close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии;pdf

код для вставкиСкачать
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
1
Уважаемые читатели!
Вы держите в руках юбилейный 50-й номер журнала. Организованный более 12 лет назад, журнал до настоящего времени остается
единственным в России в области электромагнитной совместимости.
За эти годы опубликовано более 500 статей, авторами которых являются ведущие специалисты России в области ЭМС, научные работники, представители промышленности, докторанты и аспиранты. Журнал
входит в перечень ведущих журналов, публикации в которых учитываются при защите докторских и кандидатских диссертаций.
Анализ публикационной активности в РИНЦ за период
2008−2012 гг. дает следующие общие показатели: общее число статей
из журнала − 321, общее число выпусков журнала в РИНЦ − 28, суммарное число цитирований журнала в РИНЦ − 304. Место в общем рейтинге SCIENCE INDEX за 2012 год − 1773
(http://elibrary.ru/title_profile.asp?id=9355).
Из 3598 журналов, индексируемых в рейтинге SCIENCE INDEX, журнал находится на
1773 месте, а по разделу Электроника−Радиотехника − на 36 месте из 66 (2012 г), опережая
такие журналы, как Новости электроники, Электроника, Радио и ряд других известных журналов. Показатель (1125) учитывает тематическое направление журнала, уровень самоцитирования, авторитетность источника цитирования, неоднородность наполнения базы данных и
другие факторы, влияющие на цитирование журнала.
Двухлетний импакт-фактор за 2012 г составляет 0,286. Импакт-фактор это число цитирований в текущем году статей, опубликованных в журнале за предыдущие два года, поделенное на число этих статей; учитывается в том числе самоцитирование (ссылки из журнала на статьи в этом же журнале). Это один из важнейших показателей журнала.
Показатель журнала в рейтинге SCIENCE INDEX с 2010 по 2012 г. вырос с 527 до
1125, а импакт-фактор с 0,205 до 0,286, а пятилетний (2008−2012) − с 0,039 до 0,148.
Распределение публикационной активности показывает, что большинство статей относятся к тематической рубрике «Электроника. Радиотехника» (280 статей). Статей в каждой
из других рубрик не превышает 10. Анализ распределения публикаций по организациям показывает, что наибольшую активность проявляют специалисты НИУ «Высшая школа экономики» (53 статьи), МАИ (23 статьи), МНИРТИ (20 статей).
Показатели РИНЦ показывают, что, несмотря на определенный прогресс в публикационной активности журнала, есть еще достаточно перспектив для повышения рейтинга
журнала. Открытие нового сайта журнала (emc-journal.ru), где теперь размещаются полнотекстовые статьи, будет способствовать расширению аудитории специалистов, которые смогут знакомиться со статьями, использовать эти материалы в свой работе и ссылаться на них в
своих публикациях.
Уважаемые читатели и авторы, мы с уверенностью смотрим в будущее. Проблема
ЭМС становится все более актуальной, охватывая все новые приложения, распространяется
на все стадии жизненного цикла аппаратуры. Мы надеемся на новые интересные публикации.
Желаем успехов!
Балюк Н.В., д.т.н., профессор
2
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
Технологии электромагнитной совместимости
Technologies of electrom agnetic com patibility
2014. № 3(50).
УЧРЕДИТЕЛЬ ЖУРНАЛА:
ООО «Издательский Дом «ТЕХНОЛОГИИ».
Зарегистрирован в Министерстве Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств
массовых коммуникаций. Регистрационное свидетельство ПИ № 77-9669 от 24 августа 2001 года
Оформить подписку можно
по объединенному каталогу «Пресса России»:
10362 — полугодовой индекс;
в издательстве (предпочтительно) (8-985-134-4367).
Главный редактор журнала,
председатель редакционного совета
БАЛЮК НИКОЛАЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, д.т.н., проф.
Зам. главного редактора журнала
КЕЧИЕВ ЛЕОНИД НИКОЛАЕВИЧ, д.т.н., проф.
ФАЙЗРАХМАНОВ НИКОЛАЙ ИСХАКОВИЧ,
Редакционный совет:
АКБАШЕВ БЕСЛАН БОРИСОВИЧ, д.т.н.
ВОРШЕВСКИЙ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ, д.т.н., проф.
КИРИЛЛОВ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ, д.т.н., проф.
КОСТРОМИНОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ,
д.т.н., проф.
КРИВОВ АНАТОЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ, д.т.н., проф.
МЫРОВА ЛЮДМИЛА ОШЕРОВНА, д.т.н., проф.
НЕФЕДОВ ВИКТОР ИВАНОВИЧ, д.т.н., проф.
НИКИТИНА ВАЛЕНТИНА НИКОЛАЕВНА, д.мед.н., проф.
НИКИФОРОВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ, к.т.н.
ПОЖИДАЕВ ЕВГЕНИЙ ДМИТРИЕВИЧ, д.т.н., проф.
САРЫЛОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
САХАРОВ КОНСТАНТИН ЮРЬЕВИЧ, д.т.н., с.н.с.
СУХОРУКОВ СЕРГЕЙ АРСЕНЬЕВИЧ, к.т.н., доцент
ТУХАС ВЯЧЕСЛАВ АНАТОЛЬЕВИЧ, д.т.н., проф.
ФОМИНИЧ ЭДУАРД НИКОЛАЕВИЧ, д.т.н., проф.
ЧЕРМОШЕНЦЕВ СЕРГЕЙ ФЕДОРОВИЧ, д.т.н., проф.
ИЗДАТЕЛЬ ЖУРНАЛА:
ООО «Издательский Дом «ТЕХНОЛОГИИ».
РЕДАКЦИЯ ЖУРНАЛА:
НОЧУ «Новая Инженерная Школа»
Издается при содействии кафедры РЭТ
МИЭМ-НИУ ВШЭ.
Главный редактор СТАСЬ Константин Николаевич
Исполнительный директор
Лебедев Петр Сергеевич
Адрес: 105005, Москва, Наб. академика Туполева, 15,
стр. 29, оф. 117.
ООО «Издательский Дом «ТЕХНОЛОГИИ»
Редакция: тел./факс 8 (495) 916-89-64,
e-mail: [email protected]
Статьи рецензируются. Статьи опубликованы в авторской редакции. Мнение членов редакционного совета
может не совпадать с точкой зрения авторов публикаций. Перепечатка материалов допускается только с
письменного разрешения редакции. Рукописи не возвращаются.
Подписано к печати 1.09.2014
emc-journal.ru
ISSN 1729-2670
Журнал включен в перечень ведущих журналов и изданий Высшей аттестационной комиссии (ВАК).
Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных
ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich's Periodicals Directory».
Содержание
Разумов А.В., Онуфрей А.Ю., Какаев В.В.,
Махонин А.Б. Уткин И.А., Рязановский Т.Л.
Методы экспериментальной оценки электромагнитной стойкости космических аппаратов...
Тищенко В.А., Шаммасов Р.Р. Нормирование
магнитного поля радиопомех электрического
светового оборудования………………………...
Пилков А.В., Купцов Н.М., Радомский А.Н.
Экспериментальная оценка уровня напряжённости электрического поля индустриальных
радиопомех от линий электропередач в метровом диапазоне длин волн……………………….
Рябов Ю.Г., Гуров И.Б. Экранирование встроенных трансформаторных подстанций………...
Ивлев П.В., Крючков Н.М., Савин Ю.В., Демский Д.В. Программный модуль обработки
данных измерителя эффективности экранирования РЭА……………………………………….
Кечиев Л.Н., Шатов Д.С. Моделирование в
среде QUCS развязывающих конденсаторов в
составе распределенной системы питания цифровых модулей…………………………………...
Кечиев Л.Н., Балюк Н.В. Стандартизация в
области ЭМС для военных и гражданских систем……………………………………………….
.
Михеев В.А. Развитие многофункциональных
информационных систем, работающих в сложных электромагнитных средах………….
Файзрахманов Н.И. Достижение функциональной безопасности систем и оборудования
в связи с электромагнитными помехами………
3
10
15
21
29
36
45
59
66
НОВЫЕ КНИГИ
С.А. Сухоруков
Я разгадал секреты пирамид?.......................
69
ИНФОРМАЦИЯ
Конференция «Электростатика 2015»
71
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
3
УДК 621.37.39
А.В. Разумов, А.Ю. Онуфрей, В.В. Какаев, А.Б. Махонин,
И.А. Уткин, Т.Л. Рязановский
Методы экспериментальной оценки электромагнитной
стойкости космических аппаратов
Рассмотрены методы оценки стойкости космических аппаратов,
содержащих в своем составе высокоэнергетические установки, при электромагнитных внешних воздействиях. Показана практическая реализуемость методов экспериментальной оценки работоспособности и безопасности, как составных частей стойкости радиоэлектронных средств. Разработана математическая модель стойкости космических аппаратов к электромагнитным внешним воздействиям.
Ключевые слова: космический аппарат, метод испытаний, экспериментальная оценка, электромагнитные воздействия, электромагнитная стойкость
Введение
В состав космических аппаратов (КА) входит сложный комплекс радиоэлектронных средств
(РЭС) и оборудования целевого назначения, объединенных общей системой управления. Каждый
элемент КА должен отвечать требованиям по стойкости. Однако, при организации их в общую структуру, происходит некоторое снижение уровня стойкости, о чем свидетельствуют результаты экспериментальных исследований и эксплуатации КА [1]. На этапах проектирования и разработки РЭС и
оборудования целесообразно знать в какой степени КА в целом соответствует требованиям по стойкости в условиях электромагнитных воздействий. Для этого существует ряд расчетных и экспериментальных методов оценки стойкости. Ниже рассмотрены методы экспериментальной оценки электромагнитной стойкости КА.
Космический аппарат, как объект, насыщенный РЭС, должен обеспечивать стойкость к электромагнитным воздействиям в пределах норм, установленных в ТТЗ.
Электромагнитная стойкость космического аппарата − это свойство радиоэлектронных
средств и оборудования КА выполнять свои функции при выходе на орбиту, на траектории движения
и сохранять параметры во время и после электромагнитного воздействия (ЭМВ) с заданными значениями [2].
ЭМВ является для КА дополнительной нагрузкой, в результате которой в электрических цепях РЭС возникают токи и напряжения, которые могут приводить к нарушению работоспособности и
преждевременную выдачу несанкционированных команд на срабатывание исполнительных цепей.
Поэтому представим действующую первичную (внешнюю) нагрузку электромагнитного воздействия
через Z, а токи и напряжения, наводимые в цепях РЭС при ЭМВ - действующей вторичной нагрузкой
Х. Вторичная действующая нагрузка Х является реакцией (откликом) РЭС, его узлов и электрических
цепей на внешнее воздействие Z.
В общем случае Х можно записать как:
x(t ) =
•
1
2π
∞
•
•
∫ G(ϖ ) ⋅ K (ϖ ) ⋅ e
−∞
jϖ t
dϖ
,
(1)
•
где G (ϖ ) − плотность спектральной функции внешнего воздействия Z; K (ϖ ) − комплексный
коэффициент передачи рассматриваемой цепи.
Будем рассматривать x(t) как случайную величину, распределенную по нормальному закону.
Для конкретного случая необходимо определить характер этой величины и закон ее распределения.
В наиболее общем виде под вторичной нагрузкой следует понимать значение ее энергии в соответствующем спектре частот или диапазоне временных параметров. В частном случае (при фиксированных временных параметрах) это может быть амплитуда наведенного тока или напряжения.
4
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
Для космических аппаратов, содержащих в своей конструкции высокоэнергетические установки (ВЭУ), стойкость характеризуется также такими понятиями, как работоспособность (безотказность) и безопасность [3]. Работоспособность (безотказность) КА − способность РЭС КА выполнять
свои функции и сохранять параметры в пределах заданных норм. Безопасность КА − свойство РЭС
КА, исключающее преждевременную выдачу несанкционированных команд на срабатывание исполнительных цепей ВЭУ.
Обобщенными количественными показателями этих свойств являются вероятности того, что
КА сохранит параметры в пределах установленных норм во время и после внешнего ЭМВ с заданными значениями [2].
С учетом вышеизложенного электромагнитная стойкость КА может быть охарактеризована
вероятностью отсутствия отказа во время и после электромагнитного воздействия, приводящего к
нарушению работоспособности или безопасности. Для количественной оценки показателей стойкости определим математическую модель электромагнитной стойкости КА.
Математическая модель электромагнитной стойкости КА
Представим обобщенный показатель стойкости КА (РСТ) в виде [4, 5]
РСТ = 1 − QΣ, ,
(2)
где QΣ − суммарная вероятность любого отказа РЭС в результате ЭМВ.
По своим последствиям все возможные отказы в результате ЭМВ можно разделить на две
группы:
1) Отказы, связанные с прекращением функционирования КА, то есть нарушением работоспособности. Вероятность таких отказов − QР;
2) Отказы, приводящие к выдаче несанкционированных команд в исполнительные цепи. Вероятность таких отказов − QНС.
Приняв гипотезу о независимости отказов каждой группы, суммарную вероятность отказа КА
можно представить в виде
QΣ = QР + QНС − QР⋅ QНС,
(3)
а обобщенный показатель электромагнитной стойкости КА как
РСТ = РР ⋅ РНС,
(4)
где РР − вероятность сохранения работоспособности РЭС; РНС − вероятность обеспечения
безопасности (отсутствия выдачи несанкционированных команд в исполнительные цепи КА). При
этом РНС = 1 − QНС.
Таким образом, электромагнитную стойкость КА можно характеризовать обобщенными вероятностно-параметрическими показателями:
• вероятностями сохранения работоспособности РЭС (Рр) и обеспечения безопасности (РНС)
при и после ЭМВ с заданными значениями;
• амплитудно-временными и энергетическими параметрами ЭМВ.
Получение количественных значений вероятностно-параметрических показателей предполагает набор статистических (справочных) данных или использование частных показателей стойкости.
В качестве частных показателей стойкости, раскрывающих связь с работоспособностью и
безопасностью, целесообразно использовать:
а) коэффициент запаса работоспособности и безопасности η = mY/mX, mX − математическое
ожидание действующей нагрузки;
б) параметры критической нагрузки: mY − математическое ожидание критической нагрузки; σΥ − среднеквадратическое отклонение критической нагрузки; сΥ = σΥ mY − коэффициент вариации критической нагрузки;
в) экранирующие свойства КА;
г) критериальные показатели стойкости (значения энергии, тока или напряжения, при которых
обеспечивается функционирование КА с заданным уровнем вероятности).
В этих условиях расчет количественных значений показателей электромагнитной стойкости
будет включать:
1. Выбор количественного значения вероятности сохранения работоспособности РЭС (Рр).
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
5
Вероятность сохранения работоспособности КА при внешнем электромагнитном воздействии
должна быть как можно выше. Обычно она задается в ТТТ и варьируется в диапазоне 0,95−0,998 в
зависимости от назначения КА.
2. Выбор количественного значения вероятности безопасности (РНС) (отсутствия выдачи несанкционированных команд в исполнительные цепи КА).
Как правило, вероятность безопасности КА лежит в диапазоне 10−4 − 10−6 [6].
3. Выбор количественных значений параметров внешнего воздействия включает расчет:
РОХВ − вероятности охвата всех натурных реализаций параметров внешнего воздействия; РПР
− вероятности превышения заданных параметров при натурном воздействии, при этом
РПР = 1 − РОХВ.
Исходя из выбранных параметров, математическая модель электромагнитной стойкости КА
будет характеризоваться суммарной вероятностью отказов КА (РОΣ ) и примет вид:
РОΣ = РВ ⋅ РПР ⋅ QΣ,
(5)
где РВ − вероятность внешнего воздействия; РОΣ − суммарной вероятности отказов КА, причиной которых являлись электромагнитные воздействия.
Выражение (5) дает возможность оценить вероятность выполнения КА своего предназначения
в условиях внешнего электромагнитного воздействия и предполагает использование экспериментальных методов оценки электромагнитной стойкости.
Методы экспериментальной оценки электромагнитной стойкости КА
Методы экспериментальной оценки стойкости КА должны обеспечивать решение основной
задачи − по результатам испытаний ограниченного числа (одного-двух) КА с достоверностью (γ)
оценить фактическую стойкость КА данного типа (Рcm) при электромагнитном воздействии с заданными параметрами (Zзад) и вероятностью ( ) не менее требуемого значения.
Решить эту задачу можно различными методами. Один из них основан на решении задачи по
альтернативному признаку [7]. Для этого метода потребовалось бы испытать несколько десятков образцов КА на электромагнитные воздействия с заданными в ТТЗ параметрами, при требуемых значениях , с единственным критерием «есть отказ – нет отказа».
Другой метод [8] предполагает использование статистической модели «нагрузка – стойкость».
При этом предусматривается количественное определение (подтверждение) требуемого уровня вероятности
P (Zкр ≥ Zд) или Р (Υ ≥ Х),
(6)
где Zкр и Υ − случайные величины, определяющие значения первичной или вторичной критической нагрузки; Zд и Х − случайные величины, определяющие значения первичной или вторичной
действующей нагрузки.
В зависимости от условий проведения экспериментальной оценки электромагнитной стойкости КА (объема и характера априорной информации, вида ЭМВ, возможностей экспериментальной
базы, схемно-конструктивных особенностей КА и требований к нему), могут применяться следующие методы решения задач оценивания в модели «нагрузка – стойкость»:
• метод сравнительного анализа;
• метод испытания на повышенных режимах нагружения.
В основе каждого метода заложены критерии стойкости, которые по результатам экспериментов позволяют с определенной степенью достоверности утверждать, что фактический уровень стойкости КА принятой выборки в условиях электромагнитного воздействия будет не менее заданного
значения.
Конкретные виды критериев стойкости в этом случае зависят от метода испытаний и оцениваемого показателя.
Основными качественными критериями стойкости являются:
• сохранение работоспособности РЭС КА;
• отсутствие выдачи несанкционированных команд.
В качестве количественных критериев стойкости используются соотношения параметров токов и напряжений (энергий), наводимых в цепях испытуемого образца КА (хi), с их допустимыми
значениями (хiд).
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
6
ISSN 1729-2670
max хi < хiд .
(7)
Рассмотрим эти методы.
Метод сравнительного анализа. Сущность метода заключается в сравнении параметров распределения вторичных нагрузок Х, возникающих в цепях испытуемого КА при внешнем воздействии
Z, с параметрами распределения критических нагрузок Y для соответствующих цепей. Распределение
параметров действующих f1(X) и критических f2(Y) нагрузок принимается нормальным, так как при
электромагнитном воздействии разброс их значений определяется в основном технологическим процессом изготовления КА (рис. 1).
Рис. 1. Распределение стойкости, действующих и критических нагрузок
Уровень стойкости будет определяться разностью значений (Θ = Y − X) критической и действующей нагрузок.
Распределение случайной величины (Θ) является распределением запаса стойкости, также является нормальным с математическим ожиданием [8], равным разности математических ожиданий
критической и действующей нагрузок (mY − mX), и дисперсией, равной сумме дисперсий критической
и действующей нагрузок (σ X2 + σ Y2 ) , то есть
f3 ( Θ )
=
  ( Θ − m + m )2  
X
Y
 ,
⋅ exp − 
2
2
2
2
2π ( σ X + σ Y )
  2σ( X +σ Y )  
1
(8)
где mX, σX и mY, σY − математическое ожидание и стандартное отклонение действующей и критической нагрузок соответственно.
Вероятностный уровень стойкости КА определяется выражением
(9)
где
– функция Лапласа.
Метод предполагает реализацию двух взаимосвязанных принципов:
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
7
а) получение и использование статистических данных по отказам комплектующих узлов РЭС
от параметров действующей нагрузки;
б) установление и экспериментальную проверку выполнения условий работоспособности РЭС
в составе КА при электромагнитном воздействии.
Объем испытаний КА включает в себя:
• расчетно-экспериментальную оценку и нормирование действующих нагрузок, то есть параметров токов (напряжений), наводимых в цепях РЭС;
• определение параметров критических нагрузок в виде дифференциального закона распределения отказа (срабатывания) узлов РЭС и расчет предельно допустимого значения действующей нагрузки хiд ;
• выбор наиболее критичных (ответственных) подсистем, узлов и цепей КА, определяющих
его стойкость.
Испытаниям подвергается один экземпляр опытного образца КА при номинальном режиме
нагружения.
При испытаниях осуществляются измерения:
• параметров электромагнитного воздействия;
• параметров действующих нагрузок во всех критических цепях.
До, во время и после ЭМВ осуществляется контроль работоспособности и параметров аппаратуры испытуемого образца.
Реализация метода
К моменту проведения эксперимента допустимые значения параметров действующей вторичной нагрузки (токов и напряжений, наводимых в РЭС) для всех подконтрольных цепей должны быть
известны.
В качестве критерия выполнения заданных требований по стойкости используется соотношение
xi maxγ(1γ+ c U )
(10)
≤ xiд , ,
1 − cγU p
где х max − максимальное значение параметров действующих нагрузок; Up − квантиль заданного уровня достоверности подтверждения выполнения требований по стойкости ( U p =
mY − mX
σ X2 + σ Y2
);
Uγ – квантиль стандартного нормального распределения, отвечающая уровню доверия γ при построении односторонних доверительных границ.
Этот метод сравнительного анализа целесообразно использовать при испытаниях КА, когда
необходимо с высоким уровнем достоверности (γ) убедиться в том, что фактический уровень стойкости КА не менее заданного, то есть убедиться в выполнении неравенства
.
(11)
В случае применения метода для определения численного значения критерия безопасности
(отсутствия выдачи несанкционированных команд в исполнительные цепи) преобразуем формулу (9),
разделив числитель и знаменатель на mX, тогда

 ,
η −1
(12)

P = Φ
нс
 η2 ⋅ cY2 + c X2 
где η −коэффициент запаса безопасности; сХ, сΥ − коэффициент вариации действующей и критической нагрузок.
Пользуясь таблицами квантилей нормального распределения [13], получим, что для обеспечения уровня безопасности РНС ≥ 0,9999−0,999999 аргумент выражения (12) должен быть не менее 3,7.
Принимая коэффициент вариации действующих и критических нагрузок СХ ≈ СY ≈ 0,2, получим
η = 4−5 , т.е. при нормальном распределении действующей нагрузки достаточно четырех (пяти) кратного запаса.
В случае, когда «нагрузка» распределена по экспоненциальному закону, а «стойкость» – по
нормальному, используя аналитические зависимости [9, 10], получим коэффициент запаса η ≈ 8.
8
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
С учетом полученных коэффициентов запаса η количественные значения критерия безопасности примут значения
I(W)изм ≤ (0,125 − 0,25) ⋅ I(W)НС,
(13)
где I(W)изм − значение измеренного тока (энергии) в цепи КА; I(W)НС − значение тока (энергии) на выдачу несанкционированных команд.
Метод испытаний на повышенных режимах нагружения предполагает при оценке повышенные требования к запасу стойкости испытуемого образца КА. Сущность метода заключается в
перекрытии разброса частных показателей стойкости КА повышением уровня воздействия сверх
установленного в ТТЗ параметра. Он основан на анализе статистических данных [10].
Требуемое значение математического ожидания первичной нагрузки mZ, при котором не
должно происходить отказа образцов рассматриваемого типа, можно записать в виде
mZ ≥ Z/(1 – UP⋅ СZ).
(14)
где Z – заданный параметрический уровень стойкости; UP – квантиль заданного вероятностного уровня стойкости; CZ = σ Z / mZ − коэффициент вариации критической нагрузки цепей КА.
С достоверностью γ ≥ 0,997 максимальное расчетное значение коэффициента вариации критической нагрузки (СZ) принимает значение 0,33. Существующая технология изготовления КА обеспечивает значение СZ ≤ 0,2. Тогда расчет режима нагружения определяется по формуле
Z ИСП = Z ЗАД ⋅ (1 + С Z ⋅ U 1− n 1−γ ) /(1 − U P ⋅ C Z )
UР
,
(15)
где ZИСП − уровень испытательного воздействия; ZЗАД − уровень воздействия, заданный в ТТЗ;
− квантиль нормального распределения заданного уровня Рст; U 1 − n 1 − γ − квантиль нормального
распределения уровня 1 − n 1 − γ , где γ − заданный (требуемый) уровень достоверности; n − количество испытуемых образцов.
Сущность метода испытаний на повышенных режимах нагружения представлена на рис. 2. На
нем кривые 1, 2 отражают распределения параметров воздействия на КА по экспоненциальному и
логарифмически нормальному законам соответственно, кривая 3 отражает расчетное распределение
критических нагрузок, а кривая 4 показывает фактическое распределение критических нагрузок на
КА.
Метод испытаний на повышенных режимах нагружения разработан применительно к импульсным ЭМВ (разряды молнии, статического электричества, ЭМИ ЯВ, супер-ЭМИ, СШП ЭМИ и т.п.).
Метод испытаний на повышенных режимах нагружения выдвигает дополнительные требования к запасу стойкости испытуемого КА, к испытательным установкам, формирующих испытательное воздействие с амплитудой в 1,5–2 раза выше заданной в ТТЗ, требует обеспечения идентичности
временных параметров испытательного воздействия с параметрами, заданными в ТТЗ.
Рис. 2. Сущность метода испытаний на повышенных режимах нагружения
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
9
Список литературы
1. Методы обеспечения живучести низкоорбитального автоматического космического аппарата
зондирования Земли: математическая модель, компьютерные технологии/ Кириллин А.Н. и др. –
Москва: Машиностроение, 2010г. − 384 с.
2. ГОСТ Р 51317.4.5-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к
микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний. − М.:
Издательство стандартов. − 31 с.
3. ГОСТ Р 51317.4.4-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к
наносекундным импульсным помехам. Требования и методы испытаний. − М.: Издательство
стандартов. − 22 с.
4. Комягин С.И., Махонин А.Б. Показатели и критерии электромагнитной безопасности современных образцов ВВТ. / Труды 9 ВНПК «Актуальные проблемы защиты и безопасности. − С.-Пб.:
РАРАН, 2006. − С. 25−35.
5. Махонин А.Б., Комягин С.И. Экспериментальная оценка показателей электромагнитной безопасности ВВТ. / Труды 9 ВНПК «Актуальные проблемы защиты и безопасности. − С-Пб.: РАРАН,
2006. − С. 35−41.
6. Радаев Н.Н. Методы оценки соответствия технических систем предъявляемым требованиям при
малом объеме испытаний. Монография. Академия Петра Великого. − 1997. – 390 с.
7. Ившин В.В., Лумельский Я.П. Статистические задачи оценивания в модели «нагрузкапрочность». − Пермь: Пермский университет, 1995. − 129 с.
8. Тескин О.И., Костюкова Т.М. Интервальное оценивание показателя надежности при использовании модели «нагрузка-прочность». // Статистические методы оценивания и проверки гипотез
(Межвузовский сборник научных трудов). − Пермь: Пермский университет, 1988. − С. 45−53.
9. Гулина О.М., Острейковский В.А. Аналитические зависимости для оценки надежности с учетом
корреляции между нагрузкой и несущей способностью объекта. − Надежность и контроль качества. − 1981. − № 2. − С. 36−41.
10. Никозанов Д.Д., Перлик В.И., Кукушкин В.И. Статистическая оптимизация конструкций летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1977. − 240 с.
Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского.
ОАО «МНИРТИ»
Статья поступила 23.04.2014.
Razymov A, Onufrey A., Kakaev V., Manokhin A., Utkin I., Ryazanovsky T.
Methods of experimental evaluation electromagnetic radiation-resistant spacecraft
Abstract. In the article considered the methods of evaluate electromagnetic radiation-resistant spacecraft, which contain high-energy facility. Practical realizability showed in the methods of experimental evaluation productivity and safety, as components of electromagnetic radiation-resistant radio electronics systems. In this article created mathematical model of electromagnetic radiation-resistant spacecraft.
Key words: Spacecraft, test method, experimental evaluation, electromagnetic impacts, electromagnetic radiation-resistant.
Military-space academy of a name of A.F.Mozhaisk.
OPEN SOCIETY «MNIRTI».
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
10
ISSN 1729-2670
УДК 621.32:006.322
В.А. Тищенко, Р.Р. Шаммасов
Нормирование магнитного поля радиопомех
электрического светового оборудования
В ГОСТ Р 51318.15-99 магнитное поле излучаемых индустриальных
радиопомех, создаваемых световым оборудованием, нормируется параметром, который косвенно характеризует объект испытаний, в результате чего появляются искусственные ограничения при применении стандарта. Проведен анализ связи между действующими нормами, выраженными через ток,
наводимый в стандартизованном средстве испытаний и напряженностью
магнитного поля, создаваемого испытуемым оборудованием. Предложено
использовать в качестве нормируемого параметра магнитный дипольный
момент, который непосредственно характеризует объект испытаний и
снимает накладываемые в стандарте ограничения.
Ключевые слова: трехкоординатная рамочная антенна, электрические источники света
Согласно раздела 4.4 «Излучаемые ИРП (индустриальные радиопомехи)» [1] «Нормы на квазипиковые значения для магнитных составляющих напряженности поля ИРП в полосе частот 0,009 до
30 МГц оценивают по силе тока, наводимого в трехкоординатной рамочной антенне (ТРА) с диаметром рамочных антенн 2, 3 и 4 м (рис. 1), внутри которой устанавливают испытуемое световое оборудование (ИСО)». Нормы силы тока индустриальных радиопомех (ИРП) в децибелах относительно
1 мкА приведены в табл. 1.
Рис. 1. ТРА для измерения магнитных полей ИРП: 1 – токосъемник, 2 – ферритовый поглотитель,
3 – коаксиальный переключатель, 4- милливольтметр
Нормы для ТРА с диаметром рамочных антенн 2 м применяют для светового оборудования,
длина которого не превышает 1,6 м, с диаметром рамочных антенн для оборудования, имеющего
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
11
длину от 1,6 до 2,6 м, и с диаметром рамочных антенн 4 м для оборудования длиной от 2,6 до 3,6 м.
Далее приведена таблица «Нормы на излучаемые ИРП».
Нормы на излучаемые ИРП
Таблица 1
Значение норм силы тока (дБмкА) ИРП для ТРА
с диаметром рамочных антенн
2м
3м
4м
88
81
75
0,009 − 0,07
от 88 до 58**
от 88 до 51**
от 75 до 45**
0,07 − 0,15
от 58 до 26**
от 58 до 22**
от 45 до 16**
0,15 − 2,2
58
51
45
2,2 − 3,0
22
от 15 до 66***
от 9 до 12***
3,0 − 30
* На граничной частоте нормой является меньшее значение силы тока ИРП.
** Уменьшается линейно с логарифмом частоты.
*** Растет линейно с логарифмом частоты.
Полоса частот, МГц
Из вышеприведенной цитаты из стандарта следует, что:
1. Если испытательная лаборатория оснащена ТРА с диаметром рамочных антенн 4 м, и существует необходимость испытания ИСО размером меньше 2,6 м, то она это сделать не может, хотя изделие помещается в ТРА. Требуется приобретение ТРА с рамочными антеннами меньшего диаметра.
2. Если испытательная лаборатория нарушит это требование, то к ИСО следует применять
другое значение норм, т.к. нормы, приведенные в табл. 1 зависят от диаметра рамочных антенн ТРА,
т.е. от характеристик используемого средства испытаний, хотя магнитное поле ИСО не изменится.
3. Не выдерживается однозначная терминология. Таблица со значениями норм, как и раздел
4.4 стандарта, именуются «Нормы на излучаемые ИРП», хотя в тексте таблицы приводятся «Значение
норм силы тока (дБмкА) ИРП для ТРА с диаметром рамочных антенн». Кроме того, в тексте стандарта фигурируют «Нормы на квазипиковые значения для магнитных составляющих напряженности поля ИРП» и «Нормы для ТРА».
Если отождествить между собой термины «Нормы на излучаемые ИРП» и «Нормы на квазипиковые значения для магнитных составляющих напряженности поля ИРП», а также «Значение норм
силы тока (дБмкА) ИРП для ТРА с диаметром рамочных антенн» и «Нормы для ТРА», то необходимо
установить соответствие между двумя типами упомянутых норм. Тогда ключевой в тексте стандарта
будет являться фраза «Нормы на квазипиковые значения для магнитных составляющих напряженности поля ИРП в полосе частот 0,009 до 30 МГц оценивают по силе тока, наводимого в трехкоординатной рамочной антенне (ТРА) с диаметром рамочных антенн 2, 3 и 4 м, внутри которой устанавливают испытуемое световое оборудование». Другими словами, нормы для поля должны быть связаны
с нормами для тока.
В стандарте эта связь устанавливается в рекомендуемом Приложении B [1].
Для расчета напряженности магнитного поля H в децибелах относительно 1 мкВ/м на расстоянии d в метрах от ИСО приведена следующая формула:
H = Y − S + Cd,
(1)
где Y – сила тока, наведенного в ТРА ИРП, выраженная в дБ (мкА/м); S – чувствительность
ТРА, равная отношению тока в ТРА с рамкой диаметра, отличающегося от 2 м, к току ТРА с рамкой
диаметром 2 м, дБ; Cd – коэффициент преобразования тока наведенного в ТРА в напряженность магнитного поля на стандартизованных расстояниях d = 3, 10 и 30 м от ИСО, выраженный в дБ относительно 1 Ом/м.
Величины S и Cd приведены в виде графиков в зависимости от частоты.
Таким образом, пользуясь стандартом можно оценить величину магнитного поля, выраженного в единицах электрического поля в результате изложенной довольно замысловатой процедуры, которая получилась вследствие того, что в качестве нормируемого выбран параметр ток, наведенный
ИСО в ТРА косвенно характеризующий магнитное поле ИСО.
Между тем, хорошо известно, что любой источник магнитного поля, размеры которого меньше длины волны, в данном случае ИСО, создает поле, которое в первом приближении, совпадает с
полем магнитного диполя Герца. Физически магнитный диполь Герца представим в виде витка малых
размеров с током. Он характеризуется магнитным дипольным моментом равным по модулю произве-
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
12
ISSN 1729-2670
дению тока на площадь витка с направлением вектора перпендикулярно плоскости витка. Из этого
следует, что этот параметр характеризует источник радиопомех и без этого параметра не обойтись,
для того, чтобы получить магнитное поле источника радиопомех. Согласно [2] поле излучения H
магнитного диполя Герца, создаваемого магнитным дипольным моментом m, направленным вдоль
координаты z, в сферической системе координат при гармонической зависимости от времени ωt на
расстоянии r, равно
(2)
H = m F(r , f )
=
F ( r, f )
1  2 1
1  1 ik



r0 2  + ik  cos ϑ + ϑ0  2 + − k 2  sin ϑ e − ikr ,

rr
r
4π  r  r



(3)
где r – расстояние до точки наблюдения; ϑ – угол, отсчитываемый от координаты z; kс= ω/
– волновое число; ω = 2πf – круговая частота; с – скорость света.
Если поместить источник магнитного поля с магнитным моментом m, в рамку ТРА и ориентировать магнитный момент перпендикулярно плоскости рамки, то при условии малости площади
витка с током образующего дипольный момент по сравнению с площадью ограниченной рамкой
ТРА, усредняя поле (2) по площади ТРА [3], получим
=
H ср
m
[1 + ikR ] ,
2πR 3
где R − радиус рамки ТРА.
Используя закон индукции Фарадея,
Eинд =
− ∂Ф =
− jπωμ 0 H ср R 2 ,
∂t
где μ 0 − магнитная проницаемость вакуума, найдем ток в короткозамкнутой рамке ТРА, через магнитный момент источника магнитного поля
=
I
μ0
2
m 1 + ( kR ) .
2 RL
(4)
Индуктивность рамки ТРА рассчитывается по формуле [4]
 8R

=
L μ 0 R ln
− 2 ,
 rпр

где
rпр
– радиус провода − рамки ТРА.
Так как в стандарте [1] приведены конструктивные характеристики ТРА, то можно, пересчитать, используя (4), нормативные значения силы тока, приведенные в табл. 1 в значения модуля магнитного момента m. Результаты приведены в табл. 2.
Нормы магнитного момента ИРП для ТРА
Значение норм магнитного момента m дБ (мкА·м2) для
ТРА с диаметром рамочных антенн
Полоса частота, МГц
2м
3м
4м
112,1
112,6
111,9
0,009 − 0,07
0,07 − 0,15
От 112,1 до 82,1*
От 112,6 до 82,5*
От 111,9 до 81,8*
0,15 − 2,2
От 82,1 до 50,1*
От 82,5 до 53,6*
От 81,8 до 52,8*
2,2 − 3,0
82,1
82,5
81,8
3,0 − 30
45,9
От 46,5 до 44,4*
От 45,8 до 43,8*
* Уменьшается линейно с логарифмом частоты
Таблица 2
mср
Max|m-mср|
112,2
От 112,2 до
82,1*
От 82,1 до
52,2*
82,1
От 46,1 до
44,7*
0,4
0,4−0,4
0,4−2,1
0,4
0,4−1,2
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
13
Как следует из табл. 2 нормы на ИРП, выраженные в единицах магнитного момента, практически не зависят от размеров рамочных антенн ТРА. Максимальное отличие, приведенное в правом
столбце, составляет 2,1 дБ.
Это означает, что при выборе в качестве нормируемой величины непосредственно характеризующей источник магнитного поля, нормы для ТРА будут зависеть только от частоты. При этом
ограничения связанные с минимальным размером ИСО, приведенные в [1] снимаются.
Если перейти на нормирование величины магнитного момента для ТРА, то чтобы получить
напряженность магнитного поля создаваемого ИСО исходя из (2) требуется рассчитать значения величины F(r, f) в зависимости от частоты на стандартизованных расстояниях.
Это можно сделать, непосредственно по формуле (3) или используя результаты, приведенные
в [1].
Приравняем выражения (1) и (2) с учетом того, что в [1] напряженность магнитного поля выражена в единицах напряженности электрического поля, получим:
 µ 1 + ( kR )2 
N=
20log ( Z 0 F(r , f )=
) Cd + 20log  0 2 R L 2  ,
d
2 2


Где R2, L2 – радиус и индуктивность ТРА с диаметром рамки 2 м; Z0 = 120π Ом – волновое сопротивление свободного пространства.
Таким образом, напряженность магнитного поля, выраженная по аналогии с [1] в единицах
напряженности электрического поля, определятся по формуле:
H
= M + Nd ,
где M = 20logm величина магнитного момента в децибелах относительно 1 мкА·м2; Nd – коэффициент преобразования магнитного момента ИСО в напряженность магнитного поля зависящий
от частоты и расстояния до точки наблюдения на стандартизованных расстояниях d = 3, 10 и 30 м от
ИСО, выраженный в дБ относительно 1 Ом/м3, график которого приведен на рис. 2.
Рис. 2. Коэффициент преобразования Nd, дБ(Ом/м3)
Заключение
• При использовании трехкоординатной рамочной антенны для оценки магнитного поля
индустриальных радиопомех в полосе частот 0,009 до 30 МГц, создаваемых электрическим световым оборудованием, предлагается использовать в качестве нормируемого параметра модуль магнитного момента испытуемого объекта.
• Переход к нормированию магнитного момента позволяет обеспечить независимость
норм от типа используемого средства испытаний, что позволяет испытательным лабораториям ЭМС повысить эффективность использования имеющегося оборудования и
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
14
•
ISSN 1729-2670
упростить оценку напряженности магнитного поля на стандартизованных расстояниях
от ИСО.
Единство измерения магнитного момента в диапазоне частот до 20 кГц определяется
существующей поверочной схемой, возглавляемой ГПЭ 12-2011 единиц магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и градиента магнитной индукции.
ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. В диапазоне частот до 30 МГц можно воспользоваться результатами работ [6, 7].
Список литературы
1. ГОСТ Р 51318.15-99. Радиопомехи индустриальные от электрического светового и аналогичного
оборудования [Текст]. – Введ. 1999–24–12. – М.: Изд-во стандартов, 2000. – 38 с.
2. Никольский В.В, Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиовол: Учеб. Пособие
для вузов – 3-е изд., перераб и доп. − М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. – 333 с..
3. Frank M. Greene. The Near-Zone Magnetic Field of a Small Circular-Loop Antenna JOURNAL OF
RESEARCH of the National Bureau of Standards − C. Engineering and Instrumentation. − 1967. − Vol.
71 C. − No. 4, October-December. − 319−326 pp.
4. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет Индуктивностей: Справочная книга. – 3-е изд., перераб. и
доп. − Л.: Энергоатомиздат. Ленигр. отд-ние, 1986. – 207 c.
5. ГОСТ 8.030-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная
поверочная схема для средств измерений магнитной индукции, магнитного потока, магнитного
момента и градиента магнитной индукции. – Введ. 2015-01-01. – М.: Стандартинформ, 2014. – 2 с.
6. Тищенко В.А., Козырева М.П. Измерение параметров источника непреднамеренных излучений
электрически малых размеров/ Сборник научных трудов ВНИИФТРИ «Исследования в области
радиотехнических измерений». − Москва, 1988. − C. 37−46.
7. Kanda M., Hill D.A., A three-loop method for determination the characteristics of an electrically small
source. − IEEE transaction on electromagnetic compatibility. − 1992. − Vol. 34. − No 1, February. − Pp.
1−3.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский
институт физико-технических и радиотехнических измерений» (ФГУП «ВНИИФТРИ»)
Статья поступила 01.04.2014.
Tishchenko V.A., Shammasov R.R.
Normalization of magnetic field interference from electrical lighting equipment
According to the GOST Р 51318.15-99 radio disturbance from electrical lightening equipment is
normalized by parameter that indirectly characterizes equipment under test (EUT). As a result artificial constraints are added. Also analysis between existing limits, expressed in terms of electrical current (dBuA), and
magnetic field strength emitted by EUT is presented. The magnetic dipole moment as a characteristic of EUT
is proposed as normalized parameter.
Key words: Large Loop Antenna System, electrical lightening equipment
Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Physical-Technical and Radiotechnical Measurements» (FSUE «VNIIFTRI»)
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
15
УДК 621.396
А.В. Пилков, Н.М. Купцов, А.Н. Радомский
Экспериментальная оценка уровня напряжённости
электрического поля индустриальных радиопомех
от линий электропередач в метровом
диапазоне длин волн
В данной статье представлены результаты измерений уровня
напряжённости электрического поля индустриальных радиопомех, создаваемых линиями электропередач (ЛЭП) в метровом диапазоне длин волн.
Ключевые слова: линии электропередач, коронный разряд, индустриальные помехи,
широкополосная помеха
Введение
Линии электропередач (ЛЭП) состоят из опор – бетонных или металлических, к плечам которых прикрепляются гирлянды фарфоровых или стеклянных изоляторов [1]. Между опорами протягиваются медные, алюминиевые или сталеалюминевые провода, которые подвешивают к изоляторам. В
настоящее время сооружают ЛЭП двух видов: воздушные, которые несут ток по проводам над поверхностью земли, и подземные, которые передают ток по силовым кабелям, проложенным, как правило, в траншеях под землей. В зависимости от предназначения ЛЭП разделяют на классы:
сверхдальние (500 кВ и выше), магистральные (220–330 кВ), распределительные (30–150 кВ), подводящие (менее 20 кВ). Чем больше напряжение, тем дальше от проводов регистрируется зона повышенной электромагнитной помехи (ЭМП). Нагрузка ЛЭП, которая определяет величину протекающего тока, меняется с течением суток, сезонов года, следовательно, и меняется зона распространения
ЭМП. Поэтому строители ЛЭП должны учитывать силу ветров, перепады летних и зимних температур и многое другое. Вот почему строительство каждой новой ЛЭП требует серьезной работы, научных исследований, сложнейших инженерных расчетов и высокого мастерства строителей.
Высоковольтные ЛЭП, находясь в рабочих или аварийных режимах, являются источниками
мощных ЭМП. Большое влияние на режимы работы ЛЭП оказывают перенапряжения, которые являются причиной повышения амплитуды наибольшего рабочего напряжения электрической сети и генерирования электромагнитных помех большой мощности даже в рабочих режимах ЛЭП [2].
Коронный разряд [3] на проводах является основным источником радиопомех на ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения и помех по высокочастотным каналам связи. Коронные разряды на
проводах, изоляторах или арматуре ЛЭП являются источниками помех, так как они создают импульсы тока, поступающие в провода линии. Эти импульсы распространяются по проводам в обоих
направлениях от места их образования и образуют около него электромагнитное поле, являющееся
помехой для высокочувствительных РЭС.
В данной статье будут представлены результаты измерений уровня напряжённости электрического поля индустриальных радиопомех от ЛЭП ВЛ 500 кВ в метровом диапазоне длин волн.
Экспериментальная оценка уровней помеховой эмиссии от ЛЭП
Объектом испытаний являлись ВЛ 500 кВ. Целью испытаний являлось измерение уровней
помех от ЛЭП в диапазоне частот от 100 до 200 МГц и проверка соответствия нормам, установленным в [4]. Испытания проводились согласно [4] на участке ВЛ 500 кВ протяженностью 30 км. Пиковые значения напряженности поля радиопомех не должны превышать значений, указанных на рис. 1.
16
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
Рис. 1. Зависимость допустимого уровня напряженности электрического поля Е ЛЭП от частоты F
Согласно данному рисунку в диапазоне частот от 100 до 200 МГц уровень радиопомех не
должен превышать 30 дБмкВ/м.
В соответствии с [5] измерения проводились в полосе разрешения 120 кГц (BW = 120 кГц).
Для измерения помех от ЛЭП выбиралось место напротив опоры. Так как измерению подлежали ВЛ
500 кВ, то согласно табл. 1 [4], расстояние от места измерения до ближайшей опоры ЛЭП составляло
50 м.
Параметры условий измерений
Напряжение ЛЭП, кВ в полосе частот, МГц
0,15 – 30
30 – 1000
≤ 35
≤ 220
110, 220
330, 500
≥ 330
≥ 750
Таблица 1
Расстояние от проекции крайнего
провода на землю Rн, м
10
50
100
С помощью сертифицированного портативного измерительного приёмника R&S PR100 и активной направленной антенны R&S HE300 фиксировалось наличие и уровень напряжённости электрического поля радиопомех от ЛЭП при ориентации антенны в положениях вертикальной и горизонтальной поляризации, фиксировались мгновенные и максимальное значения [6] в диапазоне частот от 125 до 135 МГц. Испытания проводились в ясную и дождливую погоду.
Измеренные значения уровней радиопомех сравнивались с нормируемой величиной, установленной в [4]. Значение превышения нормы вычисляется по соотношению
∆ = Еизм,макс – Ен,дБ,
где Еизм,макс – измеренный максимальный уровень напряженности электрического поля индустриальных радиопомех от ЛЭП, дБмкВ/м, Ен = 30 дБмкВ/м – уровень нормы напряженности электрического
поля индустриальных радиопомех от ЛЭП.
Результаты испытаний представлены в табл. 2.
На рис. 2–8 представлены спектрограммы зафиксированных радиопомех от опор ЛЭП в диапазоне частот от 125 до 135 МГц. Учитывая сверхширокополосный (более 500 МГц) характер радиопомех от опор ЛЭП, измерения в этой полосе частот эквиваленты измерениям в диапазоне частот от
100 до 200 МГц.
ISSN 1729-2670
Результаты испытаний
№ опоры
№ точки
ЛЭП
измерения
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
17
Таблица 2
Мгновенный уровень
Максимальный уровень
Превышение
напряженности поля в
напряженности поля в точке
нормы, дБ
точке измерения, дБмкВ/м
измерения, дБмкВ/м
1
262
46,8
64,8
34,8
2
266
52,7
64,8
34,8
3
273
54,2
54,6
24,6
4
277
42,5
62,1
32,1
5
287
48,9
49,9
19,9
6
289
45,4
49,2
19,2
7
297
45,1
46,1
16,1
8
305
48,2
54,9
24,9
9
317
48,7
62,9
32,9
10
323
51,8
57,5
27,5
11
328
48,5
52
22
Примечание: Максимальное измеренное значение напряженности поля определялось, как максимальное измеренное значение напряжения с учетом антенного фактора (коэффициент калибровки) антенны R&S HE300.
Рис. 2. Спектрограмма, зафиксированная от опор № 262 ВЛ-500 кВ №№ 565, 566 в точке 1
Рис. 3. Спектрограмма, зафиксированная от опор № 266 ВЛ-500 кВ №№ 565, 566 в точке 2
18
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
Рис.4. Спектрограмма, зафиксированная от опор № 273 ВЛ-500 кВ №№ 565, 566 в точке 3
Рис.5. Спектрограмма, зафиксированная от опор № 289 ВЛ-500 кВ №№ 565, 566 в точке 6
Рис. 6. Спектрограмма, зафиксированная от опор № 317 ВЛ-500 кВ №№ 565, 566 в точке 9
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
19
Рис.7. Спектрограмма, зафиксированная от опор № 323 ВЛ-500 кВ №№ 565, 566 в точке 10
Рис.8. Спектрограмма, зафиксированная от опор № 328 ВЛ-500 кВ №№ 565, 566 в точке 11
Выводы
В результате испытаний установлено, что уровни радиопомех от ВЛ 500 кВ на участке протяженностью 30 км в диапазоне частот от 100 до 200 МГц превышают нормы, установленные [4] и способны оказывать помеховое воздействие на РЭС.
Так как измерения проводились в ясную и в дождливую погоду, и уровень помехового воздействия был зафиксирован в обоих случаях, то источником помехи можно считать коронный разряд.
Проведенный осмотр линий и измерение общего помехового фона выявил следующие возможные
причины повышенного уровня радиопомех:
• неисправные или отсутствующие изоляторы на опорах ЛЭП (в большинстве случаев наблюдалось
значительное увеличение уровня помехового воздействия неисправных секций на опорных изоляторах);
• отсутствие или нарушение правил установки гасителей вибрации и гасителей пляски [7];
• превышение электрического сопротивления соединения целого куска соединяемого провода длиной, равной длине соединения [8].
Так как помехи от ЛЭП являются случайными во времени и зависят от погодных условий и
времени года, то необходимо проводить ремонтные работы на всей протяженности ЛЭП. Требуется
проведение работ по обеспечению соответствия уровней индустриальных радиопомех от опор ЛЭП
установленным нормам.
Вследствие того, что помеха от ЛЭП является широкополосной и случайной во времени, она
способна возникать на разных азимутальных направлениях, соответствующих трассе прохождения
ЛЭП, то не представляется возможным применить ни одно из эффективных средств повышения помехозащищенности РЭС в современных условиях таких, как частотный маневр или адаптация диаграммы направленности [9].
20
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
Поскольку, обеспечение соответствия уровней радиопомех требованиям [4] является трудоемким процессом, требующим больших финансовых и временных затрат, на этапе рекогносцировочных работ целесообразно заблаговременно провести анализ ЭМО и выбрать точку дислокации РЭС, в
которой уровни радиопомех от ЛЭП не будут превышать допустимых значений.
Список литературы
1. Проектирование электрической части станций и подстанций: Учеб. пособие / Петрова С. С.; Под
ред. С. А. Мартынова. — Л.: ЛПИ им. М. И. Калашникова, 1980. — 76 с.
2. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на электронные средства и методы защиты /
Н.В. Балюк, Л.Н. Кечиев, П.В. Степанов – М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. – 478 с.: ил. – (Библиотека ЭМС).
3. Физика газового разряда/Райзер Ю. П. Изд. 2-е. доп. и перераб. — М.: Наука, 1992. — 536 с.
4. ГОСТ 22012-82. Радиопомехи индустриальные от линии электропередачи и электрических подстанций. Нормы и методы измерений. – Взамен ГОСТ 22012-76; введ. 01.07.83.– М.: Издательство
стандартов, 1982. – 8 с.
5. ГОСТ Р 51319 – 99. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний. – Введ.
2001.01.01.– М.: Издательство стандартов, 2000.– 57 с.
6. R&S PR100 Portable Receiver Manual, 2008 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG. − 282 c.
7. ПУЭ «Правила устройства электроустановок. Издание 7». – утв. Приказом МинЭнерго России от
08.07.2002 №204. – 222 с.
8. Каетанович М.М., Якобсон И.А. Соединение проводов воздушных линий электропередачи. Изд.
2-е, переработанное и дополненное. Москва, «Энергия», 1972. – 80 с.
9. Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 2-е, доп. и перераб.– М.: Радиотехника, 2006.– 376 с.
Москва, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца»
Статья поступила 13.04.2014.
A. Pilkov, N. Kuptsov, A. Radomskiy
Experimentalevaluation of the level of the electric field of industrial interference from overhead power
lines in the meter wavelength range
In this article presents the results of measurements of the electric field level of industrial interference
generated by overhead power line in the meter wavelength range.
Moscow, «Academician A. L. Mints Radiotechnical Institute»
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
21
УДК 621.396.6:621.311.426
Ю.Г. Рябов, И.Б. Гуров
Экранирование встроенных
трансформаторных подстанций
Приводятся причины несовместимости санитарных норм и натурных электромагнитных условий. Рассматриваются новые подходы и принципы создания многослойного электромагнитного экрана (МЭЭ) большого
объема, адаптированного для защиты среды обитания от воздействий вращающихся магнитных полей, индуктируемых трехфазным оборудованием
трансформаторных подстанций (ТП), и защиты оборудования самой ТП от
воздействий мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ). Показаны особенности механизмов экранирования магнитных полей, от однофазных и
трехфазных источников. Приведена защищённая патентами конструкция
МЭЭ, применяемая на практике 14 лет.
Ключевые слова: трансформаторные подстанции, вращающиеся поля, защита, экраны многослойные, разделение слоев, эффективность, патенты
Причины несовместимости норм и требований электромагнитной
безопасности с натурными условиями среды обитания
В настоящее время [1, 2, 3] установлена биологическая опасность индукций эллиптически поляризованных (ЭПП) (санитарная терминология) вращающихся электромагнитных полей (ВЭМП)
(электротехническая терминология) – магнитной (ВМП) и электрической (ВЭП) составляющих от
трехфазных источников не только промышленной частоты (ПЧ) 50 Гц, но и излучений вращающихся
полей СВЧ [2]. Если 30 лет назад в жилых и офисных помещениях доля индукций ВЭМП от трехфазных цепей в общей суперпозиции полей ПЧ составляла 10–15%, то сегодня их доля достигает
50–80%. На объектах и рабочих местах энергетиков и многих промышленных цехов практически все
интенсивные поля ПЧ (90%) индуктированы трехфазными сетями и оборудованием.
В среде пребывания людей особенно опасен (недопустим) фон ВЭМП левосторонних направлений [2, 3, 5]. Но в СанПиН [4] и др. отсутствуют методы контроля биологически опасных (по сравнению с ЛПП ЭМП ПЧ) воздействий на человека суперпозиций ВЭМП, левосторонних направлений
ВЭМП и воздействий фона индукций гармоник 500 (2000) Гц тока в современных электросетях
(рис. 1). Такая ситуация характерна на многих рабочих местах, в помещениях квартир, коттеджах и
т.п. В России до сих пор нет государственных санитарных норм и требований электромагнитной совместимости (ЭМС) на ВЭМП. Нормы электромагнитной безопасности (ЭМБ) и требования ЭМС регламентируют только линейно поляризованные поля (ЛПП) – индуктируемые элементами однофазного электроснабжения. Но ЛПП является частным случаем ЭПП, а ЭПП-частным случаем суперпозиции ВЭМП [5−8].
Токи гармоник, действующие в современных электросетях здания, вызывают перегрев силовых трансформаторов, электродвигателей, линий передачи, устройств коммутации, ускоряют процессы коррозии элементов металлоконструкций. В результате чего снижается электропрочность изоляции, снижается энергоэффективность, нарушаются условия пожарной безопасности, уменьшается их
остаточный ресурс и т.п. Токи гармоник в высоковольтной изоляции вызывают возрастание интенсивности коронных и искровых «частичных разрядов» (ЧР), сопровождаемые излучением электромагнитных импульсов (ЭМИ), ускоряющие процесс старения изоляции [9, 10].
Концентрированными источниками санитарной и техногенной электромагнитной опасности в
среде обитания являются встроенные в здания и пристроенные неэкранированные трансформаторные
подстанции (ТП). Только в Москве таких ТП около 1000, в С.Петербурге более 500, а во всей России
– более 30 тысяч. Высокая стоимость городской земли (для отдельно стоящих ТП приходится отчуж-
22
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
дать 1400−1800 кв.м земли), проблемы с прокладкой трасс кабельных коммуникаций, высотные сооружения и здания принуждают разработчиков встраивать ТП в здания даже на 30-х−40-ых этажах.
Повышается мощность ТП (раньше было 250–650 кВА, сейчас 1600–2500 кВА). Нормы ВОЗ – индукции МП ПЧ 0,2 мкТл при максимальных нагрузках неэкранированных ТП, обеспечиваются на расстояниях до 12−15 м от ТП. В этом пространстве фиксируют наличие вращающихся магнитных полей (ВМП). Условия усугубляются, если используется система электроснабжения типа TN (по ПУЭ),
которая создает дополнительные угрозы здоровью людей, коррозионной надежности металлоконструкций, ЭМС технических средств (например, устройств пожарной и охранной сигнализации и
т.п.). Причиной тому являются дискомфортные нормы СанПиН − 500 В/м и 8 (4) А/м для населения.
Зарубежные строители обеспечивают в помещениях для людей комфортные условия до 10 В/м и до
0,12 А/м [1, 5, 7−9].
Рис. 1. Типичная форма тока в сети жилого
здания. Ось Y − амперы. Ось X − номер гармоники 50 Гц (осциллограммы представлены
Г.Н. Яковлевым)
Поэтому, во многих случаях единственным альтернативным методом защиты
жилых и производственных помещений от
ВМП ПЧ является экранирование источников этих полей, в частности, мест размещения оборудования встроенных, пристроенных и отдельных ТП: трансформаторов,
ГРЩ-0,4 кВ, РУ-10 (20) кВ и раскладок питающих кабелей (РПК) электроснабжения
внутри и/или снаружи здания [6, 10−14].
Если встроенные и пристроенные ТП не
экранировать, то при вводе оборудования ТП в эксплуатацию 100–200 кв.м арендуемых помещений,
смежных с ТП, приходится переводить в безлюдные помещения, стоимость аренды которых в несколько раза ниже, чем для офисных и жилых помещений, не считая потерь здоровья людей.
Кроме того, сегодня энергетическое оборудование ТП и система электроснабжения здания
должны быть надежно защищены от поражающих внешних воздействующих факторов (ВВФ). В случаях воздействий на здания молниевых разрядов (МР), полей электромагнитных импульсов (ЭМИ),
электронного оружия, преднамеренных силовых электромагнитных воздействий (ПС ЭМВ по ГОСТ
Р 52863-07) энергия поражающих помех в сетях IT (ТТ), например, выполненных по ГОСТ Р
50571.28 – 2006 (МЭК 60364-7-710: 2002), будет более чем в 10 раз меньше, чем в сетях TN. Поэтому
защита встроенного, пристроенного и отдельно расположенного оборудования ТП и модернизация
системы электроснабжения должна стать обязательной частью системы обеспечения защиты зданий
от ожидаемых угроз взрывов, пожаров, воздействий МР и ЭМИ и соответствовать комплексу требований электромагнитной совместимости (ЭМС) и искровой защиты [5, 6, 9, 14].
Многослойный электромагнитный экран (МЭЭ)
для встроенных и пристроенных ТП
Далее рассматривается конструкция МЭЭ, принципы экранирования которой отработаны в
течение 14 лет на четырех десятках разнообразных объектов ТП: в Москве, Московской области, Самаре и др. Эффективность МЭЭ подтверждена результатами контроля компетентными организациями и Роспотребнадзора. МЭЭ используется для защиты человека и технических средств от воздействий ВЭМП ПЧ и ЛПП ЭМП, индуктируемых оборудованием ТП и сильными токами (до 3500 А)
линейных раскладок питающих кабелей (РПК) 0,4 кВ.
Подобные МЭЭ были испытаны на воздействие ЭМИ большой длительности с фронтом
нарастания до 7 нс. МЭЭ (дополнительно к акустической защите) ослабляет уровень акустического
шума, генерируемого силовыми трансформаторами, в пределах 8–12 дБА. Рассматриваемый МЭЭ
преобразует и подавляет ВМП ПЧ в отличии от однослойных ЭЭ или многослойного пакетного ЭЭ
(ПЭЭ), ещё применяемых в практике. Конструкция МЭЭ обеспечивает приемлемую стабилизацию
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
23
уровня фона МП в защищаемых помещениях при повышении интенсивности индукций от ТП
(например, при перегрузке трансформатора). Применение листов ЭЭ с защитным покрытием и
уменьшение частоты перехода металла листов через «точку росы» в результате его нагрева МП ПЧ
обеспечивают снижение скорости электрохимических и биологических коррозионных процессов, за
счет чего ожидаемый эксплуатационный ресурс МЭЭ составляет не менее 25 лет [8, 13, 14].
Базовая конструкция МЭЭ (рис. 2) состоит из трех экранирующих слоев. Первый и третий
слои выполнены из листов изотропной электротехнической стали (динамной, а не трансформаторной)
толщиной 1 мм. Между листами расположена решетка (2-ой слой), выполненная, например, из металлической прямоугольной трубы 80×40 мм (толщина стенки 2 мм), ячейки которой играют роль
запредельного волновода. Ячейки решетки подавляют вертикальные составляющие МП, прошедшие
от 1-го слоя ВМП. Таким образом, в пространстве «решетка – 3-ий слой МЭЭ», реализуя механизм
запредельного волновода, ожидается наличие только составляющей линейно поляризованного (ЛП)
МП, ослабленного решеткой. Третий слой должен подавить это ЛП МП до заданного заказчиком безопасного уровня в защищаемых помещениях.
Рис. 2. Конструкция многослойного электромагнитного
экрана (МЭЭ): 1 и 2 − стальной лист, 3 − пример нахлеста
боковых и торцевых соединений стальных листов при их
монтаже, 4 − направляющие трубы (и перемычки между ними). 5 − зазор между листами, 6 − непрерывный сварочный
шов (соединяет все боковые и торцевые нахлесты)
Падающее ВМП на первый от источника МЭЭ
стальной лист вызывает в нем ортогонально плоскости
ВМП большой ток, возникающий от воздействий индуцированных ВМП ЭДС, подобно процессам, происходящим в
роторе заторможенного асинхронного двигателя, когда его
коэффициент скольжения S = 1. Если сопротивление листа
току в этом направлении будет большим, то возникающее
падение напряжения на этом листе вызовет емкостные токи
и токи проводимости к решетке, снижая, таким образом,
общую эффективность экранирования МЭЭ. Если сопротивление листа току в направлении к решетке будет небольшим, то в листе будут преобладать, так
называемые, «размагничивающие» токи, индуктирующие в пространстве «источник – экран» показатели МП такой фазы и мгновенного направления вектора, которые противодействуют мгновенным
показателям МП источника. Во многих литературных источников по экранам на это обстоятельство
не обращалось внимания.
В свою очередь, ферромагнитный металл листов электротехнической стали и труб решетки в
результате действия вихревого эффекта и гистерезисного перемагничивания поглощает энергию
экранируемого МП ПЧ, нагревает элементы экрана, повышая эффективность экранирования МЭЭ.
Потери энергия перемагничивания пропорциональны площади петли гистерезиса МП ПЧ металла
элементов экрана. Потери энергии экранируемой индукции МП ПЧ от вихревых эффектов зависит от
электрической проводимости и относительной магнитной проницаемости металла элементов экрана.
Чем выше электрическая проводимость и магнитная проницаемость металла – тем больше потери на
вихревые токи. Поглощение энергии гармоник металлом экрана увеличивается пропорционально номеру гармоники МП ПЧ [10−14].
Эффективность экранирования зависит также от вида заземления слоев МЭЭ и формы конструкции экрана. Классические формы сплошных тонкостенных экранов без щелей: куб, цилиндр,
шар по степени их эффективности экранирования внутреннего источника МП ПЧ можно оценить как
1:2:3 [10−11].
Эффективность экранирования ЛП МП ПЧ двухслойного с зазором ЭЭ, выполненного из
стальных листов, почти в 4 раза выше, чем эффективность двухслойного экрана без зазора, и в 4 раза
меньше по массе металла, при одном и том же значении эффективности. При непосредственном со-
24
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
единении второго слоя к первому их эффективность увеличивается только примерно на 20%, последующих примерно на 15%. При оптимальном зазоре, разделяющем слои ЭЭ, их эффективности
умножаются. Результаты модельных экспериментов МЭЭ (с зазором) и ПЭЭ (без зазора) образцов
стальных листов толщиной t = 1 мм приведены в [13].
Технология монтажа МЭЭ приведена в [6]. Методика раздельной оценки уровней ЛПП и
ВМП, действующих в суперпозиции ВМП ПЧ, разработана в патенте на изобретение [8]. Описание
конструкции, оценка эффективности, характеристики и свойства МЭЭ приведены в [6, 12, 13].
Механизмы экранирования магнитного поля ПЧ стальным листом
Механизмы экранирования магнитных полей низкой частоты тонколистовыми однослойными
ферромагнитными экранами приведены во многих работах [10, 11, 14]. Известно, что эффективность
экранирования ЭМП ПЧ однослойным стальным листом в общем случае можно представить как
сумму потерь на поглощение Sпогл., потерь на отражение Sотр. и корректирующего коэффициента
Sм.отр., учитывающего многократное отражение в тонких листах, т.е. когда глубина проникновения δ
больше толщины t листа δ > t. Если все составляющие выразить в децибелах, то эффективность электромагнитного экрана (ЭЭ) можно представить выражением Щелкунова [10].
Sэф (дБ) = Sпогл + Sотр − Sм.отр.
Отражение падающего на первую поверхность экрана низкоимпедансного МП ПЧ происходит в основном от второй поверхности стального листа. Нормальный к поверхности листа вектор
индукция ЛП МП беспрепятственно (без отражения) проходит через первую поверхность листа, отражаясь от второй поверхности листа, вызывая в ней ток. Если направление падения вектора индукции МП на лист не совпадает с нормалью к поверхности, отражения от внешней поверхности и между поверхностями внутри листа увеличиваются. При отражении МП его фаза изменяется на 180°. Поэтому напряженности прошедшего в лист МП и отраженной волны фактически будут суммироваться
до удвоенного значения напряженности. Такая большая величина поля в листе усиливает влияние
составляющей Sм.отр. многократного отражения, что снижает эффективность экранирования [10].
В ближнем поле потери на отражение для МП ПЧ малы, вследствие многократных отражений
в тонком листе (δ > t). Эффект многократных отражений снижает эффективность экранирования более резко, чем снижение затухания за счет механизма вихревых токов (скин-эффекта) при уменьшении отношения t/δ. Корректирующий коэффициент Sм.отр. многократного отражения для МП имеет
отрицательное значение и вычисляется согласно выражения [10]
S м.отр. (дБ) =20 ⋅ lg(1 − e −2t /δ ) ; δ =
66
f ⋅ μ rотн
⋅σ
, мм,
где µr – относительная магнитная проницаемость стали; σотн – относительная удельная проводимость
листа ЭЭ относительно меди (для стали Gотн = 0,1); f = 50 Гц – частота МП ПЧ.
В ближнем поле основные потери для ЛП МП ПЧ составляют потери на поглощение [10]
S погл = 0,131μ
t σf r отн , дБ.
Рассчитаем показатели δ, Sпогл. и Sм.отр. для 2-х листов толщиной 1 и 0,5 мм изотропной листовой
стали µr = 1300; σотн= 0,1; f = 50 Гц. Вычисляя по вышеприведенным выражениям, получаем:
Сталь t = 1 мм
Сталь t = 0,5 мм
δ = 0,82 мм; t > δ;
δ = 0,82 мм; t < δ;
Sпогл 1 (дБ) = 10,56 дБ
Sпогл 0,5 (дБ) = 5,28 дБ
Sм.отр 1 (дБ) = − 0,79
Sм.отр 0,5(дБ) = − 3,04
дБ
дБ
Sэф 1= 10,56 – 0,79 =
Sэф 0,5 = 5,28–3,04 =
9,77 дБ
2,24 дБ
Таким образом, эффективность экранирования ЛП МП ПЧ стальным листом толщиной t = 1 мм
выше, чем эффективность листа из той же стали толщиной t = 0,5 мм на 9,77–2,24=7,53дБ – в 2,38 раза. К тому же, стоимость более тонкого листа всегда выше из-за большего количества металлургического проката и передела.
В экранированных помещениях ТП: трансформаторных боксах, ГРЩ-04кВ и РУ-10 (20) кВ
наблюдают сложную суперпозицию ВМП пространственного распределения. Такое состояние вызвано токами в вертикальных и горизонтальных шинах, токами вводных – выводных кабелей, токами
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
25
рассеивания трансформаторов и др. В пространстве между источником поля и замкнутым экраном
интенсивность МП ПЧ может возрастать в 2−4 раза за счет сложения с индукцией МП, вызванной
размагничивающим индуцированным током в металле экрана. К тому же суммарный вектор суперпозиции МП меняет свое направление во времени (качается) в зависимости от коммутации нагрузок в
фазах и изменения (девиации) их реактивности. Из-за этого вектор ВМП может воздействовать на
стальные слои ЭЭ со всех направлений и под разными углами. Значит, материал слоев ЭЭ должен
быть изотропным, т.е. должен ослаблять МП равной интенсивности одинаково во всех направлениях.
Однако, в натурных условиях магнитные свойства внешнего слоя МЭЭ могут искажаться от
воздействий напряженности ГМП или от магнитного поля, индуктируемого протекающим по листу
паразитным током, вызванным уравниванием потенциалов, системой заземлений и т.п. [6]. Для неферромагнитного материала листа ГМП не оказывает заметных влияний. А изотропный магнитомягкий стальной лист может стать анизотропным в направлении действия вектора напряженности
ГМП из-за смещения рабочей точки на нелинейной характеристике зависимости µ = f(В/Н) [6].
Эффективность экранирования ЛП МП ПЧ тонколистовым неферромагнитным металлом зависит от его электрической проводимости, квадрата толщины и магнитной проницаемости свободного
пространства μ 0 = 4π10−7 Гн/м. Для ферромагнитного материала эффективность ЭЭ также зависит от
относительной магнитной проницаемости µr, величина которой для применяемой электротехнической стали составляет µr = 1200–2500. При одной и той же толщине t медного листа эффективность
экранирования стальным листом МП ПЧ, по крайней мере, в 10 раз больше, несмотря на то, что проводимость меди в 10 раз выше.
При выборе листового ферромагнитного материала в процессе разработки ЭЭ учитывают следующие параметры: индукцию насыщения Bs; коэрцитивную силу Нс; начальную магнитную проницаемость µ; электрическую проводимость σ; удельные (или ваттные) потери Рп; изотропность. Чем
больше Bs, тем больше µ. Большей Нс соответствует большей уровень насыщения листа МП и гистерезисных потерь (в отличии от требований к анизотропной трансформаторной стали). Чем больше µ,
σ, Нс и Рп, тем выше эффективность листового ЭЭ.
Основными механизмами экранирования ферромагнитными материалами ЛП МП ПЧ являются: шунтирование, вихревое затухание тока в толще защитного металла (вещества) и гистерезисное
поглощение [10, 11, 14]. Но ЛП МП является частным случаем ВМП. Поэтому, кроме механизмов
затухания ЛП МП, при воздействии ВМП на металлический лист необходимо учитывать действие
вихревой ЭДС, направленной ортогонально плоскости ВМП, как в заторможенной клетке ротора линейного асинхронного двигателя, когда скольжение S = 1. Эта ЭДС, в зависимости от напряженности
падающего на экран ВМП, вызывает большой поперечный ток в листе и вращающий момент в элементах ЭЭ. Поэтому, при проектировании МЭЭ должны быть предусмотрены решения, которые позволяют снизить плотность тока на второй поверхности 1-го от источника ВМП слоя ЭЭ.
Однослойные листы ЭЭ не подавляют и не преобразуют ВМП ПЧ, а только вносят затухание.
Прошедшее через лист ЭЭ ВМП искажается, меняет направление плоскости поляризации, но представляет так же суперпозицию полей ВМП и ЛПП. Таким образом, однослойные листы ЭЭ не обеспечивают главную цель экранирования – преобразовать ВМП в ЛПП − подавить ВМП.
Некорректными являются рекомендации в рекламных материалах, приводимых в интернете, по
применению пермаллоя, аморфных и других композиционных материалов, для экранирования оборудования ТП и силовых кабелей. Несмотря на высокие значения начальной магнитной проницаемости
у пермаллоя (µr > 100000), она снижается в 10 и более раз при механических, температурных воздействиях и действий сильных токов. Материал с течением времени насыщается и его необходимо периодически подвергать специальному отжигу, иногда в водородной среде, что практически не всегда
возможно.
Новыми, и пока мало изученными, магнитномягкими материалами являются аморфные и нанокристаллические сплавы переходных металлов с металлоидами [14]. Эти материалы, обладая магнитной проницаемостью и коэрцитивной силой, сравнимыми с лучшими видами пермаллоя, допускают
значительные механические напряжения и пластические деформации в готовой конструкции без
ухудшения этих характеристик. Однако из-за малой толщины материала (0,05–0,2 мм), низкой проводимости материала (до 5 раз меньше стали), небольшой ширины ленты (несколько сантиметров),
производимой в РФ, реализуемая эффективность экранирования МП ПЧ однослойного ЭЭ не на много превышает эффективность листа электротехнической стали [6, 14]. Эти материалы сохраняют свои
26
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
уникальные магнитные свойства только в узком температурном диапазоне. При нагревании до
1200°С они могут необратимо деградировать. Экранирование ВЭМП ПЧ не эффективно из-за низкой
проводимости составных лент. По указанным причинам использовать эти материалы рекомендуется
для экранов небольших размеров и с большой осторожностью.
Во встроенных и пристроенных ТП приходиться экранировать от 400 до 1000 кв.м поверхности
помещений. Стоимость 1 кв.м листа холоднокатанной изотропной электротехнической стали толщиной 1 мм сегодня составляет 250−300 руб. А стоимость 1 кв.м пермаллоя и рекламируемых новых
материалов для экранирования – от 70 до 400$ (США) [6]. Очевидна экономическая эффективность
заявленного в статье МЭЭ.
Подходы к созданию эффективной конструкции МЭЭ
Ввиду сложной пространственной структуры суперпозиции ВМП и ЛПП ПЧ в помещениях ТП,
вектор напряженности которых может действовать во всех направлениях, необходимо для внутреннего слоя МЭЭ использовать изотропную тонколистовую электротехническую магнитомягкую сталь
с содержанием кремния (Si) менее 0,4%. Такая сталь имеет высокую индукцию насыщения Bs и низкую коэрцитивную силу Нс. Эффективность замкнутой оболочки ЭЭ из магнитопроводящего материала в основном определяется величиной магнитной проницаемости в диапазоне изменения напряженности экранируемого МП, проводимостью, удельными потерями, формой конструкции, видом
заземления и способом блокирования ГМП.
Поэтому одной из основных технологических задач при создании ЭЭ является сохранение изотропности для магнитного потока и тока, протекающих по стальному листу во всех направлениях ЭЭ.
Анизотропность в любом направлении снижает эффективность экранирования и эффект подавления
ВМП в этом направлении. Анизотропность в стальных листах ЭЭ для магнитного потока проявляется: в сварочных швах в местах нахлестов при соединении боковых сторон листов, в щелях, расположенных поперек магнитного потока или тока, в технологических проемах и т.п.
Металл сварочного шва, нагретый выше точки Кюри, переходит в парамагнитное состояние,
насыщается ГМП, из-за чего снижается его магнитная проницаемость. Увеличивается сопротивление
листа магнитному потоку в направлении поперек шва, по сравнению с металлом в направлении вдоль
сварочного шва. Из-за повышения сопротивления МП ПЧ уменьшаются потери на вихревые токи и
гистерезис, что вызывает снижение эффективности экранирования слоя ЭЭ. В рассматриваемой конструкции МЭЭ (рис. 2) предусмотрена частичная компенсация ГМП в стальных листах внешнего (3го) слоя за счет магнитного поля собственной намагниченности J направляющих труб решетки 2-го
слоя МЭЭ, вектор которых направляют навстречу вектору ГМП [6, 13, 14].
Из рис. 2 следует, что при сближении экранирующих слоев увеличивается их взаимная индуктивность и емкость между ними, вызывая снижение эффективности МЭЭ. При увеличении зазора
между слоями уменьшается их взаимная индуктивность и емкость между ними, вызывая повышение
эффективности МЭЭ. Оптимизация эффекта «разделения» слоев является важным механизмом эффективности экранирования МЭЭ и является одним из основных способов эффективной защиты: от
воздействий низкочастотных МП, индуцированных токами нескольких тысяч ампер, от воздействий
ВМП путем их преобразования в ЛП МП и подавления ЛП МП, а также защиты от излучений мощных ЭМИ. При длине растекания индуцированного тока по листу экрана на расстояние приблизительно 1 м оптимальный зазор между слоями будет находиться в области не менее 0,1 м [13].
Если применять тонкие листы стали, у которых глубина скин-слоя δ больше толщины t листа
(δ > t), то при сближении листов эффект многократного отражения будет компенсировать эффект поглощения и эффективность экранирования будет еще ниже, чем в случае δ < t.
Функциональные особенности решетки – 2-го слоя МЭЭ
Прямоугольные направляющие трубы и перемычки между ними, образуют ячейки решетки
(рис. 2 и 3), подобно как в запредельных волноводных фильтрах СВЧ [11−14].
Основные функциональные задачи экранирующей решетки:
• преобразование прошедшего через первый слой ВМП в ЛП МП. Процесс преобразования
происходит путем ослабления в ячейках вертикальных составляющих ВМП. Горизонтальные составляющие ВМП затухают в основном за счет эффектов вихревых токов и гистерезиса;
• регулирование величины затухания в МЭЭ МП путем изменения площади ячеек решетки;
ISSN 1729-2670
•
•
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
27
компенсация воздействия внешнего ГМП на смежные стальные листы путем размещения
направляющих труб таким образом, чтобы вектор собственной намагниченности J (А/м) (по
прокату или принудительной) был направлен навстречу вектору ГМП. Такое расположение
направляющих труб обеспечивает смещение рабочей точки материала листа в область
большого значения µ, снижая анизотропность внешнего слоя МЭЭ [6];
подавление в полостях между 1-м и 3-м слоями поперечных резонансных явлений, возникающих при коммутациях нагрузок в электросети, коротких замыканий, молниевых разрядов, воздействий внешних ЭМИ.
Рис. 3. Монтаж и контроль МЭЭ, встроенной
ТП в здание на Долгоруковской улице,
г. Москва
Когда напряженность Ни падающего МП
ПЧ на первый слой (рис. 2) не насыщает его,
то решетка вносит расчетное значение затухания в общий баланс эффективности МЭЭ. Если напряженность Ни источника насыщает
первый слой МЭЭ, то в спектре МП, проникающего к решетке, появляются гармоники,
которые затухают с большей эффективностью
согласно механизмам вихревых токов и гистерезиса. Затухания МП для ячейки квадратной
формы определяем из выражения Эя = e π⋅l / b
для низкочастотного МП [11]. Например, если
b = 200 мм – ширина ячейки, а ℓ = 80 мм – глубина ячейки, то Эя = 3,5 раза.
Металлическая решетка служит конструктивным элементом, разделяющим слои 1 и 2 МЭЭ и
определяющим зазор d между слоями листов. Такую решетку иногда применяют в качестве несущего
каркаса стены (например, вместо кирпичной стены), отделяющей ТП и ГРЩ от защищаемого помещения. Иногда разделение слоев листов ЭЭ обеспечивает решетка, выполненная из диэлектрического
материала, например, из поперечно соединенных досок с взаимными разрезами. Необходимо только
всегда соблюдать условия максимальной эффективности ЭЭ: размер зазора должен быть много
больше толщины слоя ЭЭ, d >> t, тогда эффективности экранирования их слоев умножаются [13, 14].
Заключение
1. Необходимость экранирования ТП вызвана нарастающими проблемами повышения их мощности,
поражающими воздействиями индукций ВЭМП на человека и ТС, стремительным развитием инфраструктуры зданий, защиты самого оборудования от внешних воздействующих факторов и
дезорганизующими консервативными санитарными нормами РАМН [5, 9].
2. Определены требования к выбору материала стальных листов слоев МЭЭ.
3. В дополнении к механизмам экранирования индукций ЛП МП ПЧ учтены особенности экранирования ВМП от возникающих вихревых ЭДС, вызывающих большие токи в материале МЭЭ, путем применения решетки, снижения анизотропности ЭЭ, разделения слоев ЭЭ и т.п.
4. Показаны новые подходы к преобразованию ВМП ПЧ в ЛПП ПЧ и методы их эффективного подавления на примере 3-х слойного МЭЭ – «лист – решетка – лист» (рис. 2).
5. Определены преимущества МЭЭ перед однослойными, пакетными ЭЭ, а также экранами, выполненными из неферромагнитного и аморфного материалов, из пермаллоя и т.п.
6. Защищенная патентами конструкция МЭЭ (рис. 2 и 3) является эффективной по критериям эффективность/металлоемкость/стоимость/ресурс по сравнению с альтернативными вариантами.
Список литературы
1. Electromagnetic Fields and Public Health. Extremely Low Frequency Fields and Cancer. Fact Sheet no/
263 – Geneva: WHO, 2001. 14 с.
2. Архипов М.Э., Куротченко Л.В., Новиков А.С., Субботина Т.И., Хадарцев А.А., Яшин А.А.
«Воздействие право- и левовращающихся электромагнитных полей на биообъекты: физические
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
28
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
ISSN 1729-2670
модели и эксперимент». Под. ред. д.м.н., проф. Т.И. Субботиной и заслуженного деятеля науки
РФ, д.б.н., д.т.н., проф. А.А. Яшина. ГУП НИИ новых медицинских технологий. Москва–Тверь–
Тула. ООО. − Изд. «Триада», 2007. − 200 с.
Белкин А.Д. Структурно-функциональные изменения в организме при действии техногенных
вращающихся переменных полей и механизм их возникновения. Диссертация на соискание учёной степени доктора биологических наук. Новосибирский медицинский институт, 1999 г.
СанПиН 2.1.2.2645-10. Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях.
Рябов Ю.Г., Энговатов В.И., Билецкий С.Э. Концепция энергетической и электромагнитной безопасности (ЭЭМБ). − Энергобезопасность и энергосбережение. − 2008. − № 1. − С. 8−13.
Рябов Ю.Г., Бочков Ю.И. Реализация экранирования магнитных полей трансформаторных подстанций, встроенных в здания. − Технологии ЭМС. − 2004. − № 2(9). − С. 45–50.
ГОСТ Р 51318.24–99 «СТСЭ. Устойчивость оборудования информационной техники к магнитным полям промышленной частоты. Требования и методы контроля».
Способ оценки магнитной безопасности. Патент на изобретение №2398246 от 27.08.2010г.(RU).
Авторы : Рябов Ю.Г., Гуров И.Б.
Рябов Ю.Г., Яковлев Г.Н., Ломаев Г.В., Яшин А.А., Билецкий С.Э. Погода в доме. − Охрана труда
и социальное обеспечение. − 2014. − № 4 − С. 60−70.
Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электроустановках и системах. − М.: Мир, 1979. −
317 с.
Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. − Л.: Энергия, 1975. − 112 с.
Многослойный электромагнитный экран. Патенты: № 2381601 от 10.02.2010 г.на изобретение;
№ 852627 от 27.07.2009 г. на полезную модель. Авторы: Рябов Ю.Г., Гуров И.Б.
Рябов Ю.Г., Гуров И.Б., Ломаев Г.В., Билецкий С.Э. и др. Многослойный электромагнитный
экран для защиты среды обитания от электромагнитных воздействий. − Энергобезопасность и
энергосбережение. − 2011. − № 1. − С. 3−7.
Кечиев Л.Н., Акбашев Б.Б., Степанов П.В. Экранирование технических средств и экранирующие
системы. − М.: ООО «Группа ИДТ», 2010. – 470 с.; ил. − (Библиотека ЭМС).
ЗАО «Спецпроект»
Статья поступила 23.05.2014.
Ryabov J.G., Gurov I.B.
Shielding of the built-in transformer substations.
In this article the authors: give the reasons of incompatibility of the sanitary standards and fullscale electromagnetic conditions; explore new approaches, principles of creation of the multi-layer electromagnetic shielding (MLES) of large volume, adapted to protect the environment from the effects of the rotating magnetic fields, induced by three-phase equipment of the transformer substations (TSS), and protection
of the equipment of TSS from the influences of powerful electromagnetic pulses (EMP); show the features of
the mechanisms of shielding of magnetic fields from single-phase and three-phase sources; give the design of
MLES, protected by patents, applied in practice 14 years.
Key words: transformer substations, the rotating fields, protection, separation of layers, multi-layer
screens, efficiency, patents
ZAO «Specinzhproekt»
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
29
УДК 621.317.7:621.391:681.3.06
П.В. Ивлев, Н.М. Крючков, Ю.В. Савин, Д.В. Демский
Программный модуль обработки данных
измерителя эффективности экранирования РЭА
Дается описание программного модуля обработки данных измерителя, позволяющего решать следующие задачи: считывать данные из памяти
измерителя, визуализировать полученную информацию (величину напряженности электромагнитного поля в заданной полосе частот внутри экранированной конструкции) и вычислять эффективность экранирования. Измеритель имеет автономный источник питания. Запись ведется во внутреннюю
память измерителя с последующим считыванием данных модулем после завершения цикла измерений. Модуль работает под операционными системами семейства Windows и Linux.
Ключевые слова: электромагнитное поле, эффективность экранирования, измерение, автономный режим, микроконтроллер, энергонезависимая память, язык программирования Python
Введение
Одним из наиболее важных методов обеспечения ЭМС электронных средств (ЭС) является
экранирование [1−3].
Существующие методики и средства измерения не позволяют достоверно измерить эффективность экранирования реальных конструкций на разных частотах c учетом материалов (проводимости и толщины), наличия щелей, отверстий и других неоднородностей, так как измерения производятся с помощью моделирования и/или математического расчета по известным формулам. Поэтому
теоретическая оценка эффективности экрана носит весьма условный характер.
Для решения данной проблемы предназначен измеритель, описанный в [5, 6, 7], который состоит из следующих узлов: антенна, логарифмический усилитель, микроконтроллер со встроенным
АЦП, энергонезависимая память, конвертер RS-232/USB, элемент питания.
Схема измерения
Схема измерения напряженности поля внутри экранированного блока с помощью такого
устройства приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема проведения измерения поля внутри экранированного блока
Для получения численной характеристики ослабления проходящего через экран электромагнитных волн, используются показатель эффективность экранирования S:
E
H
; [дБ],
=
S 20
=
lg
; S 20 lg
Esh
H sh
(1)
30
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
где E и H соответственно электрическая и магнитная составляющей поля до установки экрана, а Esh и
Hsh электрическая и магнитная составляющая после установки экрана.
Преимуществом данного способа измерения является то, что измерительное устройство находится внутри испытуемого блока. Таким образом, отпадает необходимость использования кабельной
линии от измерительной антенны к измеряющему блоку, которая может создать дополнительную
нештатную апертуру в испытуемом блоке [7].
Считывание результатов измерений
Считывание данных в приборе [5, 6, 7] производилось с помощью эмулятора терминала. Это
программное обеспечение, которое позволяет использовать компьютер в качестве пользовательского
терминала на линии или в сети передачи данных, принимая и отправляя данные через последовательный порт (рис. 2).
Рис. 2. Окно терминала со считанными данными
Недостатки такого способа очевидны: неудобство считывания данных (в текстовый файл) и
необходимость дальнейшей обработки (вычисление напряжённости электромагнитного поля и эффективности экранирования, построение графиков, например с помощью MathCAD).
Для повышения удобства работы с прибором предлагается описанное ниже оригинальное
программное обеспечение и усовершенствованная методика измерений [8−10, 14].
«SE Calculator»
Перед использованием измерителя, для оценки эффективности экранирования, предполагается [9] проводить расчёт в программе «SE Calculator» [8, 10, 14].
Предварительная оценка позволяет осуществить выбор антенны и диапазона частот, а также
материала, формы и размера апертур экрана. Так же программа позволяет построить 3D модель экрана, путём задания геометрических параметров экрана, а также расположения апертур, если они присутствуют.
Большим плюсом использования этого программного продукта является то, что все вычисления происходят молниеносно. Это позволяет в режиме реального времени менять значения исходных
данных и получать результат эффективности экранирования. Особенностью этой программы является то, что помимо результата эффективности экранирования, пользователю предлагается обратить
внимание на значения частот, при которых происходит резонанс.
Если отказаться от использования программы «SE Calculator», придётся проводить измерения
во всём диапазоне частот с разными антеннами (снимать экран, осуществлять замену антенн, устанавливать экран и т.д.), что резко увеличивает время измерений.
Программный модуль
Для создания программного модуля [9] был выбран язык программирования Python.
Python ― это интерпретируемый язык программирования высокого уровня, ориентированный
на повышение производительности разработки и читаемости кода.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
31
Выбор языка Python позволил относительно легко реализовать платформонезависимость и
гибкость в модернизации.
Графический интерфейс основан на библиотеке Tkinter.
Визуализация результатов измерений реализована с использованием библиотеки Matplotlib.
Графический интерфейс
Графический интерфейс пользователя предназначен для взаимодействия с программным модулем, состоящим из 3-х блоков (рис. 3).
Рис. 3. Структурная схема программного модуля
Для удобства работы, и дальнейшего наращивания функционала кнопки, отвечающие за доступные пользователю функции, разнесены по тематическим вкладкам меню:
• настройки системы,
• работа с измерениями,
• теоретический анализ.
Графический интерфейс пользователя приведен на рис. 4.
Рис. 4. Графический интерфейс пользователя
32
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
Настройка системы
Вкладка меню Настройка системы <F1> (рис. 5) предоставляет возможность настроить основные параметры программного модуля.
Настройки включают в себя:
Параметры COM-порта ― подключение специализированного измерителя к ПЭВМ через
виртуальный COM-порт (название псевдотерминального устройства, скорость работы и т. д.).
Представления данных ― измеритель не способен самостоятельно сопоставлять измеренные значения с частотой. Для этого реализован блок, позволяющий выполнить это программно.
Калибровочные коэффициенты ― функция, позволяющая учитывать неравномерность АЧХ
антенн.
Рис. 5. Вкладка меню Настройка системы <F1>
Работа с измерениями
Вкладка меню Работа с измерениями <F2> (рис. 6) содержит функции для обработки, визуализации и сохранения в память ПЭВМ результатов измерений.
Вкладка включает в себя блоки:
Напряжённость, без экрана — блок предназначен для загрузки данных из памяти измерителя (клавиша измеритель) и из памяти ПЭВМ клавиша Файл в программу, а также сохранения обработанных результатов в память ПЭВМ.
Напряжённость, с экраном — блок выполняет аналогичные функции, но для удобства выполнен в виде самостоятельной структуры.
Эффективность экранирования ― блок содержит функции по расчёту и визуализации коэффициентов экранирования и сохранению полученных результатов в память ПЭВМ.
Рис. 6. Вкладка меню Работа с измерениями <F2>
Теоретический анализ
Вкладка меню Теоретический анализ <F3> (рис. 7) содержит функции для теоретического
анализа эффективности экранирования.
Вкладка включает в себя блоки:
Характеристики экрана – Блок предназначен для задания характеристик сплошного экрана.
Добавить область — блок предназначен для добавления областей с одиночными апертурами
в теоретический анализ.
Кнопки Эффективность экранирования сплошного экрана визуализирует теоретическую
эффективность экранирования заданных областей.
Кнопка очистить холст, удаляет изображения с холста.
Методика работы с прибором
• В программном модуле на вкладке настройка системы выставляются настройки для
взаимодействия с измерителем и параметры перевода данных в частотную область.
ISSN 1729-2670
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
33
Измеритель размещается внутри стенда и включается, экран не устанавливается.
После проведения замеров напряжённости электромагнитного поля измеритель
извлекается из стенда и подключается к ПЭВМ посредством разъема miniUSB.
Результаты измерений считываются из внутренней памяти измерителя (выбирается
вкладка визуализация данных).
После выбора вкладки в блоке напряженность электрического поля без экрана
нажимается кнопка измеритель; это действие вызовет функцию считывания данных из
внутренней памяти измерителя и сохранит данные в памяти программы.
Измеритель выключается для очистки памяти от предыдущих измерений.
Измеритель размещается внутри стенда и включается, экран устанавливается.
После проведения замеров напряжённости электромагнитного поля прибор извлекается из
стенда и подключается к ПЭВМ посредством разъема miniUSB.
Результаты измерений считываться из внутренней памяти измерителя (выбирается
вкладка визуализация данных). После выбора вкладки в блоке напряженность
электрического поля с экраном нажимается кнопка измеритель, это действие вызовет
функцию, считывающую данные из внутренней памяти измерителя, и сохранит данные в
памяти программы.
Получив таким образом данные о напряженностях поля с установленным и
отсутствующим экраном, можно вычислить эффективность экранирования, нажав кнопку
визуализировать в блоке эффективность экранирования на вкладке визуализация данных.
Рис. 7. Вкладка меню Теоретический анализ <F3>
Пути модернизации аппаратной части
1. Реализовать хранения результатов нескольких сессий измерений. Это позволит устранить
необходимость подключения измерителя к компьютеру после каждого набора замеров.
2. Рассмотреть возможность реализации синхронизации измерителя с генератором и
компьютером.
3. Спроектировать малогабаритные антенны для разных диапазонов частот.
4. Разработать устройства согласования антенн различных частот с детектором.
5. Установить детектор с более широким частотным и динамическим диапазоном.
6. Разделить измеритель на два блока: совместить антенну с детекторной головкой через
устройство согласования и подключать через разъем к микроконтроллеру (это позволит
упростить устройство согласования для разных антенн без переключателей).
Пути модернизации программной части
1. Обеспечить расчёт резонансных явлений, что позволит правильно выбрать размер шага по
частоте (для программы Se Calculator).
2. Дополнить программный модуль базой данных, обеспечивающей каталогизацию
проведённых измерений.
3. Реализовать встроенный FTP-сервер для обмена данными с другими программами.
4. Реализовать инструментарий для работы с графической интерпретацией измерений.
Основные проблемы, возникшие при создании программного модуля
1. Неудачная реализация виртуального COM-порта в операционной системе Windows7 (требует
от пользователя устанавливать сторонние драйвера для работы с измерителем).
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
34
ISSN 1729-2670
2. Ошибка в порте библиотеки matplotllib под операционную систему семейства Windows. В
результате ошибки программа входила в бесконечный цикл при визуализации данных в
логарифмическом масштабе.
3. Отсутствие в базовой поставке операционной системы ArchLinux, используемой для
тестирования, векторных кириллических шрифтов привело к решению включить такой шрифт
в дистрибутив программной составляющей системы.
Заключение
В процессе выполнения работы, был разработан программный модуль специализированного
измерителя эффективности экранирования реальных конструкций, позволяющий решать следующие
задачи:
• считывать данные из памяти измерителя;
• вычислять эффективность экранирования;
• визуализировать полученные данные;
• работать с операционными системами семейства Windows и Linux;
• осуществлять взаимодействие пользователя с ПМ посредством графического интерфейса.
Также были рассмотрены возможности использовать программу «Se Calculator» для сокращения времени и повышения точности измерений. В процессе тестового измерения АЧХ прибора без
антенны в полосе частот (5−500 МГц) при уровне входного сигнала (100 мВ) была подтверждена правильность работы прибора и программного модуля. Описана методика работы с прибором, а также
даны рекомендации по модернизации программной и аппаратной частей измерителя [9].
Список литературы
1. Кечиев Л. Н., Акбашев Б. Б., Степанов П. В. Экранирование технических средств и экранирующие системы. − М.: ООО «Группа ИДТ», 2010. − 470 с.
2. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. – М.: Издательский дом «Технологии», 2003. −
540 с.
3. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. − М.: Мир, 1979. − 310 с.
4. Михалев П. Микросхемы современных логарифмических усилителей для радиочастотных приложений. − Компоненты и технологии. − 2008. − Выпуск 10. − С. 23−26.
5. Патент на полезную модель № 118442 зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской федерации 20.07.2012. Авторы: Журавлев И. Н, Кечиев Л. Н., Крючков Н. М.,
Савин Ю. В., Лафишев М. А.
6. Журавлев И. Н. Разработка специализированного измерителя напряженности электромагнитного
поля и исследование с помощью него влияния апертур на эффективность экранирования реальных конструкций. Дисс. на соискание ст. магистра техники и технологии. − М.: МИЭМ, 2012. −
68 с.
7. Журавлев И. Н., Кечиев Л. Н., Крючков Н. М., Савин Ю. В., Демский Д.В. Специализированный
измеритель напряженности электрического поля для измерения эффективности экранирования. −
Технологии ЭМС − 2013. − № 1(44). − С. 23−28.
8. Демский Д.В., Марченко М.В., Фомина И.А. Автоматизация расчета эффективности экранирования. − Технологии ЭМС − 2013. − № 1(44) − С. 44−55.
9. Ивлев П.В. Разработка программного модуля обработки данных измерителя эффективности экранирования реальных конструкций. Выпускная квалификационная работа специалиста по специальности 210201. − М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 17 июня 2012. − 91 с.
10. Демский Д.В. Метод расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. − М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2014. −
http://www.hse.ru/sci/diss/115728477.
11. Электронный ресурс. http://www.python.org
12. Марк Лутц Программирование на Python, Том 1, 4-е издание. − Пер. с англ. – СПб.: СимволПлюс, 2011. – 992 с.
13. Grayson, J.E. Python and Tkinter Programming. Publisher: − Manning Publications Company, 2000.
14. Демский Д.В., Лафишев М.А. Расчёт эффективности экранирования неоднородных экранов. −
Технологии ЭМС. − 2011. − №2 (37) – С. 55−56.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
35
Исследование осуществлено в рамках программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ
в 2014 году.
The study was implemented in the framework of the Basic Research Program at the National Research University Higher School of Economics in 2014
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ),
Статья поступила 14.05.2014.
Ivlev P, Krychkov N., Savin Yu., Demsky D.
Data processing software module for shielding efficiency measuring in electronic equipment
This article describes a software module for reading data from battery-powered measuring device,
visualization of electric field intensity measured inside of shielded assembly and computing the shielding
efficiency. The measuring device writes data to internal memory. At end of measuring cycle data can be
read by the software module. The software module works on Windows or Linux operating systems.
Key word: Electric field, shielding efficiency, measurement, independent mode, the microcontroller,
programming language Python
National Research University Higher School of Economics (NRU HSE)
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
36
ISSN 1729-2670
Конструирование электронной аппаратуры с учетом ЭМС
УДК 621.3.038
Л.Н. Кечиев, Д.С. Шатов
Моделирование в среде QUCS развязывающих
конденсаторов в составе распределенной
системы питания цифровых модулей
В статье рассмотрены особенности проектирования распределенной системы питания цифровых модулей, проведено моделирование развязывающих конденсаторов в составе распределенной системе питания, описан
подход к построению распределенной системы питания.
Ключевые слова: моделирование, электромагнитная совместимость, стабилизатор питания,
развязывающие конденсаторы, планарный конденсатор, многослойные печатные платы, цифровые микросхемы, распределенная система питания, полное сопротивление распределенной
системы питания
Введение
Необходимость использования распределенной системы питания и развязывающих конденсаторов в ее составе, обусловлена растущим быстродействием цифровых устройств, необходимостью
выполнения требований электромагнитной совместимости, которые при конструировании и использовании современных быстродействующих цифровых устройств (микросхем) приобретают всю
большую актуальность.
Коммутационные помехи, которые возникают в шинах питания при переключении одного из
цифровых узлов, могут представлять серьезные проблемы, как для работоспособности данного цифрового узла, так и для других цифровых узлов на печатной плате. В результате распространения высокочастотных токов по печатной плате может наблюдаться высокая помехоэмиссия от всей поверхности печатной платы. Меры, которые могут быть предприняты для предотвращения коммуникационных помех могут быть реализованы, как конструкторскими, так и схемотехническими методами.
Если к конструкторским методам относится методы, направленные на снижение индуктивности шины питания и повышения ее емкости, то к схемотехническим методам, в первую очередь, относят
подключение развязывающих конденсаторов и помехоподавляющих фильтров. Одновременное использование конструкторских и схемотехнических методов позволяет добиться максимальной эффективности и повышения надежности цифровых узлов. Подробно вопросы снижения уровня коммутационных помех, влияния индуктивности на характеристики развязывающих конденсаторов, выбора
и определения необходимого числа развязывающих конденсаторов, моделирования поведения развязывающих конденсаторов, их установки и размещения на печатной платы рассмотрены в [1]. В данной статье проводиться анализ и моделирование поведения развязывающих конденсаторов в составе
распределенной системе питания. Моделирование производится в Quite Universal Circuit Simulator
(QUCS).
Распределенная система питания
Распределенная система питания в современных цифровых устройствах представляет собой
систему, которая состоит из цепочки различных устройств и компонентов. Точный состав распределенной системы питания может быть определен на основе согласованных действий конструкторов и
схемотехников.
Распределенная система питания включает в себя: стабилизатор напряжения питания, набор
низкочастотных и среднечастотных удерживающих конденсаторов, набор высокочастотных развязы-
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
37
вающих конденсаторов, а также СВЧ-конденсаторов, представленных потенциальными слоями питания и заземления многослойной печатной платы (МПП). Каждый из приведенных выше компонентов
используется для снижения полного сопротивления системы питания только на некотором определенном участке рабочего частотного диапазона. Стабилизатор напряжения питания позволяет добиться снижения полного сопротивления и используется в низкочастотной области (приблизительно
до 100 кГц). Низкочастотные удерживающие конденсаторы предназначены для снижения полного
сопротивления в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц. На частотах выше 1 МГц дальнейшее снижение
значения полного сопротивления может быть достигнуто за счет применения высокочастотных конденсаторов. Высокочастотные конденсаторы эффективно справляются со своей задачей в частотной
области до нескольких сот мегагерц, а наиболее эффективное снижение может быть осуществлено в
области до 300 МГц. СВЧ-конденсаторы, представленные потенциальными слоями многослойной
печатной платы, при определенных условиях (взаимном расположении потенциальных слоев, размере слоев, материале диэлектрической подложки) позволяют снизить полное сопротивление до требуемого уровня в диапазоне от нескольких сот мегагерц до нескольких единиц гигагерц. Использование
каждого из указанных элементов распределенной системы питания эффективно только в определенном частотном диапазоне. При их совместном использовании в составе распределенной системы питания, можно добиться снижения значения полного сопротивления до необходимого уровня на всем
требуемом частотном интервале.
К одному из основных требований, которые предъявляются к распределенной системе питания (РСП) относится требование обеспечение низкого значения полного сопротивления в пределах
некоторого допустимого уровня на всем требуемом рабочем частотном диапазоне. Требуемый уровень полного сопротивления рассчитывается исходя из конкретных целей и задач, которые стоят разработчиками и конструкторами быстродействующей цифровой аппаратуры. Обеспечение целевого
полного сопротивления РСП за счет набора конденсаторов показано на рис. 1.
Рис. 1. Обеспечение неизменного требуемого уровня полного сопротивления на частотном диапазоне использованием системы компонентов распределенной системы питания
Определить требуемый уровень полного сопротивления РСП можно на основе следующих
параметров:
1) значение уровня питающего напряжения VDD (MIN);
2) допустимая величина пульсации питающего напряжения (напряжения питания) Ripple .
3) максимальное значение тока (указывается в спецификации на микросхему) IDD(MAX).
Исходя из этого требуемый (целевой) уровень полного сопротивления, который необходимо
обеспечить, может быть определен по следующей формуле:
Z t arg et =
Ripple ⋅ VDD ( MIN )
, Ом,
100 ⋅ I DD ( MAX )
где VDD(MIN) – минимально допустимое напряжение питания, В, Ripple – допустимый уровень
пульсации, %; IDD(MAX) – максимальное значение нагрузочного тока, А.
Чем ниже значение уровня питающего напряжения, тем более высокие требования предъявляются к распределенной системе питания в части допустимого отклонения питающего напряжения.
38
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
Т.к. значение полного сопротивления обратно пропорционально значению допустимой пульсации,
поэтому требование низких значений уровня пульсации обуславливают более низкие требуемые значения полного сопротивления, которые необходимо обеспечить. Для питающего напряжения с уровнем 1,3 В, пульсация, которая не приведет к сбою или нарушению работоспособности цифрового узла, может составлять всего 3,9%. Для того, чтобы значение полного сопротивления не превышало
допустимого уровня на всем рабочем частотном диапазоне необходимо подобрать и определить точный состав распределенной системы питания. Этот шаг удобно выполнять путем моделирования.
Программа моделирования
Программа QUCS, как и её широко известный аналог симулятор электронных цепей Spice,
позволяет проводить моделирование аналоговых и цифровых цепей на переменном и постоянном токе, проводить моделирования S-параметров, моделирование переходного процесса, производить расчет и анализ различных линий передачи. К основным достоинствам программы QUCS, можно отнести интуитивно понятный интерфейс программы и ее доступность, в отличие от аналогичных симуляторов, не требует дополнительных затрат, распространяется по лицензии General Public License.
Программа обладает открытым исходным кодом, предоставляя пользователям возможность вносить
свои дополнения. Функционал программы постоянно пополняется. Программа обладает довольно
большой библиотекой компонентов, которую при необходимости можно пополнять; на сайте программного обеспечения регулярно появляются обновления. Имеется поддержка VHDL и Verilog. Симулятор QUCS можно использовать на компьютерах, под управлением ОС Windows, Linux, Mac OS".
Эти факторы определили выбор QUCS в качестве инструмента моделирования.
Стабилизатор напряжения
Регулятор напряжения – один из элементов распределенной системы питания, который предназначается для преобразования напряжения питания в различные уровни. Регулятор напряжения
способен обеспечить необходимый уровень полного сопротивления только в области низких частот.
Стабилизатор напряжения способен работать, как в линейном режиме, так и в режиме переключения. Для стабилизатора, работающего в режиме переключения характерны более высокие значения индуктивности в связи с чем частотная область, на которой применение стабилизатора может
считаться эффективным, ограничивается, в среднем, 10 кГц.
Так как выводы и (соединительные) провода стабилизатора напряжения обладают достаточно
высокой индуктивностью, использование стабилизатора напряжения в области более высоких частот
неэффективно, из-за резкого увеличения полного сопротивления на более высоких частотах.
Как правило, область, в котором стабилизатор напряжения способен обеспечить низкое значение полного сопротивления, составляет интервал частот от 1 кГц до нескольких сотен килогерц.
Как видно из рис. 2, в линейном режиме работы стабилизатор напряжения обеспечивает низкое значение полного сопротивления до 100 кГц. В режиме переключения, ввиду более высокого значения
индуктивности, стабилизатор эффективен до 10 кГц, поэтому регулятор напряжения можно отнести к
средствам низкочастотной развязки. Для того, чтобы обеспечить требуемый уровень полного сопротивления на более высоких частотах необходимо размещение на поверхности многослойной печатной платы удерживающих конденсаторы, высокочастотных развязывающих конденсаторов и реализовать возможности СВЧ-конденсаторов (планарный конденсатор).
Удерживающие конденсаторы
Удерживающие конденсаторы способны обеспечить низкое значение полного сопротивления,
как правило, в частотном диапазоне до 1 МГц. Отличительной особенностью удерживающих конденсаторов является их высокая емкость (несколько сот микрофарад) и сопутствующая ей высокое значение индуктивности, связанной с размерами и конструкцией данных конденсаторов. На рис. 3 и 4
приведены зависимость полного сопротивления от частоты для двух систем из стабилизатора напряжения, одного и пяти удерживающих конденсаторов емкостью 470 мкФ.
Как видно из сравнительной характеристики, представленной на рис. 5, при параллельном
подключении 5 удерживающих конденсаторов удалось добиться существенного снижения полного
сопротивления не только в области резонансной частоты, но и на более высоких частотах.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
39
Рис. 2. Зависимость полного сопротивления от частоты стабилизатора напряжения: 1 – в линейном режиме, 2 – в режиме переключения
Рис. 3. Стабилизатор и один удерживающий конденсатор (470 мкФ),
с учетом индуктивности конденсатора, индуктивности монтажа
Рис. 4. Стабилизатор и пять удерживающих конденсаторов (470 мкФ)
При выборе и подключении удерживающих конденсаторов необходимо учитывать тот факт,
что, чем выше номинал поверхностно-монтируемого конденсатора, тем выше значение последовательной эквивалентной индуктивности, поэтому при выборе удерживающих конденсаторов предпочтение следует отдать не одному конденсатору большой емкости, а нескольким конденсаторам
меньшего номинала.
40
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
Рис. 5. Зависимость полного сопротивления от частоты для стабилизатора и
набора удерживающих конденсаторов из одного удерживающего конденсатора (вверху) и
из пяти удерживающих конденсаторов
Высокочастотные развязывающие конденсаторы
Высокочастотные развязывающие конденсаторы – конденсаторы, предназначенные для работы в высокочастотной области. Как правило, данные конденсаторы способны эффективно справляться со своей задачей в частотном диапазоне от единиц мегагерц до нескольких сот мегагерц. Характерной особенностью данных конденсаторов является очень низкие значения последовательной эквивалентной индуктивности и последовательного эквивалентного сопротивления. Среди высокочастотных керамических развязывающих конденсаторов можно выделить низкоиндуктивные развязывающие конденсаторы компании AVX Corp. и высокочастотные конденсаторы X2Y® компании Johanson.
В настоящее время ведутся работы по созданию низкоиндуктивных развязывающих конденсаторов, в
частности, особое внимание уделяется разработке новых конструкций развязывающих конденсаторов
и использованию в их составе СВЧ-материалов.
В том случае, если стоит задача обеспечить низкое значение полного сопротивления в широкой частотной области, необходимо подобрать и подключить низкоиндуктивные развязывающие
конденсаторы различных номиналов.
Как мы видим из графика, представленного на рис. 6, при подключении 4 высокочастотных
развязывающих конденсаторов различных номиналов, удалось добиться существенного снижения
полного сопротивления в частотной области от единиц мегагерц до нескольких сот мегагерц.
Уменьшение пиков полного сопротивления (уменьшение пиков антирезонанса)
Ввиду того, что номиналы конденсаторов, которые используются в составе распределенной
системы, отличаются, на графике зависимости полного сопротивления параллельных конденсаторов
от частоты можно наблюдать участки, на которых полное сопротивление резко увеличивается (достаточно резкие увеличения полного сопротивления) с увеличением частоты. Чем больше разница в значениях емкостей параллельных развязывающих конденсаторов, тем более резкие изменения полного
сопротивления наблюдаются на графике зависимости полного сопротивления от частоты, тем более
сильно выражены пики антирезонанса, которые могут превышать значение целевого полного сопротивления РСП..
Существуют методы, которые позволяют добиться того, чтобы полное сопротивление оставалось в пределах допустимых значений, т.е. не превышало требуемого целевого уровня полного сопротивления. К таким методам, в частности, относится параллельное подключение конденсаторов
одного и разных номиналов. Данный метод позволяет добиться существенного уменьшения полного
сопротивления на требуемом частотном интервале, однако для его реализации необходима возможность дополнительного размещения на МПП поверхностно-монтируемых конденсаторов.
Так как номиналы конденсаторов отличаются более, чем на один порядок, наблюдается резкое изменение полного сопротивления в широкой частотной области, в котором полное сопротивление в данном случае превышает требуемый уровень полного сопротивления.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
41
Так на рис.7 наблюдается резкое увеличение полного сопротивления в частотной области, заключенной между двумя собственными резонансами двух конденсаторов с номиналами 0,47 мкФ и
0,0047 мкФ. Уменьшить антирезонансный пик в данной частотной области можно подключением
третьего конденсатора, резонансная частота которого заключена между собственными частотами уже
подключенных двух конденсаторов и близка к частоте антирезонанса. Для этого, соответственно,
необходимо подобрать развязывающий конденсатор, номинал которого был бы меньше первого подключенного конденсатора, но больше номинала второго развязывающего конденсатора.
Рис. 6. Зависимость полного сопротивления от частоты для РСП, состоящей из стабилизатора, работающего в режиме переключения, 5 удерживающих конденсаторов емкостью 490 мкФ, 4 высокочастотных
конденсаторов в корпусах 0402 различных номиналов
Рис. 7. Зависимость полного сопротивления от частоты для набора из двух высокочастотных конденсаторов с номиналами 0,0047 мкФ и 0,47 мкФ в корпусе 0402
Как видно из рис. 8, при добавлении третьего развязывающего конденсатора с номиналом
0,047 мкФ образуется два относительно невысоких антирезонансных пика (кривая 2), при этом при
подключении конденсаторов, номиналы которых отличаются менее чем на порядок, можно регулировать значение полного сопротивления в достаточно широкой частотной области. На рис. 8. кривая
1 соответствует графику на рис. 7.
Рис. 8. Зависимость полного сопротивления от частоты для набора из двух конденсаторов (кривая 1)
0,0047 мкФ и 0,47 мкФ и для набора их трех высокочастотных развязывающих конденсаторов (кривая 2)
с номиналами 0,0047 мкФ, 0,47 мкФ и 0,047 мкФ в корпусе 0402
42
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
Для снижения полного сопротивления на определенной частоте и некоторой ее окрестности
практикуется параллельное подключение развязывающих конденсаторов одного номинала. На рис. 9
приводятся зависимости полного сопротивления от частоты для одного конденсатора, трех и семи
параллельно подключенных высокочастотных развязывающих конденсаторов одинакового номинала
0,0047 мкФ в корпусе 0402.
Рис. 9. Зависимость полного сопротивления от частоты: 1 – одного конденсатора, 2 – трех конденсаторов,
3 – семи развязывающих конденсаторов
Видно, что при параллельном подключении поверхностно-монтируемых развязывающих конденсаторов одинакового номинала происходит снижение полного сопротивления как на самой резонансной частоте, так и в некоторой ее окрестности, хотя сама резонансная частота не изменяется.
Вследствие того, что развязывающиеся конденсаторы подключаются параллельно, удается добиться
не только снижения индуктивности конденсаторов и увеличения их емкости, но и снижения последовательного эквивалентного сопротивления. Полное сопротивление набора развязывающих конденсаторов одного номинала в точке собственного резонанса будет определяться значением последовательного эквивалентного сопротивления набора развязывающих конденсаторов, которое при параллельном подключении n развязывающих конденсаторов уменьшается в n раз.
Как видно из рис. 9, после подключения семи развязывающих конденсаторов одинакового
номинала, значение полного сопротивления снизилось на порядок практически во всем частотном
диапазоне. Данные рассуждения применимы не только к высокочастотным развязывающим конденсатора, но и при использовании и подключении удерживающих конденсаторов.
Однако при размещении конденсаторов необходимо помнить то, что семь конденсаторов занимают большую площадь на поверхности печатной платы и при монтаже конденсаторов может значительно возрасти индуктивность монтажа. Это необходимо учитывать при трассировке печатной
платы и размещении развязывающих конденсаторов на поверхности печатной платы.
Если на верхней поверхности отсутствует необходимое для размещения конденсаторов место,
конструкторы прибегают к размещению конденсаторов на обратной стороне печатной платы непосредственно под устройствами, которые данные конденсаторы развязывают. Однако при таком варианте размещения конденсаторов, в случае, если слои питания и заземления, к которым подключается
развязывающий конденсатор, расположены в верхней половине печатной платы, происходит увеличение индуктивности монтажа конденсатора, вследствие чего характеристика полного сопротивления
сместиться по частоте влево, в более низкочастотную область, чем было бы при установке конденсатора на верхней поверхности печатной платы. Поэтому особое внимание необходимо уделять расположению слоев питания и заземления в толще печатных плат, а также расположению конденсаторов,
выводы которых подключены к данным слоям, и к размещению, соответственно, на той или иной
стороне (поверхности) печатной платы.
В том случае, если при подключении и размещении поверхностно-монтируемого конденсатора индуктивность монтажа за счет увеличения глубины отверстий, увеличения длины поверхностных
трасс, соединяющих выводы конденсатора с выводами питания микросхемы и т.д., резко увеличивается, зависимость полного сопротивления от частоты сильно смещается в низкочастотную область, в
результате может оказаться так, что вместо подключения казалось бы двух одинаковых конденсато-
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
43
ров, по факту происходит подключение различных конденсаторов, хотя номиналы конденсаторов
остаются неизменными. Следует учитывать и то обстоятельство, что значения емкостей двух идентичных конденсаторов могут отличаться, ввиду существования технологического допуска на емкость
конденсаторов.
На рис. 10 показана зависимость полного сопротивления для набора из 4 развязывающих конденсаторов, установленных в непосредственной близости от вывода питания на верхней поверхности
ПП на расстоянии 0,5 мм от слоя питания, к которому они подключены, и на обратной стороне печатной платы на расстоянии 1 мм от слоя питания, к которому они подключены.
Рис. 10. Зависимость полного сопротивления от частоты для набора из 4 развязывающих конденсаторов,
установленных в непосредственной близости от вывода питания: 1 –конденсаторы, установлены на
верхней поверхности ПП, 2 – конденсаторы размещены на обратной стороне печатной платы
Планарный конденсатор
Планарный конденсатор в многослойной печатной плате образован потенциальными слоями
печатной платы. Взаимное расположение потенциальных слоев – размер слоев печатной платы, расстояние между потенциальными слоями, материал, используемый в качестве подложки – все это
определяет возможности планарного конденсатора.
В отличие от удерживающих и высокочастотных конденсаторов, которые обладают некоторым конечным значением индуктивности и не способны сразу обеспечить выводы питания микросхемы необходимой величиной заряда, планарный конденсатор, ввиду низкого значения индуктивности, в первые же моменты, после переключения устройства, поддерживает выводы питания микросхемы некоторым значением зарядом [2, 3].
В том случае, если бы у развязывающего конденсатора отсутствовала индуктивность, такой
конденсатор мог бы мгновенно обеспечивать включение и поддержание зарядом выводы питания
микросхемы, однако любой развязывающий конденсатор, в том числе, и планарный конденсатор, обладает некоторым характерным для данного типа конденсатора значением индуктивности, которая
определяет скорость его включения.
Обычно при моделировании планарного развязывающего конденсатора учитывается только
его емкость, принимая его индуктивность равной нулю. Полное сопротивление такого планарного
конденсатора с ростом частоты резко уменьшается, стремясь в точке собственного резонанса к нулю.
На графиках зависимость полного сопротивления от частоты представлена линейной зависимостью,
которая объясняется емкостным характером планарного конденсатора. Данная модель является идеализированным представлением планарного конденсатора. Ниже (рис. 11) построена зависимость полного сопротивления для распределенной системы питания, которая содержит в своем составе планарный конденсатор с размерами слоев 50×50 см. Слои разделены диэлектриком FR-4 (εr = 4,2) толщиной 0,05 мм
Однако, как видно, даже небольшое значение индуктивности планарного развязывающего
конденсатора (десятки-сотни пикогенри) приводит к значительному росту полного сопротивления в
высокочастотной области. В том случае, если на некоторых частотах на графике зависимости полного сопротивления от частоты распределенной системы питания значение полного сопротивления превышает требуемое значение полного сопротивления, необходимо прибегнуть к параллельному под-
44
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
ключению развязывающих конденсаторов с резонансными частотами, которые совпадали бы с частотами, на которых наблюдается данное превышение значения полного сопротивления.
Рис. 11. Планарный конденсатор в составе распределенной системе питания, состоящей из стабилизатора
напряжения, работающего в режиме переключения, 5 удерживающих конденсаторов емкостью 470 мкФ,
4 высокочастотных развязывающих конденсаторов с номиналами 0,0047, 0,047, 0,47, 4,7 мкФ в корпусе
0402
Список литературы
1. Шатов Д.С. Разработка рекомендаций по применению развязывающих конденсаторов в системе
питания быстродействующих цифровых узлов. Выпускная квалификационная работа. –2014. –
188 с.
2. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры –
М.:ООО «Группа ИДТ», 2007. – 616 с.
3. Кечиев Л.Н. Помехи в шине питания на печатных платах цифровых устройств и их устранение. −
Технологии ЭМС. − 2009. − № 4. − С. 70−83.
Исследование осуществлено в рамках программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ
в 2014 году.
The study was implemented in the framework of the Basic Research Program at the National Research University Higher School of Economics in 2014
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Статья поступила 25.06.2014.
Kechiev L.N., Shatov D.S.,
Modelling in the environment of QUCS the untying
Condensers as a Part of the Distributed Power Supply Systems of Digital Modules
In article features of designing of the distributed power supply system are considered, modelling of
untying condensers as a part of distributed to the power supply system is spent, the approach to construction
of the distributed power supply system is described.
Key words: modeling, electromagnetic compatibility (EMC), voltage regulator module (VRM), decoupling capacitors, planar capacitor (power/ground plane pair), Printed Circuit Board (PCB), digital
Microcircuits, Power Distribution Network (PDS), the PDS impedance (Impedance of power distribution network).
National Research University Higher School of Economics (NRU HSE)
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
45
УДК 621.337/.39:00-6
Л.Н. Кечиев, Н.В. Балюк
Стандартизация в области ЭМС
для военных и гражданских систем
Рассматриваются современные зарубежные стандарты в области
ЭМС для военных и гражданских систем. В стандартах содержится методология учета требований устойчивости, стойкости и безопасности на
всем жизненном цикле оборудования и систем. Важным шагом в развитии
стандартов ЭМС является глобальный подход к рассмотрению электромагнитных помех в широком диапазоне частот и амплитуд. В ряде стандартов
рассматриваются риски, связанные с ЭМС, будущих систем.
Ключевые слова: стандартизация, электромагнитная совместимость, военные системы, защита
Стандарты в области ЭМС для военных систем
Стандарты − важные нормативно-технические документы, содержащие требования как для
военных, так и для гражданских систем, чтобы обеспечить внутрисистемную электромагнитную совместимость (ЭМС) и защитить оборудование от электромагнитных эффектов среды, например, от
полей высокой интенсивности (High Intensity Radiated Fields (HIRF)), молний или электромагнитного
импульса (ЭМИ) [1].
Стандарты определяют электромагнитные параметры среды, включают также требования к
проектированию систем, определяют процедуры, которые должны продемонстрировать степень защиты от внешних электромагнитных воздействий. Кроме этого стандарты содержат мероприятия для
обеспечения гарантии достаточной защиты в течение всего жизненного цикла системы.
Представляет интерес анализ военных стандартов США. Дополнительно к стандартам нормативная база США предусматривает наличие руководств (Handbook), которые развивают требования
стандартов и конкретизируют охваченные стандартами вопросы. Наиболее объемные и детальные
руководства относятся к вопросам проектирования аппаратуры и систем в целом с учетом ЭМС.
В стандартах для военных систем рассматриваются следующие основные электромагнитные
эффекты: межсистемная и внутрисистемная ЭМС, поля высокой интенсивности, молнии, электромагнитный импульс, E- и P-статическое электричество.
Межсистемная ЭМС означает ЭМС между различными системами, работающими одновременно в группировке, а также с окружающей электромагнитной обстановкой [2].
Внутрисистемная ЭМС означает ЭМС между всем электрическим/электронным оборудованием, установленным в системе, включая передатчики и приемники. Внутрисистемная ЭМС важный
фактор для оценки функционирования систем [3].
Поля высокой интенсивности (HIRF) описывают параметры интенсивных электромагнитных воздействий, которые могут возникать от внешних радиопередающих систем, радиолокационных станций или передатчиков других систем [1, 4].
Молния является одним из самых мощных естественных источников электромагнитных излучений. Защита от молний требуется для различных систем. Этот аспект включает: воздействие на
компоненты структуры полем («прямое влияние») и воздействие на электронные системы и оборудование наведенными токами и напряжениями («косвенные воздействия») [1].
Электромагнитный импульс (ЭМИ) возникает при ядерных взрывах [1, 4]. В зависимости
от высоты взрыва рассматриваются два различных импульса:
• ЭМИ высотного ядерного взрыва, когда взрыв производится на высотах более 50 км. В
этом случае на высотах 20−40 км создается источник огромных размеров, поля которого у
поверхности Земли создают поражающее воздействие для объектов на значительной территории;
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
46
ISSN 1729-2670
ЭМИ наземного ядерного взрыва. В данном случае в районе эпицентра взрыва образуется
источник интенсивных электромагнитных полей, опасных для наземных и подземных сооружений. В стандартах рассматривается только высотный ЭМИ, как наиболее вероятная
угроза для объектов на поверхности земли и в полете.
E-и P-статическое электричество вызвано вибрацией, влияниями среды (например, пыль),
при этом системы или их части могут зарядиться статическим электричеством до критических потенциалов. При достижении зарядов критического уровня возникает электростатический разряд (ЭСР),
который может привести к значительным повреждениям оборудования, шоку персонала, воспламенению топлива и к другим негативным последствиям [5].
На мощное микроволновое излучение стандартные требования разрабатываются и вероятно, оно станет в будущем существенной угрозой для критических систем. Интенсивные поля СВЧ
диапазона могут генерироваться специальным оружием, чтобы повредить ВЧ-преобразователи
(«эффекты парадной двери») и оборудование помимо антенны, например, компьютеры («эффект черного хода»), а также системы оружия, которые содержат чувствительные электрические/электронные
системы.
Большинство систем должны надежно функционировать в определенной внешней электромагнитной обстановке (ЭМО). Это может быть, например, HIRF, молния, ЭМИ, микроволновое излучение или в некоторых случаях комплексные воздействия [6]. Разрабатываются системы защиты от
электромагнитных воздействий [7], выявлено разрушающее действие мощных электромагнитных полей на компьютерные сети [8], системы видеонаблюдения [9], на системы памяти [10]. Особое значение при современном оснащении вооруженных сил электронными системами, системами связи и
управления боем приобретают методы и средства защиты электроники от электромагнитных воздействий и реализация требований внутриаппаратурной ЭМС при проектировании подобных средств
[11−14].
Знание ЭМО абсолютно необходимо для формулирования задания для проектирования систем и для системного тестирования, когда должна быть продемонстрирована достаточная защита от
внешних электромагнитных воздействий (ЭМВ).
Оборудование, установленное в системе, должно в общем случае выполнить требования относительно помехоэмиссии и устойчивости к помеховым воздействиям. Для их подтверждения создаются стандартизованные испытательные установки и нормы.
Если ЭМО известна, то становятся ясны направления проектирования для достижения устойчивой работы нового оборудования и для принятия решения на защиту в условиях модернизации
систем.
Существенная защита оборудования должна быть понята на системном уровне, особенно относительно условий эксплуатации. В принципе не представляет интереса, как выполнена защита, если требования, в конце концов, выполнены.
После разработки системы должно быть продемонстрировано, что все требования внутрисистемный ЭМС, а также защита от HIRF, молнии, ЭМИ и микроволнового излучения выполнены, и
защита от внешних электромагнитных эффектов обеспечена.
Измерения уровня электромагнитной защиты рассматриваются как системные аспекты безопасности. Это применимо как для внутрисистемной ЭМС, так и для HIRF, молнии, ЭМИ и E-Static.
Некоторые из мер по защите могут стать менее эффективными за счет коррозии, повреждений. Методы управления электромагнитной защитой в жизненном цикле должны быть доступными,
чтобы обеспечить стабильность показателей защиты.
Многие системы заменяются на протяжении жизненного цикла. Новое или модернизированное оборудование может быть установлено, части структуры могут изменяться. Доступные методы
обеспечения ЭМС должны гарантировать достаточную защиту после таких процессов модификации,
не повторяя дорогое системное тестирование.
В настоящее время за рубежом разработаны следующие разновидности военных стандартов:
• MIL-STD − военные стандарты США, ответственные за военные системы в США и во
многих других странах,
• STANAG − стандарты непосредственно для военных систем НАТО.
Военные стандарты существуют, также, например, в Германии, в Великобритании.
•
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
47
Внутрисисистемная ЭМС
Внутрисистемную ЭМС нужно рассматривать как важнейшую предпосылку функционирования системы, которая означает, что система должна работать без сбоев при отсутствии внешних электромагниных эффектов. Защита системы только от внешних электромагнитных воздействий (ЭМВ) в
большинстве случаев не будет достаточно, чтобы достигнуть внутрисистемной ЭМС. При внешних
воздействиях имеют место различные типы сигналов и различные пути связи. Внутрисистемная ЭМС
должна быть достигнута относительно ограничения помехоэмиссии и определенной нечувствительностью к внешним сигналам.
Предельные нормы, примененные в обоих случаях, основаны на практическом опыте. В комбинации со свойствами системы и обычных правил проектирования систем (соединение, монтаж и
т.д.) они гарантируют с хорошей вероятностью внутрисистемную ЭМС.
Обеспечение ЭМС оборудования, однако, не абсолютная гарантия должного функционирования системы. Системные тесты совместимости должны быть выполнены с запасом (6−20 дБ) для всех
функций, представляющих интерес для критических систем и для безопасности.
Чтобы достигнуть и гарантировать внутрисистемную ЭМС на протяжении всего жизненного
цикла, должны быть выполнены: требования к оборудованию, процедуры, гарантирующие внутрисистемную ЭМС, включая запасы прочности, методы управления внутрисистемной ЭМС на протяжении жизненного цикла (обслуживание); они могут быть объединены с мерами управления внешними
электромагнитными эффектами и методами контроля внутрисистемной ЭМС после модификаций.
Как правило, в стандартах отсутствуют детальные решения, направленные на удовлетворение
требований внутриаппаратурной ЭМС. Они находятся в компетенции проектировщиков систем, которые принимают решения после понимания электромагнитных угроз. Широкий спектр практических рекомендаций установлен в Руководствах.
Стандарты по внутрисистемной ЭМС представлены в табл. 1. Следует отметить, что после
введение в действие стандарта MIL-STD-461F стандарт MIL-STD-462D потерял силу, но многие нормативные документы продолжают использовать его для определения методов контроля ЭМС.
Таблица 1
Основные стандарты по обеспечению внутрисистемной ЭМС
Область
применения
Требования к
оборудованию
MIL-STD-461F
MIL-STD-462D
Общие требоваMIL-STD-464А
ния
MIL-STD-1857
MIL-STD-1818А
Снаряжение, си- MIL-STD-1512
стемы оружия,
(EED'S)
включая электри- (STANAG 4238)
чески инициируемые взрыватели
(ЭИВ)
STANAG 3516
Военные самолеMIL-STD-461F
ты
MIL-STD-462D
Надводные коSTANAG 4435
рабли, металличе- MIL-STD-461F
ские объекты
MIL-STD-462D
Надводные коSTANAG 4436
рабли,
MIL-STD-461F
неметаллические MIL-STD-462D
объекты
Подводные лодки STANAG 4437
Требования к
проекту системы
Процедуры
системных
испытаний
STANAG 4567
MIL-STD-1310G
MIL-STD-1377
MIL-STD-1605
MIL-STD-1399
Модификации
STANAG 7130 STANAG 7130
STANAG 4238
STANAG 3659
MIL-STD-1512
Обслуживание
STANAG
7116
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
48
MIL-STD-461F
MIL-STD-462D
Космические ап- MIL-STD-461F
параты и средства MIL-STD-462D
выведения
Наземные
MIL-STD-461F
системы
MIL-STD-462D
ISSN 1729-2670
MIL-STD-1541A
MIL-STD-1542B
MIL-STD-1576
Поля высокой интенсивности (HIRF)
Излученные поля высокой интенсивности относятся к мощным электромагнитным воздействиям, которые могут создаваться радиопередатчиками, радарными станциями или передатчиками других военных систем. Cтандарты для полей высокой интенсивности (HIRF) представлены в табл. 2.
Таблица 2
Стандарты для полей высокой интенсивности (HIRF)
Область
применения
Среда
Общие
требования
Боеприпасы,
системы оружия, включая
ЭИВ
Военные
самолеты
STANAG
1307
STANAG
4234
MIL-STD464
STANAG
3614
MIL-STD464
Надводные ко- MIL-STDрабли, метал464
лические поверхности
Надводные ко- MIL-STDрабли,
464
неметаллические поверхности
Подводные
MIL-STDлодки
464
Космические
аппараты и
средства выведения
Наземные
системы
Требования к Требования
оборудованию к системам
MIL-STD-461F
MIL-STD-462D
(STANAG 4238) STANAG
MIL-STD-1512 4238
MIL-STDИИВ
1385B
STANAG 3516
MIL-STD-461F
MIL-STD-462D
Испытательные
процедуры для Обслуживание Модификации
систем
STANAG 7130 STANAG 7130
STANAG 4324
STANAG 7116
STANAG 4435 MIL-STDMIL-STD-461F 1310G
MIL-STD-462D
MIL STD-464
STANAG 4436
MIL-STD-461F
MIL-STD-462D
MIL-STD-464
MIL-STD464
STANAG 4437
MIL-STD-461F
MIL-STD-462D
MIL-STD-464
MIL-STD-461F MIL-STDMIL-STD-462D 1542B
MIL-STD464
MIL-STD-461F MIL-STDMIL-STD-462D 188-125
Молния
Молния стала большим риском для современных систем, оснащенных электрическим и электронным оборудованием. Это особенно важно для современной авиационной техники.
Поэтому совместные усилия американских (SAE AE4L) и европейских (EUROCAE WG 31)
специалистов направлены на разработку новых требований и новых испытательных методов для гарантированной защиты от молний для современных самолетов. Cтандарты по молнии представлены
в табл. 3.
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
49
Электромагнитный импульс (ЭМИ)
Наиболее вероятная и критическая угроза для объектов в полете и на поверхности земли, так
названный, HEMP (High Altitude Electromagnetic Pulse) («высотный электромагнитный импульс»). В
большинстве стандартов рассматривается ЭМИ высотного ядерного взрыва.
Существующие стандарты представлены в табл. 4.
Таблица 3
Стандарты по защите от молнии
Область
применения
Среда
Требования к Требования к
оборудованию
системам
Общие
требования
Испытательные
процедуры
для систем
STANAG 4327
STANAG STANAG 4327
4236
STANAG 4236
MILSTD-464
Боеприпасы, STANAG MIL-STD-1512 (STANAG
системы
4236
4238)
оружия,
включая
ИИВ
Военные
MILSTANAG
STANAG 7116
самолеты
STD3659
MIL-STD-1757А
MIL-STD1795A
1795A
Наземные
МЭК
МЭК 61312-4 МЭК 61312системы
610241/2
1/2
МЭК 61662
Стандарты по ЭМИ
Область
Среда
применения
Общие требо- STANAG
вания
4145
MIL-STD-464
MIL-STD2119
Боеприпасы,
системы оружия, включая.
ИИВ
Военные самолеты
Наземные системы
Обслуживание Модификации
STANAG 7130 STANAG 7130
Все системы.
Все системы.
МЭК 61024-2
Таблица 4
Требования к Требования к
Тестирование Обслуживание Модификации
оборудованию
системе
STANAG 4145 STANAG
STANAG 7130. STANAG 7130.
MIL-STD-461F 4145
Все системы
Все системы
MIL-STD-462D
STANAG 4416
STANAG 7116
MIL-STD188-125A
E-и P-статическое электричество
Электростатические эффекты вызывают много проблем, связанных с деградацией производительности или повреждением электронных компонентов, опасностями для оружия, воспламенением
топлива, возникновением системных помех (например, генерирование помех в антенных системах) и
возможностью поражения персонала. Существующие стандарты представлены в табл. 5.
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
50
ISSN 1729-2670
Стандарты в области ЭМС для гражданских систем
Внутрисистемная ЭМС
Требования ЭМС для оборудования коммерческих самолетов установлены в RTCA/DO-160.
Процедуры главным образом основаны на старых версиях MIL-STD.
Испытательные процедуры для бытового коммерческого оборудования часто очень похожи
на соответствующие процедуры STANAG/MIL-STD. Во многих случаях они лучше, соответственно
более современны с позиций ЭМС. Пределы для помехоэмиссии сопоставимы, а требования кондуктивной восприимчивости в общем случае ниже, чем в военных документах, однако иногда они выше.
Таблица 5
Стандарты в области статического электричества
Область
применения
Среда
Требования
к оборудованию
Общие
требования
Боеприпасы.
STANAG 4235 STANAG
Системы ору- STANAG 4239 4490
жия, включая MIL-STD-1512 MIL-STD1512 ЭИВ
ЭИВ
MIL-STD1686С
Военные
MIL-STD-464
самолеты
Требования к
системе
Тестирование Обслуживание Модификации
STANAG 7130. STANAG 7130
Все системы.
Все системы.
STANAG 4434 STANAG 4239
STANAG 3659 STANAG 7116
(металлический)
Поля высокой интенсивности (HIRF)
Много работы было сделано в прошлом в США (SAE AE4R) и европейскими специалистами
(EUROCAE WG 33), чтобы создать данные о среде и испытательные процедуры для коммерческих
самолетов. Результаты используются в процессе испытаний для всего современного парка коммерческих самолетов.
Документы по сертификации определяют ЭМО для самолетов и вертолетов. Чтобы экономить
средства в проекте и тестировании, были определены различные электромагнитные среды: одни для
критических функций и значительно более низкого уровня для существенных функций.
Специальные требования HIRF к оборудованию могут быть найдены в документе RTCA/DO
160. HIRF рассматривают относительно увеличенных испытательных уровней для тестов на восприимчивость к излучениям и для тестов на инжекцию токов.
Документы по сертификации определяют испытательные процедуры для демонстрации достаточной степени защиты в диапазоне частот от 10 кГц до 40 ГГц.
Стандарты для коммерческого оборудования не включают специальные требования к HIRF
для систем. Оборудование будет защищено, по крайней мере, до уровней, требуемых в стандартах на
оборудование (бытовая техника: 3 В/м.; индустриальная область: 10 В/м).
Защита от молнии
ЭМО хорошо определена в документе ED 84 / SAE ARP 5412. Он включает последние знание
о параметрах молнии не только по отношению к самолету, для которого требования определены в
RTCA/DO 160 для «Прямого влияния молнии» (влияние на структурные компоненты) и для «Восприимчивости от переходного процесса молнии» (для проверки электрического/электронного оборудования). Применяемые формы испытательных импульсов будут включены в ED 84 / SAE ARP 5412,
который должен стать ведущим документом. Испытательные процедуры будут включены в документ
SAE/EUROCAE.
В МЭК 1024-1-1 включены вопросы защиты структуры наземных средств от прямого влияния
(«повреждение структуры»), в МЭК 61312-1-2 − защита от косвенных воздействий на оборудование,
установленное в заземленных зданиях. МЭК 61312-4 рассматривает защиту от молнии оборудования,
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
51
установленного в зданиях. МЭК 61662 рассматривает оценку риска повреждения, которое будет вызвано молнией. МЭК 61024-1-1/2 относится к защите зданий от молний. МЭК 61312 описывает правила защиты оборудования, установленного в зданиях, от косвенных воздействий молнии. Отсутствуют документы по защите от молнии для больших систем, подобных самолету. МЭК 61024-1-2
дает некоторое руководство для обслуживания и осмотра средств защиты молнии для зданий.
Электромагнитный импульс (ЭМИ)
В настоящее время МЭК является законодателем в области разработки стандартов по электротехнике и электронике во всем мире, тщательно разрабатывает проблему стандартизации в области воздействия электромагнитных явлений большой энергии. Этим занимается ТК 77 «Электромагнитная совместимость» и подкомитет SC 77C «Переходные явления большой энергии». Работу по
проблеме мощных электромагнитных воздействий выполняет SC77С. Его область действия: стандартизация в области ЭМС с целью защиты оборудования, систем и установок гражданского назначении
от индустриальных электромагнитных помех большой энергии, включая электромагнитные поля, создаваемые высотными ядерными взрывами. Под явлениями большой энергии понимаются электрические поля с напряженностью свыше 100 В/м.
Стандарты STANAG, перечисленные в табл. 1−5, представлены в табл. 6. Для обзора стандартов MIL-STD использованы источники [15−30].
Стандарты НАТО
Наименование стандарта
STANAG 1307. Maximum
NATO Naval Operational EM
Environment Produced by Radio
and Radar.
STANAG 1310. Design Criteria
for Replenishment Aspects of
New Construction Naval Vessels.
STANAG 3516. Electromagnetic
Interference and Test Methods for
Aircraft. Electrical and Electronic
Equipment.
Таблица 6
Название
Электромагнитная среда,
вызванная радиопередатчиками в военно-морских
операция.
Критерии проекта для
аспектов пополнения новыми судами военноморских сил.
Электромагнитные помехи и методы испытаний
для авиации. Электрическое и электронное оборудование.
STANAG 3614. Electromagnetic
Compatibility of Aircraft Systems.
ЭМС авиационных систем.
STANAG 3659. Electrical Bonding Requirements for Metallic
Aircraft Systems.
Требования к электрическим соединениям для
металлических структур
самолетов.
Цель документа
Определить максимальную электромагнитную
окружающую среду, вызванную работающими
радиопередатчиками и радарами, с которой
могут взаимодействовать персонал, боеприпасы, оборудование, включая электрически инициируемые взрыватели (ЭИВ) и огнеопасные
вещества, в военно-морских операциях НАТО.
Установление минимальных критериев проекта
для аспектов пополнения новыми судами военно-морских сил.
Первичная цель этого документа состоит в том,
чтобы способствовать международному сотрудничеству и общности между участвующими нациями относительно контроля над электромагнитными помехами (эмиссия и восприимчивость) и достижению ЭМС электрического
и электронного оборудования, предназначенного для использования в пределах самолета. Документ устанавливает и документирует желательные методы испытаний, требуемые для
оценки вышеупомянутого оборудования.
Установление общей директивы для требований к электромагнитным эффектам окружающей среды, которые должны быть учтены при
проектировании систем, чтобы гарантировать
безопасное и эффективное функционирование
самолета и установленного на нем электрического, электронного и электромеханического
оборудования.
Определить электрические требования к параметрам соединений и условия проверки для
металлических структур самолета и связанного
с ними оборудования.
52
STANAG 4145. Nuclear Survivability Criteria for Armed Forces
Material and Installations.
STANAG 4234. Electromagnetic
Radiation (200 kHz to 40 GHz)
Environment Affecting the Design
of Materiel for Use by NATO
Forces.
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
Критерии ядерной жизнеспособности для материалов и установок вооруженных сил.
Электромагнитное излучение (200 кГц − 40 ГГц),
влияющее на проект материальной части для использования Силами
НАТО.
STANAG 4235. Electrostatic Environmental Conditions Affecting
the Design of Material for Use by
NATO Forces.
Электростатические условия окружающей среды,
затрагивающие выбор
материалов для использования силами НАТО.
STANAG 4236. Lightning Environmental.
Окружающая среда для
молнии.
STANAG 4238. Munitions Design, Principles Electrical
/Electromagnetic Environment
Проект боеприпасов, источники электрической/электромагнитной
окружающей среды.
Испытательные процедуры для боеприпасов на
электростатический разряд.
STANAG 4239. Electrostatic Discharge Munitions Test Procedures.
ISSN 1729-2670
Определение методологии и критериев для
определения ядерной жизнеспособности оборудования и установок вооруженных сил НАТО.
Определить уровень электромагнитного излучения (радиочастотного), формирующего
наиболее вероятную окружающую среду, с которой сталкивается материальная часть во время операций НАТО, и особенно боеприпасы и
системы оружия, содержащие ЭИВ, и определить уровни электромагнитного излучения, которые будут использоваться как критерии проекта для всех новых боеприпасов и систем оружия, предназначенных для использования силами НАТО.
Окружающая среда, определенная в этом документе, не предназначена, чтобы заменить ту
окружающую среду, которая оговорена фундаментальными требованиями, которая должна
быть учтена при разработке всех боеприпасов и
системы оружия, содержащих ЭИВ, для обеспечения безопасности и надежности для следующих условий:
(a) электромагнитное излучение (радиочастота),
вызванное непосредственно снаряжением или
системой оружия;
(б)электромагнитное излучение (радиочастота),
включая произведенное платформой оружия то
есть судном, транспортным средством или самолетом, в котором система снаряжения или
оружия обязаны быть сохраненной и работоспособной.
Цель документа:
a) определить электростатическую окружающую среду, которая может воздействовать на
материальную часть, которая используется силами НАТО;
б) определить электростатические уровни, которые будут использоваться как критерии для
проекта всей материальной части, предназначенной для использования силами НАТО.
Цель этого документа,
a) описать специфическую окружающую среду
для молнии, которая может воздействовать на
всю материальную часть, которая используется
силами НАТО,
б) определить уровни угрозы молнии и формы
тока для анализа и теста, которые будут использоваться как критерии для проекта всей
новой материальной части, предназначенной
для использования силами НАТО.
Электромагнитная окружающая среда, которая
должна быть учтена при проектировании снаряжения.
Определить испытательные процедуры, которые будут использоваться в определении безопасности и пригодности при обслуживании
боеприпасов, содержащих ЭИВ, и соответствующие электрические/электронные систе-
ISSN 1729-2670
STANAG 4324. Electromagnetic
radiation (Radio Frequency) Test
Information to Determine the
Safety and Suitability for Service
of EED‘s and Associated Electronic Systems in Munitions and
Weapon Systems.
STANAG 4327. Lightning Munitions Assessment and Test Procedures.
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
Тестовая информация по
электромагнитному излучению (радиочастота) для
определения безопасности
и пригодность при обслуживании ЭИВ и соответствующих электронных
систем в боеприпасах и
системах оружия.
Оценка и испытательные
процедуры при воздействии молнии.
STANAG 4416. Nuclear Electromagnetic Pulse Testing of Munitions Containing ElectroExplosive Devices.
Тестирование боеприпасов, содержащих ЭИВ, на
воздействие электромагнитного импульса ядерного взрыва.
STANAG 4434. NATO Standard
Packing for Susceptible to Damage by Electrostatic Discharge.
Стандартная упаковка
НАТО для восприимчивого к электростатическому
разряду оборудования.
Процедуры тестирования
и требования для военноморского электрического
и электронного оборудования по ЭМС (надводные
суда, металлический корпус).
Процедуры тестирования
и требования для военноморского электрического
и электронного оборудования по ЭМС (надводные
суда, неметаллический
корпус).
Процедуры тестирования
и требования для военноморского электрического
и электронного оборудования по ЭМС (подводные лодки).
STANAG 4435. Electromagnetic
Compatibility Testing Procedure
and Requirements for Naval Electrical and Electronic Equipment
(Surface Ships, Metallic Hull).
STANAG 4436. Electromagnetic
Compatibility Testing Procedure
and Requirements for Nava Electrical and Electronic Equipment
(Surface Ships, Non-metallic
Hull).
STANAG 4437. Electromagnetic
Compatibility Testing Procedure
and Requirements for Naval Electrical and Electronic Equipment
(Submarines).
STANAG 4490. Explosives, Electrostatic Discharge Sensitivity.
Взрывчатые вещества,
чувствительность к электростатическим разрядам.
STANAG 7116. Verification
Methodology for Electromagnetic
hardness of Aircraft.
Методология проверки
электромагнитной устойчивости самолета.
53
мы/подсистемы, в электростатических условиях
окружающей среды, определенных в STANAG
4235.
Определить процедуры оценки и испытательные методы, которые будут использоваться в
определении безопасности и пригодности для
обслуживания боеприпасов, содержащих ЭИВ,
и соответствующих электрических/электронных подсистем, подверженных
электромагнитному воздействию окружающей
среды для Сил НАТО.
Определить процедуры оценки риска и испытательные методы, которые будут использоваться
в определении безопасности и пригодности для
обслуживания боеприпасов и связанных систем, подверженных воздействию окружающей
среды молнии, данным в STANAG 4236.
Определить испытательные процедуры, которые будут использоваться в определении безопасности и пригодности для обслуживания
боеприпасов, содержащих ЭИВ, и соответствующие электрические/электронные подсистемы, для электромагнитного импульса ядерного взрыва.
Определить требования к стандартной упаковки НАТО для восприимчивого к электростатическому разряду оборудования.
Установление минимальных требований и существенных испытательных методов, имеющих
отношение к электромагнитной эмиссии и измерениям восприимчивости электрического и
электронного оборудования для использования
на борту надводных военно-морских судов с
металлическим корпусом.
Установление минимальных требований и существенных испытательных методов, имеющих
отношение к электромагнитной эмиссии и измерениям восприимчивости электрического и
электронного оборудования для использования
на борту надводных военно-морских судов с
неметаллическим корпусом.
Цель этого соглашения состоит в том, чтобы
установить минимальное требование и существенные испытательные методы, имеющие
отношение к электромагнитной эмиссии и измерениям восприимчивости электрического и
электронного оборудования для использования
на борту военно-морских подводных лодок.
Стандартизировать испытательную процедуру,
чтобы получить данные по чувствительности к
электростатическому разряду взрывчатых материалов.
Представить подходы проверки способности
военного самолета функционировать в электромагнитной окружающей среде.
54
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
Общие стандарты
Стандарты относятся к двум видам электромагнитных воздействий: излученным полям ЭМИ
и наведенным импульсным токам и напряжениям, возникающим в электрических цепях объектов при
воздействии полей ЭМИ (кондуктивные помехи). Требования по параметрам ЭМИ, методам и средствам испытаний разработаны как для полей, так и для наведенных токов и напряжений.
Часть 1. «Основы» − включает терминологию, определения и другие общие аспекты. МЭК
61000-1-3, 2003 «Воздействие электромагнитных импульсов высотного ядерного взрыва (HEMP) на
оборудование и системы гражданского сектора» содержит информацию, касающуюся воздействия
ЭМИ ВЯВ на электрическое и электронное оборудование и системы. Эта информация основывается
на воздействиях, наблюдаемых во время натурных испытаний на ЭМИ ВЯВ и результатах испытаний, выполненных с помощью имитаторов ЭМИ ВЯВ.
Часть 2. «Электромагнитная обстановка» включает описание электромагнитной обстановки
при воздействии ЭМИ высотного ядерного взрыва и сверхширокополосного электромагнитного импульса.
МЭК 61000-2-9, 1996. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Описание ЭМИ-обстановки. Излученные помехи».
В стандарте задаются требования по параметрам раннего, промежуточного ЭМИ и позднего
МГД-ЭМИ высотного взрыва.
МЭК 61000-2-10, 1998. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Описание ЭМИ-обстановки. Наведенные помехи».
В стандарте рассматриваются наводки от ЭМИ ВЯВ на кабельные линии в воздухе и в грунте,
линии энергоснабжения и связи.
МЭК 61000-2-11, 1999. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Классификация ЭМИ-обстановки и
условий воздействия ЭМИ».
В стандарте классифицируются виды ЭМИ ВЯВ, чтобы при выборе требований к аппаратуре
по стойкости к ЭМИ разработчик смог выбрать соответствующие параметры ЭМИ. Этот стандарт
можно рассматривать как руководство по выбору уровней стойкости при испытаниях блоков и систем. Требования по стойкости приведены для 6 уровней. Например, для излученного поля: 1-й уровень − 50 кВ/м, 2-й и 3-й − 5 кВ/м, 4-й − 500 В/м, 5-й − 50 В/м, 6-й − 5 В/м. Под уровнем стойкости
понимается максимальный уровень электромагнитной помехи, действующей на систему и не вызывающей изменение эксплуатационных характеристик.
МЭК 61000-2-13, 2004. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Сверхширокополосный
электромагнитный импульс».
В нем рассматриваются мощные электромагнитные воздействия (HPEM – High power electromagnetic) в частотном диапазоне от сотен мегагерц до десятков гигагерц. Более определенно: к HPEM
относятся электромагнитные излучения искусственного происхождения с пиковым электрическим
полем более 100 В/м (что соответствует ППЭ 26,5 Вт/м2) в частотном диапазоне от сотен мегагерц до
нескольких гигагерц. Выбор частотного диапазона связан с тем, что достаточно интенсивные сигналы
в диапазоне от 200 МГц до 5 ГГц вызывают повреждения во многих системах, а также с возможностями современных излучателей.
Часть 3. «Нормы» в настоящее время не включает проектов SC77С.
Часть 4. «Методы испытаний и измерений» в настоящее время включает ряд стандартов.
МЭК 61000-4-23, 2000. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Методы испытаний средств защиты.
Излученные помехи».
В стандарте рассматриваются прямые методы испытаний аппаратуры и систем импульсными
электромагнитными полями, воспроизводимыми в локальном объеме полосковой линии и с помощью
излучающих имитаторов с вертикальной и горизонтальной поляризацией. В приложении приведены
различные средства измерений.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
55
Документ содержит определение степени эффективности экранирующих материалов, набивок
(прокладок), экранирующих ограждений и измерение переходного сопротивления коаксиальных кабелей.
МЭК 61000-4-24, 1997. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Методы испытаний средств защиты.
Наведенные помехи».
Схемы построения установок для испытаний средств защиты не стандартизованы. Предлагается проводить испытания средств защиты, используя типовую установку, которая состоит из генератора испытательных сигналов, испытательного устройства, кабеля возбуждения, выходной линии,
нагрузки и осциллографа. Установка должна быть экранирована, и в ней согласованы все ее части.
Испытательные импульсы рекомендуется воспроизводить с крутизной более 1 кВ/нс, погрешность
измерений ± 20%, полоса пропускания регистратора до 400 МГц. Этот стандарт соответствует стандарту 61000-5-5 «Технические требования к защитным устройствам от воздействия кондуктивных
помех».
МЭК 61000-4-25, 2001. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Технические требования и методы
испытаний для аппаратуры и систем».
Стандарт определяет амплитудно-временные параметры полей, токов, напряжений, диапазон
уровней испытательных воздействий. Отношение электрического поля к магнитному равно 377 Ом.
Спектр выходного импульса не должен отличаться более чем на 6 дБ от расчетного в полосе частот
от 100 кГц до 300 МГц. Однородность поля в рабочем объеме + 6−0 дБ. Полярность поля может быть
положительной или отрицательной. Рассматривается испытательное оборудование и установки −
имитаторы, система измерений и методика испытаний. Требуемая точность измерений ± З дБ. Предлагается система оценки результатов испытаний, указываются требования к документации и к отчету.
Рекомендуется к использованию как можно большего числа уже существующих методов испытаний
на ЭМС, чтобы избежать более дорогостоящих специальных испытаний на ЭМИ ВЯВ.
МЭК 61000-4-32, 2002. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Методы и средства измерений. Имитаторы ЭМИ».
Специальное назначение этого стандарта − обеспечить информацию по существующим имитаторам ЭМИ ВЯВ различных типов, их использовании, функциональным параметрам, ограничениям
и применимости. Это руководство позволит всем потенциальным пользователям оценить адекватность применяемых имитаторов для испытаний систем больших размеров.
Часть 5. Методы и средства защиты.
61000-5-3, 1999. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Концепция защиты оборудования».
Изложены принципы зашиты. Общие положения. Зонирование. Методы зашиты от излученных и наведенных помех. Правила монтажа и установки оборудования. Рассматривается сравнительный анализ защиты от ЭМИ и молнии. Приведены защитные устройства от излученных и наведенных
помех. Обсуждаются требования к средствам зашиты от ЭМИ и молнии. Рассматриваемые концепции базируются на общих принципах, таких как разделение на зоны, заземление, отбор компонентов,
конструкция электрической схемы цепи и оборудования.
МЭК 61000-5-4, 1996. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Общие технические требования к
средствам защиты. Излученные помехи».
Стандарт определяет основные технические характеристики, которые должны указываться в
паспорте защитных устройств (приборов) при выборе методов и схем зашиты от полей ЭМИ. Предлагаются различные типы защитных средств: сплошные экраны, ленты, сетки, проводящие клеи,
краски и материалы уплотнений, волноводные фильтры, разъемы, проводящие прокладки. Приведены оценки эффективности экранирования различных видов зашиты.
МЭК 61000-5-5, 1996. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Общие технические требования к
средствам защиты. Наведенные помехи».
Подробно рассматриваются основные технические характеристики различных типов разрядников, варисторов, нелинейных резисторов, защитных диодов и фильтров: импульсное напряжение
56
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
пробоя, индуктивность, вносимые потери, ток импульсного разряда. Приведены методы измерений
характеристик защитных средств.
МЭК 61000-5-6, 2002. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Смягчение уровней внешних электромагнитных воздействий».
Представлены результаты исследований по воздействию ЭМИ и рассмотреть импульсные
поля различной природы. Назначение документа − дать специальную информацию по практике разработки методов и средств ослабления полей внутри объектов.
МЭК 61000-5-7, 2001. «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Степени защиты от электромагнитных помех. Методы расчета защищенности».
Стандарт описывает защитные свойства ограждений различных типов относительно воздействия электромагнитных полей. Документ содержит методы испытаний систем с учетом отверстий и
щелей.
В стандартах МЭК 61000-5-8 «Методы защиты распределённых систем» и МЭК 61000-5-9
«Оценка чувствительности систем к ЭМИ высотного ЯВ и мощным электромагнитным воздействиям
неядерного происхождения» предложен комплекс методов и средств испытаний по оценке чувствительности систем к мощным ЭМИ ядерного и неядерного происхождения.
E-и P-статическое электричество
EN 61000-4-2 определяет среду для проверки ЭСР как 4−8 кВ на 150 пФ при разряде через 330
Ом. МЭК 61340-5-1/2 рассматривает защиту электронных устройств. МЭК 61087 является руководством для оценки разрядов от заряженных поверхностей. В МЭК 61340-4-1 рассматривается антистатическое покрытий пола.
Функциональная безопасность
Стандарт МЭК 61000-1-2, 2001 определяет методологию обеспечения функциональной безопасности электрического и электронного оборудования в отношении электромагнитных помех.
Дальнейшие совершенствование стандартов будет происходить с учетом экспертизы воздействия более жесткой среды на функционирование аппаратуры, оценки устойчивости критической цепи в каждой системе, требований безопасности и выполнения заданной функции при всех обстоятельствах.
Заключение
Рассмотрение структуры стандартов в области ЭМС для военных и гражданских систем позволяет сделать следующие выводы.
1. Проблема ЭМС занимает все более важную позицию в создании, как военных, так и
гражданских систем.
2. Стандартизация в области ЭМС охватывает все более широкий спектр внешних электромагнитных воздействий и перечень специфических воздействий, охваченных стандартами, непрерывно расширяется.
3. Стандарты в области ЭМС охватывают все этапы жизненного цикла систем − от создания
до модификации и обслуживания.
4. Разработчикам систем следует непрерывно отслеживать сферу стандартов в области
ЭМС, поскольку требования к сертификации аппаратуры и правила ее приемки непрерывно совершенствуются и изменяются согласно новым версиям стандартов.
Список литературы
1. Балюк Н.В., Кечиев Л.Н., Степанов П.В. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на
электронные средства и методы защиты. − М.: ООО «Группа ИДТ», 2008. − 478 с.; илл.
2. Уильям Т. ЭМС для разработчиков продукции. − М.: Изд. Дом «Технологии», 2004. − 508 с.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
57
3. Kechiev, L. Intra-System EMC: State, Problems and Trends. − Innovative Information Technologies:
Materials of the International scientific-practical conference. Part 3. Prague-2014. April 21−25. // Ed.
Uvaysov S.U. − M.: HSE, 2014. − P. 49−50.
4. Акбашев Б.Б., Балюк Н.В., Кечиев Л.Н. Защита объектов телекоммуникаций от электромагнитных воздействий (монография). − М.: Грифон, 2013. − 472 с. (Библиотека ЭМС)
5. Кечиев Л.Н., Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. Учебное пособие. − М.: Издательский Дом «Технологии», 2005. − 352 с.
6. Михайлов В.А., Сахаров К.Ю., Туркин В.А., Михеев О.В., Симакин С.В., Ларионенко А.В. Оценка стойкости бортовых вычислительных машин в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных полей. − Технологии ЭМС. − 2008. − № 4. − С. 12−19.
7. Акбашев Б.Б., Куприенко В.М. Концепция проектирования защиты объектов от внешних электромагнитных воздействий. − Технологии ЭМС. − 2009. − № 1. − С. 58−63.
8. Ларионенко А.В., .Симакин С.В. Результаты экспериментальных исследований воздействия
сверхширокополосных электромагнитных импульсов на элементы телекоммуникационных систем. − Технологии ЭМС. − 2009. − № 3. − С. 33−37.
9. Симакин С.В., Ларионенко А.В. Экспериментальные исследования воздействия сверхкороткими
электромагнитными импульсами на элементы системы видеонаблюдения. − Технологии ЭМС. −
2009. − № 3. − С. 23−32.
10. Сахаров К.Ю., Янковский Б.Д., Едлин М.Ю. Влияние сверхкоротких электромагнитных импульсов на исполнение информационной функции цифровых устройств с энергонезависимой памятью. − Технологии ЭМС. − 2009. − № 3. − С. 47−54.
11. Бурутин А.Г., Балюк Н.В., Кечиев Л.Н. Электромагнитные эффекты среды и функциональная
безопасность радиоэлектронных систем вооружения. − Технологии ЭМС. − 2010. − № 1. − С.
3−27.
12. Анисимов А.В., Бурутин А.Г. Проблемы и направления совершенствования системы обеспечения
ЭМС стойкости авиационной техники. − Технологии ЭМС. − 2010. − № 1. − С. 28−32.
13. Давыдов А.А., Плыгач В.А., Чибисов Ю.Ф. Электромагнитные факторы природного и техногенного происхождения и способы их воспроизведения при испытаниях объектов вооружения и военной техники. − Технологии ЭМС. − 2010. − № 1. − С. 38−48.
14. Бурутин А.Г., Комягин С.И., Осоловский В.С. Молниезащита, электромагнитная стойкость и
молниестойкость военных объектов. − Технологии ЭМС. − 2010. − № 1. − С. 99−107.
15. MIL-STD-188-125, Military Standard. High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Protection for
Ground-Based C4I Facilities Performing Critical, Time-urgent Missions. 1998. − 108 p.
16. MIL-STD-461F, Military Standard. Department of Defense. Interface Standard. Requirements for the
Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment. 2007. − 269 p.
17. MIL-STD-462D, Military Standard. Measurement of Electromagnetic Interference Characteristics. 1999.
− 203 p.
18. MIL-STD-464A (2002), Military Standard. Electromagnetic Environmental Effects. Requirements for
Systems. 2002. − 116 p.
19. MIL-STD-1310G (NAVY), Military Standard. Practice for Shipboard Bonding, Grounding, and other
Techniques for Electromagnetic Compatibility and Safety. 1996. − 43 p.
20. MIL-STD-1377 (NAVY), DoD. Test Method Standard. Effectiveness of Cable, Connector, and Weapon
Enclosure Shielding and Filters in Precluding Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance; Measurements of. 1971. − 34 p.
21. MIL-STD-1399 (NAVY), Military Standard. Interface Standard for Shipboard Systems. Section 390.
Electric Power, Direct Current, (Other Than Ship's Battery) for Submarines (metric). 1987. − 47 p.
22. MIL-STD-1512 (USAF), Military Standard. Electroexplosive Subsystems, Electrically Initiated, Design
Requirements and Test Methods. 1972. − 82 p.
23. MIL-STD-1541A (USAF), Military Standard. Electromagnetic Compatibility. Requirements for Space
System. 1987. − 42 p.
24. MIL-STD-1542B (USAF), Military Standard. Electromagnetic Compatibility and Grounding
Requirements for Space System Facilities. 1991. − 57 p.
58
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
25. MIL-STD-1576 (USAF), Military Standard. Electroexplosive Subsystems Safety Requirements and Test
Methods for Space Systems. 1984. − 151 p.
26. MIL-STD-1605(Ships), DoD. Standard of Practice. Procedure for Conducting a Shipboard
Electromagnetic Interference (EMI) Survey (Surface Ships). 1973. − 25 p.
27. MIL-STD-1686C, Military Standard. Electrostatic Discharge Control Program for Protection of
Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (Excluding Electrically Initiated Explosive
Devices). 1995. − 14 p.
28. MIL-STD-1757A, Military Standard. Lightning Qualification Test Techniques for Aerospace Vehicles
and Hardware. 1983. − 94 p.
29. MIL-STD-1818A, Military Standard. Electromagnetic Effects Requirements for Systems. 1993. − 63 p.
30. MIL-STD-1857, Military Standard. Grounding, Bonding and Shielding Design Practices. 1976. − 187 p.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»,
Статья поступила 23.04.2014.
Данное научное исследование (проект 14-01-0072) выполнено при поддержке Программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2014/2015гг.
This study (research grant 14-01-0072) supported by The National Research University–
Higher School of Economics’ Academic Fund Program in 2014/2015
Kechiev L.N., Baljuk N.V.
Standardization in area EMC for military and civil systems
Modern foreign standards in area EMC for military and civil systems are considered. In standards the
methodology of the account of requirements of stability, firmness and safety on all life cycle of the equipment and systems contains. The important step to development of standards EMC is the global approach to
consideration of electromagnetic hindrances in a wide range of frequencies and amplitudes. In a number of
standards the risks connected about EMC, the future systems are considered.
Keywords: standardization, electromagnetic compatibility, military systems, protection.
National Research University Higher School of Economics
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
59
УДК 681. 3. 093
В.А. Михеев
Развитие многофункциональных информационных
систем, работающих в сложных
электромагнитных средах
В статье рассмотрены предложения и опыт формирования многофункциональной информационной системы интегрированных структур
оборонно-промышленного комплекса с примерами из ОАО «Концерн «Вега».
Перечислены центры компетенции для реализации проектов по разработке и
выводу на рынок конкурентной продукции. Рассмотрены некоторые вопросы, на которые необходимо обратить внимание при дальнейшем совершенствовании системы.
Ключевые слова: модернизация, многофункциональная информационная система, интегрированная структура, оборонно-промышленный комплекс, центры компетенции, импортозамещение, инновации, технологический уклад, технологии превосходства, базовые кафедры, электромагнитная
совместимость, патентная деятельность, экологическая безопасность
Введение
В настоящее время в оборонно-промышленном комплексе (ОПК) Российской Федерации
происходит обновление, которое даст возможность сократить разрыв в качестве и ассортименте выпускаемой продукции между отечественными и зарубежными производителями и в перспективе занять лидирующие позиции в мире − в секторах, где наблюдается отставание.
Одним из направлений стратегии модернизации ОПК на период до 2015 года, в соответствии
с постановлениями правительства Российской Федерации, является создание крупных научнопроизводственных интегрированных структур (ИС): концернов, холдингов, корпораций, что позволит
объединить предприятия смежных секторов ОПК, интегрировать научно-технический, производственный и экономический потенциал, а также осуществить координацию и реализацию важных проектов (программ), оптимизацию и повышение концентрации производства, совершенствование корпоративного управления и уровня менеджмента [1].
Главным звеном интеграции является эффективная система сбора, накопления, обработки,
хранения и передачи информации. Такая система способна объединить в единое информационное
пространство различные программно-технические комплексы предприятий, входящих в состав ИС
ОПК, и обеспечить удовлетворение информационных потребностей пользователей при разработке,
производстве и реализации образцов вооружения и военной техники (ВВТ), продукции двойного
назначения и гражданской продукции [1]. Это подтверждается отечественным и зарубежным опытом
эксплуатации подобных ИС, которые активно используют современные средства коммуникаций, информационные технологии (ИТ) т.е. информатизацию, в результате чего, добиваются наибольшего
технологического и экономического успеха.
Информатизация предполагает создание единого информационного пространства территориально-распределенных предприятий, а также объединение их бизнес-процессов, информационных
сервисов и ресурсов. Единое информационное пространство (ЕИП) должно быть создано на базе
многофункциональной информационной системы (МИС), объединяющей кампусные локальные вычислительные сети (ЛВС) предприятий, входящих в состав ИС ОПК [2].
Теоретические предпосылки информатизации ИС ОПК рассмотрены в монографии [1], в которой изложены методологические основы построения многофункциональных информационных систем (МИС) ИС ОПК и дан набор практических рекомендаций по их реализации. Важным фактором
создания МИС является учет влияния среды функционирования на показатели систем. В настоящее
время стандартами предусмотрены следующие основные среды:
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
60
ISSN 1729-2670
межсистемная электромагнитная совместимость (ЭМС) характерна для систем, работающих одновременно в группировке, а также с окружающей электромагнитной обстановкой,
• внутрисистемная ЭМС между всем электрическим/электронным оборудованием, установленным в системе,
• поля высокой интенсивности (HIRF) которые могут возникать от внешних радиопередающих систем, радиолокационных станций или передатчиков других систем,
• молния является одним из самых мощных естественных источников электромагнитных
излучений, которое может быть в виде прямого влияния и воздействие на электронные системы и оборудование наведенными токами и напряжениями («косвенные воздействия»),
• электромагнитный импульс (ЭМИ) возникает при ядерных взрывах. В зависимости от высоты взрыва рассматриваются два различных импульса: ЭМИ высотного ядерного взрыва,
когда взрыв производится на высотах более 50 км, ЭМИ наземного ядерного взрыва,
• E- и P-статическое электричество вызвано вибрацией, влияниями среды (например, пыль),
при этом системы или их части могут зарядиться статическим электричеством до критических потенциалов, при которых возникает электростатический разряд (ЭСР),
• мощное микроволновое излучение, которое станет в будущем существенной угрозой для
критических систем.
Одной из проблем, является требования по защите информации в МИС. Многие технические
аспекты этой проблемы могут быть решены на основе процессов и явлений, характерных для ЭМС.
Актуальность ЭМС при создании МИС вызвана большим числом электронных средств (ЭС),
усложняющих электромагнитную обстановку, что увеличивает вероятность деструктивных воздействий на среду передачи и обработки информации и может привести к нарушениям безопасности
МИС ИС ОПК. Ситуация усложняется с появлением новых технических средств создания мощных
преднамеренных электромагнитных воздействий, которые могут быть использованы в качестве оружия или средств электромагнитного терроризма [3, 4, 5].
В [1] рассмотрены только научно-технологические проблемы, решение которых направлено
на обоснование и выбор методов, моделей, технологий и технических решений информатизации ИС
ОПК.
•
Рекомендации по совершенствованию МИС ИС ОПК
В последние годы вышли новые распоряжения Правительства Российской Федерации, например, от 8 декабря 2011 г. № 2227-р «Стратегия инновационного развития Российской Федерации на
период до 2020 года», где говорится: «В целом не удалость переломить ряд значимых для инновационного развития негативных тенденций, существенно ускорить процесс интеграции российской инновационной системы в мировую систему и кардинально повысить инновационную активность и эффективность работы компаний, в том числе государственных, а также создать конкурентную среду,
стимулирующую использование инноваций. Еще многое нужно сделать для налаживания взаимодействия науки и бизнеса, повышения уровня коммерциализации научных разработок государственных
академий наук и вузов в России до уровня развитых стран, являющихся членами Организации экономического сотрудничества и развития». В связи с этим в структуре ИС ОПК необходимо самое серьезное внимание обратить на следующие проблемы:
• создание центров компетенции [6] − инструмента инновационного развития ИС ОПК,
• внедрение инноваций в производство: состояние патентной деятельности, работа с академией наук, инновационным центром «Сколково» и Фондом перспективных исследований
(создан в конце 2012 года и является аналогом американского Агентства перспективных
исследований министерства обороны США DARPA (Defense Advanced Research Projects
Agency), который активно сотрудничает с Министерством образования и науки РФ),
• импортозамещение: отечественное оборудование и технологии, комплектующие и материалы,
• кадровые вопросы: взаимодействие предприятий с вузами и системой профтехообразования (ПТУ и техникумы),
• нормативно-правовые: вывод продукции на мировой и отечественные рынки в соответствии с международными и российскими стандартами.
Кратко рассмотрим некоторые из этих вопросов.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
61
Создание центров компетенции
В «ИМЦ Концерна «Вега» работают центры компетенции по следующим направлениям:
• средства, использующие RFID-технологии;
• радиозащитные материалы и изделия из них;
• радиокомпозиционные материалы и изделия из них;
• технологии диагностирования состояния металлоконструкций, механических узлов и оборудования систем жизнеобеспечения сложных технических объектов;
• высокотехнологичная медицинская техника;
• информационная безопасность;
• продвижение и коммерциализация технологий, продукции и решений.
• в стадии разработки центр по электромагнитной совместимости (ЭМС).
Формирование таких центров целесообразно для организации научно-технической поддержки
проводимых разработок, сдачи всех работ под ключ, оптимизации всех видов ресурсов и снижения
затрат.
Идеология центров компетенции предусматривает:
• информационно-аналитическое и кадровое обеспечение,
• оснащение современной научно-исследовательской, технологической и испытательной
базой,
• экспериментально-опытное производство.
Это позволяет осуществлять технологическое сопровождение и модернизацию производимой
продукции.
Основной смысл центра компетенции − устранение пробелов в знаниях о предмете осуществляемой центром деятельности и обеспечение соответствия возможностям предприятия.
Очевидно, что без должного кадрового потенциала решение данных задач невозможно, поэтому на четырех предприятиях ОАО «Концерн «Вега» функционируют семь базовых кафедр, на которых студенты одновременно учатся и работают в центрах компетенции и участвуют в создании современной техники. В Концерне есть аспирантура, организуются практические и научно-технические
семинары, международные стажировки, применяются и другие формы повышения квалификации,
например, функционирует Научно-образовательный центр «Авиационно-космические радиоэлектронные системы» [7]. В настоящее время совместно с МИЭМ НИУ ВШЭ создается базовая кафедра
по направлению «Электромагнитная совместимость».
Состояние образование и взаимодействие с предприятиями ОПК
Вот как оценивает [8] состояние нашего образования Александр Николаевич Тихонов, профессор, доктор технических наук, академик РАО, научный руководитель, директор МИЭМ НИУ
ВШЭ.
"… университеты у нас со старым оборудованием, особенно инженерные, с разваливающимися, практически музейными экспонатами в виде лабораторных баз".
"Проблема в том, что еще не сформирована и не объявлена научно-техническая политика государства. Нужно сформулировать задачи высшего образования. К примеру, у нас же есть стратегия
формирования оборонзаказа, а в образовании – нет".
По существу без плана модернизации промышленности сложно оптимально провести реформу высших технических заведений т.к. необходимо определить количество вузов и студентов по соответствующим специализациям с привязкой по регионам, оснащение их оборудованием, разработкой новых учебных планов и т.д.
Несмотря на то, что реформа образования идет с большими издержками (чему посвящено
много публикаций), в последние время появились положительные тенденции:
• улучшается финансирование вузов и их оснащение;
• строятся новые и ремонтируются старые здания;
• идет переход на трехступенчатую систему обучения (бакалавриат, магистра, аспирантура), хотя отношение к бакалаврам неоднозначное;
• повышение зарплаты преподавателям и система надбавок стимулирует публикационную
активность;
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
62
•
•
ISSN 1729-2670
вводится оплата за разработку патентов;
создаются базовые кафедры совместно с предприятиями.
План развития промышленности
Законопроект о промышленной политике внесён в Правительство РФ и в конце июня 2014 года должен был поступить на обсуждение в Госдуму, в результате у российской промышленности может, наконец, появиться единый план развития [9].
Вот что заявил руководитель межведомственной рабочей группы, готовившей законопроект,
депутат, зампредседателя Комитета Госдумы по промышленности Павел Дорохин: «В правительстве
долго господствовала точка зрения: индустрия не нужна, всё купим в других странах на нефтедоллары. В результате мы потеряли лидирующие позиции в основных отраслях промышленности ― машиностроении, авиа- и судостроении, ракетно-космическом направлении. По некоторым видам производства отстали на десятки лет. В текстиле мы только сейчас вышли на уровень 1911 года, по тракторам − на уровень 1930 года». Очевидно, что необходимы решительные шаги по переходу промышленности на ускоренной развитие, особенно в наукоемких отраслях.
Импортозамещение
По заявлению заместителя председателя Правительства Российской Федерации Дмитрия Рогозина [10]: «Вопросами импортозамещения Россия занимается не первый день, и события на Украине, а также последовавшие санкции США и Евросоюза лишь подтолкнули нас к активизации этой
деятельности. К сожалению, диапазон санкций продолжает необоснованно нарастать, как в отношении предприятий отечественного ОПК, так и против российских финансово-кредитных организаций.
Эти политически мотивированные и недружественные действия наших партнеров могут не ограничиться декларируемыми тремя месяцами и приобрести долгосрочный характер». В этой связи он выделил два сектора промышленности:
• возрождение отечественной станко-инструментальной промышленности;
• импортозамещение в сфере комплектующих радиоэлектронной аппаратуры.
Так как современные станки с ЧПУ оборудованы электронными системами, то эти задачи
тесно связаны между собой. Несмотря на проведенную модернизацию производства радиоэлектронной аппаратуры на многих предприятия, остается зависимость от импортных комплектующих.
В предыдущие годы внимание уделялось развитию производства интегральных схем и процессоров. Настало время «…развить производство всей номенклатуры элементной базы, активной
(микросхемы и процессоры), пассивной (резисторы, конденсаторы, диоды и т. п.), соединительных
элементов, реле, индикаторов, кабельной продукции» [10]. Данный аспект непосредственно определяет возможность построения перспективных МИС.
Технологии развития и превосходства
По словам Дмитрия Рогозина «Весь мир, и наша страна в том числе, вступают в эпоху шестого технологического уклада (ТУ)» [11].
«Сегодня основная часть производственных мощностей России находится на стадии четвертого технологического уклада, … в США уже около 60% производств действуют в рамках пятого
уклада, у нас эта цифра ограничивается пока всего 10%. Вот почему именно качественный прорыв
сразу в шестой ТУ, минуя технологии пятого поколения, является для нас стратегически важным вызовом».
Более подробно с характеристиками технологических укладов можно познакомиться в интересном исследовании В.В. Лучинина [12], где представлен анализ технологии превосходства как интеллектуального базиса нового технологического уклада. Ниже приводится сводная таблица (табл. 1)
из этого источника.
В другой публикации этого автора [14] приведено системное изложение представлений о развитии контрактного производства как эффективной формы реализации инновационного потенциала
вуза − Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ).
В статье [15], показана определяющая роль микроэлектромеханических систем (МЭМС) в
развитии третьей индустриальной революции.
Следует также обратить внимание на развитие технологий 3D: 3D-принтеры, 3D-сканеры, 3Dмикросистемы и т.д.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
Характеристики технологических укладов
ТехнолоВременные
Базовые технологии
гические
интервалы
(производства)
уклады
II
1830-1890 гг. Механическое производство.
III
1880-1940 гг.
Металлургия.
Машиностроение.
Электротехника.
IV
1930-1990 гг.
V
1985-2035 гг.
VI
(прогноз)
[13]
2020 г.-...г.
Химические технологии.
Точное машиностроение.
Радиоэлектронные технологии.
Авиационно-космические
технологии.
Материаловедение.
Микро- и наноэлектроника.
Информационные технологии.
Биотехнологии.
Атомно-молекулярная инженерия.
Бионическая инженерия и
робототехника.
Биоинформационные и сетевые технологии.
Микро- и наноэнергетика.
Космические технологии.
63
Таблица 1
Характерные особенности
Развитие железнодорожного и водного транспорта.
Использование пара.
Тяжелое и энергетическое машиностроение.
Автомобилестроение.
Радиосвязь.
Использование электрической энергии.
Радиоэлектроника.
Компьютерные технологии.
Массовое производство различных транспортных
средств.
Конвейерные технологии.
Использование атомной энергии.
Интернет-технологии.
Высокоскоростные транспортные сети.
Биомедицинские технологии.
Развитие энергосберегающих технологий.
Глобальные информационно-коммуникационные
сети.
Системы искусственного интеллекта и искусственные органы.
Комплексная роботизация.
Нетрадиционная энергетика.
Освоение труднодоступного земного и внеземного пространства
В этой связи Рогозин отметил понятие «цифровые фабрики» и предложил провести федеральный образовательный эксперимент по созданию «профтехучилищ шестого уклада … ― крупных
учебно-производственных центров цифрового производства, которые позволяли бы учащимся не
только получать технологические знания уровня шестого ТУ, но и практически применять их здесь
же, на "цифровых фабриках».
В качестве ориентира инновационных процессов в электронике необходимо также учитывать
ITRS-2013 — Международный план по развитию полупроводниковых технологий (International Technology Roadmap for Semiconductors), в котором оцениваются технические проблемы и возможности
развития полупроводниковой отрасли до 2028 года [16].
В документе ITRS-2013 представлены задачи по созданию более компактных, энергоэффективных и производительных полупроводниковых устройств [17].
Патентная деятельность
Состояние в этой сфере кратко и ёмко охарактеризовал в своём блоге [18] Дмитрий Медведев:
«…у нас безобразная ситуация с патентами. Вы знаете, что значительная часть наших изобретателей
по разным причинам — у кого-то денег нет, у кого-то просто желания нет — не патентуют свои разработки, работодатели себя так же ведут, очень большое количество этих изобретений утекает за границу. Поэтому патентование, на мой взгляд, это проблема номер один».
По данным Всемирной организации интеллектуальной собственности (ВОИС) [19] в 2010 году на долю российских разработчиков приходилось 0,34% от числа всех патентов. Лидерами по этому показателю были США, Япония и Германия — эти три страны представили 57,8% всех патентных
заявок в мире.
В качестве примера решения данной проблемы на предприятиях ОАО «Концерн «Вега» стало
создание и внедрение системы управления интеллектуальной собственностью, главным элементом
которой является патентная стратегия интегрированной структуры.
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
64
тах:
ISSN 1729-2670
Система управления интеллектуальной собственностью базируется на следующих докумен-
«Положение об изобретательской деятельности»;
«Положение о порядке выплаты авторского вознаграждения»;
«Положение о беспатентной форме охраны результатов интеллектуальной деятельности в
режиме коммерческой тайны»;
• на ряде методических рекомендаций, касающихся вопросов управления интеллектуальной
собственностью.
• на комплексной системе передачи данных между предприятиями.
К сожалению, связь между предприятиями и вузами по вопросам использования патентов
разработанных в высших учебных заведениях осуществляется, в основном, за счет личных контактов.
Представляется, что появление базовых кафедр частично решит эту проблему.
•
•
•
Вывод продукции на мировой и отечественные рынки
МИС ИС ОПК должен отвечать требованиям международных и российских стандартам в области ЭМС, функциональной безопасности, а оборудование − требованиям по экологической безопасности продукции. В частности, европейская директива RoHS влечет существенные изменения в
мировой электронике. Но еще большее воздействие, оказывает директива REACH [20]. При поставке
на экспорт в соответствии с этими Директивами придется изменить каждый компонент, продукт и
процесс, что влечет увеличение стоимости оборудования, материалов и другие расходы. Очевидно,
что эти директивы (и ряд других) усложняют вывод продукции на международные рынки.
Заключение
Развитие МИС ИС ОПК возможно при новых подходах в теории построения систем, включающих вопросы электромагнитной совместимости и функциональной безопасности, а реализация подобных наукоемких объектов требует повышение эффективности проектных работ, развития отечественной элементной базы и технологии, а также повышение уровня компетенций кадрового потенциала путем совершенствования образовательного процесса и более тесного взаимодействия между
вузами и предприятиями ОПК.
Список литературы
1. Михеев В.А. Основы проектирования и построения многофункциональных информационных систем интегрированных структур оборонно-промышленного комплекса. Теория и практика. – М.:
Изд. дом Высшей школы экономики, 2014. – 248 с.: 40 ил.
2. Михеев В.А., Журавлёв Н.Н. Организация сквозного цикла проектирования на приборостроительных предприятиях оборонно-промышленного комплекса. − Технологии ЭМС. − 2013. − №
2(45). − С. 70−75.
3. Кечиев Л.Н., Степанов П.В., Арчаков О.Н. Предотвращение катастроф электромагнитного характера в информационных системах. − Технологии ЭМС. − 2005. − № 4 (15). − С. 7−19.
4. ГОСТ Р 52863-2007. Защита информации. Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Испытания на устойчивость к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям.
Общие положения. − М.: Стандартинформ, 2008. − 34 с.
5. Михеев В.А. Инструмент инновационного развития.― Газета «Военно-промышленный курьер»
№26 (494) от 10 июля 2013.
6. Михеев В. А., Фролов А. В., Петрова И. А. Трансфер инновационных технологий на предприятиях радиостроения. − Инновации. − 2013. − № 6(176). − С. 18−22.
7. Журнал «Национальный Контроль», 2013, октябрь - http://miem.hse.ru/news/96903995.html
8. Молоткова П. Депутат Павел Дорохин: план новой индустриализации уже готов/ Еженедельник
"Аргументы и Факты" № 24 11/06/2014 – http://www.aif.ru/money/company/1186987
9. Наша главная задача − модернизировать вооружения
http://rosgazeta.mirtesen.ru/blog/43771648256/Dmitriy-Rogozin:-Nasha-glavnaya-zadacha--modernizirovat-vooruzh.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
65
10. Дмитрий Рогозин (заместитель председателя правительства). Прыжок в шестое поколение. Российская
газета
(Федеральный
выпуск)
N6343
от
28
марта
2014
г
http://www.rg.ru/2014/03/28/rogozin.html
11. Лучинин В.В. Микро- и нанотехника. Технологии превосходства.− Нано- и микросистемная техника. − 2012. − № 12. − С. 2−8.
12. Руденко Б. Шестой технологический уклад. Интервью с академиком Е. Кабловым. − Наука и
жизнь. − 2010. − № 4. − С. 2–7.
13. Афанасьев П., Бохов О., Кутузов В., Лучинин В., Шестопалов М. Реализация инновационного
потенциала вуза. Центр прототипирования и контрактного производства микро- и нанотехники.
― Наноиндустрия. − 2012. − № 6 (36). − С. 52−60.
14. Вернер В.Д., Мальцев П.П., Сауров А.Н. МЭМС и третья индустриальная революция. − Нано- и
микросистемная техника. − 2012. − № 11. − С. 2−5.
15. Герберт Беннет, Джон Пекарик Раздел плана ITRS: Радиочастотные и аналоговые/комбинированные технологии. − Электронные компоненты. − 2013. − № 4. − С. 19−22.
16. Международный план по развитию полупроводниковых технологий на следующие 15 лет. −
Электронные компоненты. − 2014. − № 5. − С. 24.
17. На встрече с операторами и получателями финансовых средств, выделяемых на реализацию социальных проектов 8 апреля 2011 года
− http://blog-medvedev.livejournal.com/69591.html?page=3
18. Холдинг РБК, 21 февраля 2011, понедельник.
19. Макушин М. «Зеленое законодательство» Европы: от RoHS до REACH. − Электроника: НТБ. −
2006. − № 6. − С. 114−117.
20. EU directive 2002/95/EG Reduction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment − Директива ЕС об ограничении использования определенных опасных веществ в
электротехническом и электронном оборудовании.
Открытое акционерное общество «Инженерно-маркетинговый центр Концерна «Вега»
(ОАО «ИМЦ Концерна «Вега»)
Статья поступила 14.06.2014.
Mikheev V.A.
Development of the multipurpose information systems functioning in the difficult
Electromagnetic environments
In article offers and experience of formation of multipurpose information system of the integrated
structures of an Defence-industrial complex with examples from Open Joint-Stock Company «EngineeringMarketing Center of Concern «Vega» are considered. The centres of the competence for realisation of projects on working out and a conclusion to the market of competitive production are listed. Some questions to
which it is necessary to pay attention at the further perfection of system are considered.
Key words: modernisation, the multipurpose information system, the integrated structure, an oboronnoindustrial complex, the competence centres, импортозамещение, innovations, technological way, technologies of the superiority, base chairs, electromagnetic compatibility, patent activity, ecological safety
The Open Joint-Stock Company «Engineering-Marketing Center of Concern «Vega»,
(The OJSC «EMC of Concern «Vega»).
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
66
ISSN 1729-2670
Стандартизация и сертификация в области ЭМС
УДК 621.337/.39:00-6
Н.И. Файзрахманов
Достижение функциональной безопасности
систем и оборудования в связи
с электромагнитными помехами
В настоящее время специалистами технического комитета по стандартизации «Электромагнитная совместимость технических средств» (ТК 030) разрабатывается первая редакция межгосударственного стандарта ГОСТ IEC/TS 61000-1-2 «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Общие положения. Методология достижения функциональной безопасности электрических и электронных систем, включая оборудование, в отношении электромагнитных помех», идентичного техническому
описанию IEC/TS 61000-1-2, 2-я редакция.
Необходимо отметить, что второе издание стандарта заменяет и отменяет первое издание,
опубликованное в 2001 г. и является техническим пересмотром. Основные технические изменения по
отношению к предыдущему изданию следующие:
• для
систем,
связанных
с
безопасностью,
которые
используют
электрические/электронные/программируемые электронные технологии, технические данные, определения,
терминология и текст второго издания приведен в соответствие со стандартом МЭК 61508;
• требования к методологиям оценки риска были удалены из этого документа, чтобы не дублировать или входить в противоречие с IEC 61508;
• в настоящее время устанавливаются четкие различия между полными системами, связанными с
безопасностью, и тем оборудованием, которое может быть использовано в таких системах, а также уточняет его применение различными конечными пользователями;
• разрабатываемый стандарт в основном описывает соответствующие методы проектирования, и их
контроль и подтверждение;
• методология оценки и определения электромагнитных обстановок была расширена;
• принято во внимание сочетание электромагнитных и физических/климатических воздействий.
Прежде чем перейти к связи электромагнитной совместимости и функциональной безопасности, необходимо рассказать о проблеме функциональной безопасности в целом.
Функциональная безопасность является частью общей системы безопасности, которая зависит от правильной работы системы или оборудования в ответ на входные сигналы. Функциональная
безопасность достигается, если выполняется каждая указанная функция безопасности и достигнут
необходимый уровень выполнения каждой функции.
Примером функциональной безопасности может служить прибор для защиты от перегрева, в
котором используется датчик температуры на обмотке электродвигателя, отключающий питание двигателя до возможного перегрева. Однако наличие специальной оболочки для противостояния высокой температуре не связано с функциональной безопасностью (хотя относится к обеспечению безопасности в целом и может предотвращать ту же самую опасность).
Система, связанная с безопасностью, в контексте стандарта IEC 61508 «Функциональная
безопасность электрических/электронных/программируемых электронных систем, связанных с безопасностью», включает в себя все компоненты (оборудование, программное обеспечение, персонал),
необходимые для выполнения одной или более функций безопасности, и отказ функции безопасности
может существенно повысить риск угрозы безопасности персонала и/или окружающей среды.
Система, связанная с безопасностью, может содержать автономное оборудование, предназначенное для выполнения отдельной функции безопасности (например, система обнаружения пожара), или быть интегрирована в другую установку или оборудование (например, система регулирования скорости двигателя в станке).
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
67
Стандарт IEC 61508 устанавливает несколько основных понятий в области функциональной
безопасности, в частности, следующие:
• функциональная безопасность (functional safety): часть общей безопасности, связанной с оборудованием под контролем (ОПК) и системами управления ОПК, которые зависят от правильного
функционирования Э/Э/ПЭ систем, связанных с безопасностью, а также с другими технологическими системами;
• Э/Э/ПЭ система (E/E/PE system): система для управления, защиты или мониторинга на основе
одного или более электрических/электронных программируемых электронных (Э/Э/ПЭ)
устройств;
• полнота безопасности (safety integrity): вероятность системы, связанной с безопасностью, функционировать в соответствии с требованиями безопасности в заданных условиях в течение заданного периода времени;
• уровень полноты безопасности, УПБ (safety integrity level): дискретный уровень (один из четырех возможных) для определения требований к полноте безопасности функций безопасности
Э/Э/ПЭ систем, связанных с безопасностью, где уровень 4 имеет самый высокий уровень полноты безопасности, а уровень 1 – самый низкий.
Рассматриваемый в этом сообщении стандарт ГОСТ IEC 61000-1-2 устанавливает методологию достижения функциональной безопасности исключительно в отношении электромагнитных помех электрических и электронных систем и установок, используемых в условиях их нормального
функционирования. Эта методология, в том числе включает в себя влияние на оборудование, используемое в таких системах и установках.
Разрабатываемый стандарт:
а) относится к системам, связанным с безопасностью, включающим в себя электрическое/электронное/программируемое электронное оборудование;
б) рассматривает влияние электромагнитной обстановки на системы, связанные с безопасностью;
он предназначен для разработчиков, производителей и установщиков подобных систем и может использоваться в качестве руководства для комитетов МЭК;
в) не касается непосредственных опасностей от электромагнитных полей на живые организмы и
не касается безопасности, связанной с распадом изоляции или других частей или механизмов, вследствие чего человек может подвергнуться опасному воздействию электрическим током.
Стандарт, в основном, охватывает аспекты ЭМС на этапе проектирования систем, связанных с
безопасностью, и оборудования, используемых в них, и, в частности, имеет отношение к:
• некоторым основным понятиям в области функциональной безопасности,
• различным конкретным шагам в области ЭМС для достижения и управления функциональной
безопасностью,
• описанию и оценке электромагнитной обстановки,
• аспектам ЭМС в процессах разработки и сборки продукции с учетом планирования безопасности
с помощью обеспечения ЭМС на уровне систем и оборудования,
• процессам контроля и подтверждения в области устойчивости к электромагнитным помехам,
• критериям качества функционирования и некоторым философским соображениям в области испытаний систем, связанных с безопасностью и оборудования, используемого в них,
• аспектам, связанным с испытаниями на устойчивость к электромагнитным помехам систем, связанных с безопасностью, и оборудования, используемого в этих системах.
Разрабатываемый стандарт применим к системам, связанным с безопасностью, соответствующим требованиям IEC 61508 и/или связанных с ними по конкретным разделам функциональных
стандартов безопасности.
Для систем, связанных с безопасностью, охватываемых другими функциональными стандартами
безопасности, соображения должны быть установлены, исходя из требований рассматриваемого документа с целью выявления соответствующих мер, которые должны быть приняты по отношению к
электромагнитной совместимости и функциональной безопасности.
Стандарт также может быть использован в качестве руководства для рассмотрения требований
по ЭМС для других систем, непосредственно связанных с безопасностью.
Целью разрабатываемого стандарта с учетом ЭМС и функциональной безопасности является
решение возможных последствий электромагнитных помех системам, связанным с безопасностью и
68
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
ISSN 1729-2670
установление требований к соответствующим этапам жизненного цикла системы, связанной с безопасностью, для достижения системной способности за счет электромагнитных аспектов, как указано
в описании требований к безопасности.
Правильная работа системы, связанной с безопасностью, зависит от нескольких факторов.
IEC 61508 содержит общие утверждения для систем, связанных с безопасностью. В разрабатываемом
стандарте рассматриваются конкретные аспекты, связанные с электромагнитными помехами.
Эти аспекты включают в себя:
• электромагнитную обстановку:
o информацию об оценке окружающей обстановки;
o установление испытательных уровней и методов испытаний;
o соображения по электромагнитным помехам и уровням полноты безопасности;
• аспекты ЭМС в процессе проектирования и интеграционных процессов, на:
o уровне системы,
o уровне оборудования;
• верификация/подтверждение помехоустойчивости в целях достижения функциональной безопасности:
o процессы верификации и подтверждения,
o критерии качества функционирования и философия проведения испытаний;
• испытания на устойчивость в отношении функциональной безопасности:
o соображения по методам испытаний и испытательным уровням,
o соображения по испытаниям на устойчивость в отношении системной способности.
Разрабатываемый стандарт описывает процесс достижения функциональной безопасности в
виде комплекса технической и управленческой деятельности с учетом таких понятий как жизненный
цикл безопасности, полнота безопасности системы и оборудования. Документ описывает методы
оценки электромагнитной обстановки, в которой предположительно будет функционировать система
или оборудование.
И, наконец, несколько слов о разделе, посвященном испытаниям по параметрам электромагнитной совместимости в целях достижения функциональной безопасности.
Известно, что методы испытаний на помехоустойчивость, установленные стандартами серии
IEC 61000-4, являются базовыми для достижения электромагнитной совместимости без учета функциональной безопасности. Стандарт ГОСТ IEC/TS 61000-1-2 рекомендует в случае необходимости
выбирать помимо стандартизованных методов их варианты (к примеру, проводить испытания на
устойчивость к магнитному полю промышленной частоты по IEC 61000-4-8 не только с использованием основной частоты, как указано в стандарте, а в особых случаях и с использованием гармоник).
Рассматривается также случай, когда при разработке новых технологий возникают электромагнитные
помехи, которые еще не учтены в стандартизованных методах испытаний.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
69
Новая книга
УДК 621.396 С 91
С.А. Сухоруков
С 91 Я разгадал секреты пирамид? − Тула: Аквариус, 2014. − 466 с., илл.
Пирамиды (а означает это слово «с огнем в середине»), по гипотезе автора книги, были
сверхмощными энергетическими установками по типу двигателей внутреннего сгорания, топливом
для которых служила вода, обработанная сильными электрическими и акустическими полями. Электричество извлекалось из воды и из каменных блоков при ударном возбуждении их взрывами, которые происходили в камерах сгорания (погребальных камерах), а акустические поля генерировали резонаторы-саркофаги. В пирамидах имеются следы износа, вызванного их работой, как тепловых машин. Подобные дефекты возникают со временем и у автомобильных двигателей. Пирамиды генерировали вибрацию и электричество, позволявшие создавать вибрационно-электрические технологии, с
помощью которых велась добыча и переработка полезных ископаемых, обрабатывались и транспортировались каменные блоки, возводились уникальные сооружения. Каменную энергетику создали
инженеры эпохи Богов.
Пирамиды были активными (тепловыми машинами) и пассивными, последние возбуждались
энергией активных пирамид. Преобразователями энергии пирамид в полезную работу, необходимую
например, для точной обработки каменных блоков, были всевозможные «храмы». Энергия от пирамид передавалась к «храмам» посредством колебаний скальных пород, либо в виде электрического
заряда, который передавался по воде.
В книге приводится множество доказательств гипотезы, в том числе с опорой на тексты из
Библии, рисунки в храмах Египта. Ряд доказательств удалось получить с помощью экспериментов.
Книга адресована широкому кругу читателей: она может быть интересна как исследователям
альтернативной истории человечества, так и ученым, занятых исследованиями в области альтернативной энергетики.
ISBN 978-5-8125-2020-5
© Сухоруков С.А., 2014
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
70
ISSN 1729-2670
АВТОРЫ НОМЕРА
ВНИМАНИЕ! ПРОДОЛЖАЕТСЯ ПОДПИСКА НА ЖУРНАЛ
«ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ»
Объединенный каталог «Пресса России» агентства «Книга-Сервис»
10362 − полугодовой индекс. Через редакцию − (на любой срок) по тел.: 8-985-134-4367.
Балюк Николай Васильевич, д.т.н., профессор;
профессор каф. РЭТ НИУ ВШЭ,
[email protected]
Гуров Игорь Борисович. Генеральный директор
ЗАО «Специнжпроект», тел 8-926-872-01-13.
[email protected]
Демский Дмитрий Викторович, аспирант кафедры
РЭТ МИЭМ-НИУ ВШЭ, тел. 8-926-429-8019,
[email protected]
Ивлев Павел Викторович, специалист,
тел. +7-910-463-52-89, [email protected]
Какаев Виталий Викторович, к.т.н., заместитель
начальника управления ВИ (НИ) Военнокосмической академии имени А.Ф. Можайского,
тел: 8(812)325-14-15 [email protected]
Кечиев Леонид Николаевич, д.т.н., профессор;
профессор каф. РЭТ НИУ ВШЭ,
тел. 8-917-572-2727, [email protected]
Крючков Николай Михайлович, ст. преподаватель каф. РЭТ МИЭМ-НИУ ВШЭ,
тел.: 8-985-723-0280, [email protected]
Купцов Николай Михайлович, инженер отдела
ЭМС РЭС и обеспечения стойкости к спецвоздействиям, ОАО «Радиотехнический институт имени
академика А. Л. Минца», тел. 8-495-612-99-99,
доб.2363, [email protected]
Махонин Александр Борисович, к.т.н., доцент,
с.н.с. ВИ (НИ) Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, [email protected]
Михеев Вячеслав Алексеевич, к.т.н., ОАО «Инженерно-маркетинговый центр Концерна «Вега», тел.
(499) 155-43-03, [email protected]
Онуфрей Андрей Юрьевич, д.т.н., профессор,
в.н.с. ВИ (НИ) Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, тел: 8(812)325-14-15
[email protected]
Пилков Александр Валерьевич, начальник отдела
ЭМС РЭС и обеспечения стойкости к спецвоздействиям, ОАО «Радиотехнический институт имени
академика А. Л. Минца», тел. 8-495-612-99-99,
доб.2365, [email protected]
Радомский Андрей Николаевич инженер отдела
ЭМС РЭС и обеспечения стойкости к спецвоздействиям, ОАО «Радиотехнический институт имени
академика А. Л. Минца», тел. 8-495-612-99-99,
доб.2363, [email protected]
Разумов Александр Владимирович, д.т.н., профессор, с.н.с. ВИ (НИ) Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, тел: 8(812)325-14-15
(921 785 28-51), [email protected]
Рябов Юрий Георгиевич, к.т.н., с.н.с.,
тел. 8-917-549-60-03, [email protected]
Рязановский Тимур Львович, начальник сектора
ОАО «МНИРТИ», [email protected]
Савин Юрий Викторович, инженер 1-й категории,
каф. РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ, тел. 8-915-107-52-38,
[email protected]
Тищенко Владимир Александрович – к.ф.-м.н.,
начальник научно-исследовательского отделения
электромагнитных измерений – ученый-хранитель
государственного эталона, ФГУП «ВНИИФТРИ»,
Тел.: (495)662415; email: [email protected]
Уткин Иван Алексеевич, адъюнкт кафедры Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского
[email protected]
Файзрахманов Николай Исхакович, ЗАО НИЦ
«САМТЭС», ведущий специалист, председатель
технического комитета по стандартизации «Электромагнитная совместимость технических средств»,
тел. (499) 235 9955, [email protected]
Шаммасов Руслан Рафаэлевич – ФГУП
«ВНИИФТРИ», инженер, Тел.: (495)5266355; email:
[email protected]
Шатов Дмитрий Сергеевич, специалист, МИЭМ
НИУ ВШЭ, кафедра РЭТ, тел. 8-495-916-8964.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2014. № 3(50)
71
Organised by IOP Electrostatics Group.
Co-sponsored by Electrostatics Committee of the Chinese Physical Society,Electrostatics
Society of America (ESA), ESD Association and Journal of Electrostatics.
Конференция «Электростатика 2015» является всемирно известной международной конференцией по электростатике. Она организована Институтом физики (Institute of Physics) и будет проходить в Саутгемптоне в университете Solent (Southampton Solent University). В работе конференции примут участие эксперты из академических кругов, исследовательских лабораторий и промышленности, чтобы обсудить многие аспекты, которые составляют проблему электростатики.
Ключевые даты
Срок подачи тезисов: 29 октября 2014.
Срок подачи материалов: 3 февраля 2015.
Раннее окончание регистрации: 28 февраля 2015.
Срок регистрации: 1 апреля 2015.
Подробности на сайте http://elec2015.iopconfs.org/home
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа