらは長くは続きませんが、その大きさは数千ボルトに達することがあります。 このような干渉はパルスと呼ばれます。

パルス ノイズは、スイッチの電源ポートとデータ ポートの両方に適用される可能性があります。 過電圧値が高いため、機器の機能が中断されたり、完全に焼損したりする可能性があります。

落雷はインパルス ノイズの特殊なケースです。 これは、高エネルギーのマイクロ秒パルス ノイズとして分類できます。

落雷には、外部電圧回路への落雷、間接的な落雷、地面への落雷など、さまざまな種類があります。

外部電圧回路に雷が落ちると、外部回路と接地回路に大きな放電電流が流れて障害が発生します。

間接落雷は雲と雲の間の雷放電と考えられています。 このような衝撃が起こると、電磁場が発生します。 これらは、電気システムの導体に電圧または電流を誘導します。 これが干渉の原因となります。

雷が地面に落ちると、地面に電流が流れます。 車両の接地システムに電位差が生じる可能性があります。

コンデンサバンクを切り替えると、まったく同じ干渉が発生します。 このようなスイッチングは、スイッチング過渡プロセスです。 すべてのスイッチング過渡現象は、高エネルギーのマイクロ秒のインパルス ノイズを引き起こします。

保護装置の動作時に電圧や電流が急激に変化すると、内部回路にマイクロ秒のパルスノイズが発生する可能性があります。

パルスノイズに対するスイッチの耐性をテストするには、特別なテストパルス発生器が使用されます。 たとえば、UCS 500N5。 このジェネレータは、テスト対象のスイッチ ポートにさまざまなパラメータのパルスを供給します。 パルスパラメータは実行されるテストによって異なります。 パルス形状、出力抵抗、電圧、露光時間が異なる場合があります。

マイクロ秒パルスノイズ耐性テスト中、2 kV パルスが電源ポートに印加されます。 データポートの場合 - 4 kV。 このテストでは動作が中断されることを想定していますが、中断がなくなると自然に回復します。

無効負荷のスイッチング、リレー接点の「バウンス」、交流整流時のスイッチング
電気システムでは、誘導負荷の遮断、リレー接点の開放など、さまざまなスイッチング プロセスが発生する可能性があります。

このようなスイッチングプロセスでもインパルスノイズが発生します。 持続時間は XNUMX ナノ秒から XNUMX マイクロ秒の範囲です。 このようなインパルスノイズをナノ秒インパルスノイズと呼びます。

テストを実行するには、ナノ秒パルスのバーストがスイッチに送信されます。 パルスはパワーポートとデータポートに供給されます。

パワーポートには 2 kV パルスが供給され、データポートには 4 kV パルスが供給されます。
ナノ秒バースト ノイズ テスト中、スイッチは完全に機能する必要があります。

産業用電子機器、フィルター、ケーブルからのノイズ
スイッチを配電システムやパワーエレクトロニクス機器の近くに設置すると、不平衡電圧がそれらに誘導される可能性があります。 このような干渉は伝導電磁干渉と呼ばれます。

伝導干渉の主な原因は次のとおりです。

• DC および 50 Hz を含む配電システム。
• パワーエレクトロニクス機器。

干渉源に応じて、次の XNUMX つのタイプに分類されます。

• 定電圧と周波数 50 Hz の電圧。 配電システムにおける短絡やその他の障害により、基本周波数で干渉が発生します。
• 15 Hz ～ 150 kHz の周波数帯域の電圧。 このような干渉は通常、パワー エレクトロニクス システムによって発生します。

スイッチをテストするには、電源ポートとデータ ポートに 30V の実効値電圧を連続的に供給し、300V の実効値電圧を 1 秒間供給します。 これらの電圧値は、GOST テストの最高の厳しさに対応します。

機器は、過酷な電磁環境に設置される場合、そのような影響に耐える必要があります。 特徴は次のとおりです。

• テスト対象のデバイスは低電圧の電気ネットワークと中電圧の送電線に接続されます。
• デバイスは高電圧機器の接地システムに接続されます。
• 接地システムに大量の電流を注入する電力変換器が使用されます。

駅や変電所でも同様の状況が見られます。

バッテリー充電時のAC電圧整流
整流後の出力電圧は常に脈動します。 つまり、電圧値はランダムまたは周期的に変化します。

スイッチが DC 電圧で駆動されている場合、大きな電圧リップルによりデバイスの動作が中断される可能性があります。

原則として、最新のシステムはすべて特別なアンチエイリアシング フィルターを使用しており、リップルのレベルは高くありません。 しかし、電源システムにバッテリーが取り付けられると状況は変わります。 バッテリーを充電するとリップルが増加します。

したがって、そのような干渉の可能性も考慮する必要があります。

まとめ
電磁両立性が向上したスイッチにより、過酷な電磁環境でもデータを転送できます。 記事の冒頭にある Rasvumchorr 鉱山の例では、データ ケーブルが強力な工業用周波数磁場にさらされ、0 ～ 150 kHz の周波数帯域で干渉を引き起こしました。 従来の産業用スイッチは、このような状況下でのデータ送信に対応できず、パケットが失われていました。

電磁適合性が向上したスイッチは、次のような干渉にさらされても完全に動作できます。

• 高周波電磁場。
• 工業用周波数磁場。
• ナノ秒のインパルスノイズ。
• 高エネルギーのマイクロ秒パルスノイズ。
• 高周波電磁場によって引き起こされる伝導干渉。
• 0 ～ 150 kHz の周波数範囲で伝導妨害。
• DC電源電圧リップル。

出所： habr.com