Evaluation of pulse interference on a cable during indirect electrostatic discharge

Толық мәтін

ОЦЕНКА ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ НА КАБЕЛЕ ПРИ КОСВЕННОМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ

Введение

Технические средства (ТС) различного назначения, в том числе, поставляемые на суда и промышленные предприятия, должны быть устойчивы в электростатическому разряду (ЭСР) со стандартными параметрами. Методика проведения испытаний на воздействие ЭСР приведена в базовом стандарте ГОСТ 30804.4.2-2013 (IEC 61000-4-2) [1]. При испытаниях проводятся прямые разряды в корпус оборудования и косвенные разряды в рядом расположенные металлические листы, имитирующие соседнее оборудование, в которое может произойти разряд в ходе эксплуатации. Используется испытательное напряжение 8 кВ для судового и промышленного оборудования, 15 кВ для оборудования электростанций и атомных станций, есть требования испытаний напряжением до 25 кВ. Ток стандартного разряда имеет время нарастания (фронт) менее 1 нс, длительность в десятки наносекунд и амплитуду в десятки ампер. Параметры напряжения, появляющегося на ТС при испытаниях стандартным разрядом заданного напряжения, не регламентируются и зависят от его габаритов, расположения относительно земли, параметров цепи заземления. При прямом разряде на металлический корпус ТС на нем может появиться в зависимости от испытательного воздействия импульсное напряжение от 1 до 20 кВ с фронтом от единиц до сотен наносекунд с длительностью, в основном определяемой цепью заземления. Эта длительность может принимать значение от десятков наносекунд до миллисекунд. С увеличением габаритов оборудования растет его емкость относительно земли, что приводит к увеличению длительности фронта и уменьшению амплитуды импульса напряжения. При уменьшении сопротивления и индуктивности заземления уменьшается амплитуда и длительность импульсного напряжения. Ток разряда и напряжение на корпусе приводит к появлению наведенных импульсов в цепях, расположенных внутри корпуса, что вызывает сбои в работе ТС. Возможные параметры напряжения на корпусе при различных условиях и его влияние на работу оборудования рассмотрены в [2, 3, 4]. Косвенный разряд создает импульсное электромагнитное поле, которое воздействует на ТС не только через корпус, но и через подключенные к ТС кабели. Целью настоящей работы является оценка амплитуды импульсных помех, возникающих на кабелях, проложенных вблизи от корпуса оборудования, на которое воздействует электростатический разряд.

Возникновение импульсных помех на кабелях при электростатическом разряде на соседнее оборудование

Источник электростатического разряда И (заряженный статическим электричеством человек, а при испытаниях – генератор ЭСР, содержащий заряжаемый от источника высокого напряжения накопительный конденсатор) разряжается на оборудование О через воздушный промежуток между электродом Э и оборудованием (рис. 1). Электрод Э имитирует палец человека. В результате на корпусе оборудования возникает импульсное напряжение u₁ c параметрами, описанными в [2, 3, 4]. Электрическое поле, создаваемое корпусом, находящимся под напряжением, наводит напряжение u₂ на кабеле-рецепторе.

Рис. 1 – Схема, поясняющая возникновение импульсного напряжения на оборудовании и кабеле.

Влияние электрического поля может быть описано как воздействие напряжения u₁ на кабель через емкость связи С между корпусом оборудования О и кабелем (рис.2) [5]. Длительность фронта напряжения меньше времени распространения волны напряжения по кабелям судовой длины, что требует рассмотрения кабеля как длинной линии с распределенными параметрами. Волновое сопротивление кабеля Z для распространения несимметричных помех (проводник- земля) зависит от высоты прокладки кабеля над землей (корпусом судна), размеров проводников, свойствами изоляционного материала и может быть определено расчетным путем по формулам, приведенным в [5], или измерено экспериментально с помощью измерителя неоднородностей линии (импульсного рефлектометра). Эквивалентная схема реального испытательного генератора ГИ описана в [2]. На данном этапе оценки амплитуды напряжения на кабеле используем упрощенную схему (рис. 2б), где реальный источник ЭСР эквивалентируется идеальным источником ЭДС е биэкспоненциальной формы и активным сопротивлением R1.

      

а)                                                                                                    б)

Рис. 2 – Схема расчета напряжения на кабеле при воздействии косвенного ЭСР.:

а) расположение элементов, б) упрощенная схема замещения.

Изменение ЭДС во времени может быть описано формулой:

,                  (1)

где τ1 – постоянная времени нарастания, τ2 – постоянная времени спада формируемого импульса напряжения. При отсутствии кабеля-нагрузки Z напряжение u₁ совпадает с ЭДС е, а амплитуда импульсного напряжения u₁ равна:

,

где  .

При наличии конденсатора и кабеля амплитуда напряжения u₁ уменьшается, но превышает значение .

В соответствии со стандартами по электромагнитной совместимости, например в IEC 61000-4-4, время нарастания (длительность фронта) импульсов напряжения определяется на уровнях 10-90% от амплитуды, а длительность определяется на уровне 50% от амплитуды. Для получения длительности фронта 5 нс, длительности импульса 50 нс и единичной амплитуды Um=1 следует положить E=1,261, τ1=3,3∙10^-9 с, τ2=56∙10^-9 с

Появившийся на кабеле импульс напряжения начинает распространяться по кабелю, отражается и преломляется в точках изменения волнового сопротивления, в чего результате формируется изменение напряжения в интересующих разработчика ТС точках, в частности, на информационном входе ТС. В тему данной работы не входит рассмотрение эффектов распространения импульсных напряжений в кабельной сети, а ставится задача прогнозирования амплитуды напряжения в точке возникновения.

Напряжение на кабеле до прихода отраженных волн изменяется по закону:

,               (2)

где T=C∙(R1+Z).

Результат расчетов параметров импульсных напряжений, возникающих на кабеле при косвенном электростатическом разряде

Расчеты изменения напряжения в начале кабеля, выполняемые по формуле (2) с помощью обычных математических пакетов при широкой вариации исходных данных, позволяют получить зависимости параметров импульса от различных условий.

Влияние емкости связи С и длительности фронта t_Ф, создаваемого источником помех, на форму напряжения на кабеле может быть продемонстрировано графиками на рис. 3. Напряжение u₁ создается в схеме на рис. 2б при воздействии ЭДС e, описываемой формулой (1) длительностью 1 мкс при Е=1. Длительности фронта взяты минимально возможной величины 5; 10; 20; 30 нс при длительности импульса 1 мкс. С уменьшением фронта амплитуда напряжения u₂ на кабеле с волновым сопротивлением Z растет и превышает 80% от амплитуды напряжения на соседнем оборудовании при емкости связи между этим оборудованием и кабелем 100 пФ и длительности фронта 5 нс (рис. 4).

             

а)                                                                                 б)

               

в)                                                                                 г)

Рис. 3 – Изменение напряжения на выходе генератора u₁ длительностью t_И=1 мкс с разной длительностью фронта  t_Ф и создаваемое им изменение напряжения на кабеле u₂ при R1=10 Ом, Z=283 Ом, Е=1, различных емкостях связи С= 20; 33: 50; 100 пФ для следующих длительностей фронта: а) t_Ф=5 нс, б) t_Ф=10 нс, в) t_Ф=20 нс, г) t_Ф=30 нс

При емкости связи 20 пФ можно ожидать на кабеле амплитуды импульсного напряжения до 50% от напряжения на оборудовании. Короткие фронты тока и напряжения при ЭСР дают значительно более высокие значения наведенного напряжения по сравнению с импульсными помехами с микросекундными длительностями фронта. В последнем случае наведенное напряжение определяются отношением u₂/u₁=С/(С+С2) [5], где С2 – полная емкость кабеля относительно земли, которая во много раз больше емкости С.

         

Рис. 4 – Зависимости амплитуды напряжения на кабеле Um2 по отношению к амплитуде Um1 на входе цепи при t_И=1 мкс, R1=10 Ом, Z=283 Ом: а) от емкости связи С при указанных длительностях фронта, б) от длительности фронта при С=33 пФ.

Расчеты по формуле (2) с одновременным анализом длительности на уровне 50% и фронта на уровне 10-90 % импульса напряжения на кабеле позволяют определить зависимости длительности t_И и фронта t_Ф от емкости конденсатора связи С (рис. 5). Важным для оценки влияние наведенного импульсного напряжения на цифровую технику является факт, что длительность фронта этого импульса меньше фронта исходного импульса на оборудовании (рис. 5б). Более короткий фронт помехи вызывает сбои в работе ТС с большей вероятностью, т.к. создает большие наведенные напряжения в цепях микросхем ТС.

      

Рис. 5 – Зависимость длительности t_И и фронта t_Ф импульса напряжения на кабеле от емкости связи С при подаче на вход цепи импульса напряжения длительностью t_И=1 мкс с фронтами 5, 10, 20, 30 нс при R1=10 Ом, Z=283 Ом

Результаты применения моделирующей SPICE-программы для получения графиков изменения напряжений во времени (рис. 6) в той же схеме на рис.2б показывает хорошее совпадение с результатами расчетов на рис.3. Но применение обычных математических пакетов для расчетов по приведенным аналитическим выражениям дает возможность построения требуемых зависимостей параметров помех от самых различных исходных условий.

Рис.6 – Изменения напряжения на выходе генератора u₁ длительностью 1 мкс и напряжения на кабеле u₂ при С=33 пФ, R1=10 Ом, R2=283 Ом, Е=1 и указанных значениях длительности фронта, полученные моделированием SPICE-программой.

При уменьшении длины заземления оборудования, в которое производится ЭСР, уменьшается длительность импульса напряжения на оборудовании вплоть до десятков наносекунд. Для оценки влияния емкости связи С и величины волнового сопротивления кабеля Z на параметры формируемого импульса напряжения на кабеле и для этого случая проведены расчеты при фронте импульсного напряжения 5 нс и длительности 50 нс, что соответствует временным параметрам импульсного напряжения по ГОСТ IEC 61000-4-4 [6]. Полученные графики (рис. 7, 8) пригодны и для оценки локального воздействия наносекундных импульсных помех на кабель. Результаты расчетов показывают, что возникающие на кабеле импульсные напряжения при косвенном электростатическом разряде или появлении на соседнем оборудовании наносекундных импульсных помех могут иметь амплитуды уровня киловольт при длительности фронта от 5 нс и длительности импульса в десятки наносекунд, что делает их одним из самых значимых факторов при оценки помехоустойчивости технических средств при проведении работ по обеспечению электромагнитной совместимости.

              

 а)                                                                             б)

Рис.7 – Форма импульсного напряжения u₁ генератора ИПП-4000 (верхняя кривая) и напряжения u₂ на кабеле (нижние кривые) при Um1=1 для емкостей связи С, изменяющихся с шагом 25 пФ от 25 пФ до 200 пФ: а) Z=283 Ом,  б) Z=350 Ом

           

 

а)                                                                        б)

Рис. 8 – Зависимости относительной амплитуды Um2/Um1, длительности t_И  и фронта t_Ф импульсного напряжения на кабеле u₂ от емкости связи С при подаче на вход цепи импульса напряжения длительностью 50 нс с фронтом 5 нс, R1=50 Ом, R2=283 Ом.

Импульсные напряжения на соседнем оборудовании, подвергаемому воздействию ЭСР при длительности 50 нс и фронте 5 нс способны вызвать наведенное напряжение на кабеле более 60 % по отношению к напряжению на оборудовании при емкости связи более 25 нс.

Экспериментальное исследования напряжений, вызываемых на кабеле косвенным электростатическим разрядом

Для оценки адекватности рассмотренной математической модели расчета импульсных напряжений на кабеле при косвенном ЭСР произведены многочисленные натурные эксперименты. В качестве генераторов импульсов использовались имитаторы ЭСР, соответствующие требованиям [1] и способные создавать воздушные разряды до 20 кВ, а также экспериментальный генератор с напряжением до 50 кВ [4]. Параметры импульса напряжения при возникновении каждого конкретного воздушного разряда существенно различаются даже при неизменном напряжении генератора и расстоянии между электродами, т.к. формирование разряда в воздухе носит случайный характер. Поэтому при использовании воздушного разряда требует статистическая обработка результатов измерений [2]. Более фиксированные характеристики импульсов дает имитатор пачек помех ИПП-4000, т.к. в нем используется управляемый газовый разрядник с более стабильным формирования разряда. Этот тип генератора используется для испытаний по IEC 61000-4-4 и создает импульсные напряжения до 4 кВ+10%  длительностью 50 нс+30% с фронтом 5 нс+30% [5, 6]. Примеры осциллограмм напряжения u₁, подаваемого от генератора ИПП-4000 через конденсатор на конкретный провод и напряжения u₂ на проводе относительно земли приведены на рис. 9. Характер кривых близок к кривым на рис. 7, но есть и отличия, обусловленные наличием индуктивности в разрядной цепи, не учитываемой схемой на рис. 2. Наблюдается такой же как в расчете рост амплитуды напряжения на кабеле (проводе) при увеличении емкости конденсатора связи С. С ростом высоты прокладки провода растет волновое сопротивление Z и несколько увеличивается амплитуда напряжения, что также соответствует расчету. На осциллограммах заметна некоторая нестабильность длительности фронта импульсного напряжения, создаваемого генератором, но она соответствует требованиям стандарта и значительно меньше, чем при использовании воздушного разряда.

 

    

а)                                                                                   б)

   

в)                                                                                   г)

Рис. 9 – Осциллограммы напряжения u₁, создаваемого генератором ИПП-4000 на входе цепи, и напряжения u₂ на проводе сечением 2,5 мм², проложенного по полу лаборатории:

а) С=20 пФ, б) С=50 пФ, в) С=33 пФ г) С=33 пФ (при прокладке провода на высоте 45 см над полом).

Для приближения к реальной ситуации разряда на соседнее оборудование в качестве физической модели оборудования использован инжектор – металлическая трубка определенной длины и диаметра, надеваемая на кабель-рецептор (рис. 10).

Рис. 10 – Схема лабораторной установки при вводе импульсного напряжения через устройство связи – инжектор.

Примеры осциллограмм напряжения на инжекторе u₁ и напряжения u₂ на проводе даны на рис. 11. С ростом длины инжектора растет емкость между инжектором и проводом, что приводит к увеличению амплитуды наведенного напряжения. Но одновременно с этим растет емкость инжектора (физической модели оборудования) относительно земли, что увеличивает длительность фронта импульса напряжения.

     

Рис. 11 - Осциллограмма напряжения u₁, создаваемого генератором ИПП-4000 на инжекторе, и напряжения u₂ на проводе сечением 2,5 мм², проложенного по полу лаборатории:

а) инжектор диаметром 47 мм длиной 0,5 м, б) инжектор диаметром 47 мм длиной 1 м.

Сравнение результатов расчета амплитуды импульсного напряжения с результатами экспериментов для случаев воздействия импульсного напряжения через конденсатор связи разной емкости приведено на рис. 12.

    

а)                                                                                 б)

Рис. 12  – Зависимости амплитуды импульсного напряжения на проводе сечением 2,5 мм², длиной 37 м от емкости конденсатора связи С (сплошная линия - расчет, синие круги - экспериментальные значения) при вводе импульсной помехи на провод относительно земли от генератора ИПП-4000:  а) прокладка провода по полу (волновое сопротивление 283 Ом), б) прокладка на высоте 45 см (волновое сопротивление 350 Ом).

Величина относительного отклонения результатов измерения и расчета амплитуды импульсного напряжения на проводе, возникающего при воздействии импульсного напряжения длительностью 50 нс с фронтом 5 нс через конденсатор емкостью от 20 до 100 пФ, не превышает 10%.

Выводы

Импульсные помехи, возникающие на кабелях при электростатическом разряде, способны вызвать сбои в работе различных технических средств. Приведенные аналитические выражения для расчета наведенного напряжения, результаты расчета при широкой вариации исходных данных рекомендуются к использованию при прогнозировании возможных уровней помех при косвенном электростатическом разряде. Сравнение с результатами моделирования SPICE-программой и измерениями в ходе натурных экспериментов подтверждает адекватность математической модели. Полученные зависимости амплитуды, длительности фронта, длительности наведенного напряжения на кабеле от емкости связи и длительности фронта напряжения на оборудовании пригодны для оперативной оценки ожидаемых параметров импульсных помех на кабелях при проведении работ по обеспечению электромагнитной совместимости. 

Авторлар туралы

Alexander Worshevsky

Saint-Petersburg State Marine Technical University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: elemcom@rambler.ru
SPIN-код: 6357-8486

D.Sc. (eng), Associate Professor, Head of the Department of Electrical Engineering and Electrical Equipment of Ships

Ресей, Lotsmanskaya, 3, St. Petersburg, 190121, Russian Federation

Petr Vorshevskii

Saint-Petersburg State Marine Technical University

Email: elemcom@smtu.ru

Ph. doctor (eng), Associate Professor, Department of Electrical Engineering and Electrical Equipment of Ships

Ресей, Lotsmanskaya, 3, St. Petersburg, 190121, Russian Federation

Mihail Zadorozhny

Saint-Petersburg State Marine Technical University

Email: elemcom@smtu.ru

Student

Lotsmanskaya, 3, St. Petersburg, 190121, Russian Federation

Pavel Yakovlev

Saint-Petersburg State Marine Technical University

Email: elemcom@smtu.ru

Head of the Laboratory of the Department of Electrical Engineering and Electrical Equipment of Ships

Lotsmanskaya, 3, St. Petersburg, 190121, Russian Federation

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар