Испытание технических средств на устойчивость к выбросу напряжения (устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии (МИП))

Испытание технических средств (ТС) на устойчивость к выбросу напряжения (устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии (МИП)).

Устойчивость к электромагнитной помехе, помехоустойчивость - Способность устройства, оборудования или системы функционировать без ухудшения качества в присутствии электромагнитной помехи.

При разработке ТС любого профиля — коммерческого, широкого медицинского, специального назначения, в том числе и военного, — одним из важнейших этапов является принятие мер по ее устойчивости к внешним воздействиям, что должно быть подтверждено соответствующими испытаниями и сертификатами. К числу таких обязательных испытаний относится и проверка устойчивости к микросекундным импульсным помехам большой энергии.

Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии (МИП) - это способность электрического и электронного оборудования функционировать в реальных условиях эксплуатации при воздействии перенапряжений, возникающих в результате:

• коммутационных переходных процессов и
• молниевых разрядов.

Коммутационные переходные процессы в системе электропитания.

Коммутационные переходные процессы в системе электропитания могут быть разделены на переходные процессы, связанные:

1.  С переключениями в мощных системах электроснабжения, например с коммутацией конденсаторных батарей.
2. Незначительными локальными переключениями или изменениями нагрузки в электрических распределительных системах.
3. Резонирующими цепями, связанными с переключающими приборами, например тиристорами, транзисторами.
4. Различными повреждениями в системах, такими как короткие замыкания цепей на землю и дуговые разряды на систему заземления электрических установок.

Переходные процессы от разрядов молний

Основными механизмами, при помощи которых молнии порождают выбросы напряжения, являются следующие:

1. Непосредственный удар молнии в наружную (вне здания) цепь инжектирует значительные токи, которые создают напряжения, протекающие через сопротивление цепи заземления или полное сопротивление наружной цепи.
2. Непрямой удар молнии (то есть удар между облаками, внутри облака или в находящиеся вблизи объекты, который создает электромагнитные поля) индуцирует напряжения/токи в проводниках снаружи и/или внутри здания.
3. Протекающий ток от молнии к земле в результате близких разрядов непосредственно в землю взаимодействует с общим контуром заземления системы заземления электрической установки.

Быстрое изменение напряжения или протекания тока, которое может возникнуть в результате срабатывания устройства молниезащиты, может приводить к образованию электромагнитных помех в расположенном рядом оборудовании.

Для испытаний применяется комбинированный генератор выбросов 1,2/50 мкс.

Имитатор импульсных помех ИИП-4000М

Конструкция

Имитатор со встроенным устройством связи-развязки выполнен в виде блока переносной конструкции закрытого типа. Органы управления имитатором расположены на передней панели блока, узлы подключения испытуемой аппаратуры и питания на задней. Гнезда для коммутации цепей ввода помех расположены на передней панели блока имитатора.

Особенности конструкции

• Имитатор содержит встроенное однофазное устройство связи-развязки на ток до 8 А.
• Ввод помехи осуществляется симметрично и несимметрично: между проводами питания испытуемого оборудования и на провода относительно корпуса.
• Во время испытаний не требуются дополнительные измерительные приборы.

Характеристики

1. Питание: от сети переменного тока с частотой 50±0,5 Гц и напряжением 220±10 В.
2. Габариты - 480×480×120 мм.
3. Масса - не более 25 кг.
4. Амплитуда импульсов напряжения: 0,5 кВ, 1 кВ, 2 кВ, 4 кВ.
5. Напряжение питания и ток испытуемого оборудования до 250 В, 8 А.
6. Длительность импульсов напряжения 50 мкс.
7. Фронт импульсов напряжения 1 мкс.
8. Полярность импульсов — положительная и отрицательная.

Аттестация каждые 2 года.

Настоящее испытание не предназначено для проверки способности изоляции испытуемого ТС выдерживать воздействие высокого напряжения. Прямые воздействия токов молниевых разрядов, то есть прямые удары молний, не рассматриваются.

Описание проблемы

Импульсная помеха - это электромагнитная помеха, которая проявляется в тракте конкретного технического средства как последовательность отдельных импульсов или переходных процессов. Микросекундная импульсная помеха (МИП) - импульсная помеха общей длительностью от 1 мкс до 1 мс. Причинами возникновения микросекундных помех, как уже говорилось ранее, являются разнообразные коммутационные процессы, происходящие в системах электроснабжения большой и малой мощности, а также различные электрические атмосферные явления.

Проведение испытаний

Испытания проводят в соответствии со стандартом ГОСТ IEC 61000-4-5-2017 “Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-5. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к выбросу напряжения”. Документ включен в Перечень международных и региональных (межгосударственных) стандартов, а в случае их отсутствия - национальных (государственных) стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения требований Технического регламента Таможенного союза "Электромагнитная совместимость технических средств" (ТР ТС 020/2011) и осуществления оценки соответствия объектов технического регулирования, утвержденный Решением Коллегии Евразийской экономической комиссии от 29.06.2021 N 77.

Выбор испытательных уровней (степеней жесткости) в соответствии со стандартом ГОСТ IEC 61000-4-5-2017 должен быть основан на условиях установки и может быть регламентирован в стандартах на продукцию или на группу однородной продукции, таких как:

Согласно ГОСТ IEC 61000-4-5-2017 импульсные помехи могут проникать в порты электропитания кондуктивным (непосредственно по проводам) путем по следующим контурам: «провод–провод» (I), «провод–земля» (II) (рис. 1) (L-фаза, N-нейтраль, GND-земля).

МИП, возникающие на портах электропитания устройства, по схеме «провод-провод» (I) являются наиболее опасными ввиду большего значения энергии, которую несет в себе импульс помехи (например, испытательный импульс, подаваемый по схеме «провод-провод» (I) амплитудой 1 кВ, что соответствует степени жесткости 2, обладает энергией 25 Дж, а МИП, подаваемая по схеме «провод-земля» (II), 5 Дж). Поэтому энергия импульсной помехи, поступающая в электронное устройство по схеме «провод-земля» (II), имеет меньшее значение относительно схемы «провод–провод» (I) из-за различного импеданса данных цепей. Портами питания считают порты, непосредственно связанные с сетью электропитания переменного или постоянного тока (распределительной сетью).

Для подачи МИП на соединительные линии используются устройства связи/развязки.

В состав испытательной установки входит следующее оборудование:

• испытуемое ТС.
• вспомогательное оборудование, при необходимости.
• кабели (определенного типа и длины).
• УСР (устройства связи/развязки).
• комбинированный генератор выбросов (Имитатор импульсных помех ИИП-4000М).
• опорная пластина заземления для испытаний экранированных линий.

Процедура испытаний включает в себя:

• проверку испытательного оборудования;
• проверку лабораторных опорных условий (климатические, электромагнитные);
• проверку правильности функционирования испытуемого ТС;
• проведение испытаний;
• оценку результатов испытаний.

План испытаний должен устанавливать:

• Испытательный уровень (степень жесткости).
• Количество импульсов (для каждой цепи связи).
• Количество выбросов напряжения указано ниже, если иное не установлено в соответствующем стандарте:

1.  Для портов питания постоянного тока и соединительных линий - пять положительных и пять отрицательных выбросов напряжения.
2. Для портов питания переменного тока - пять положительных и пять отрицательных импульсов, при 0, 90, 180 и 270° каждый.

• Интервал времени между последовательными импульсами: 1 мин или менее.
• Представительные условия эксплуатации испытуемого ТС.
• Порты испытуемого ТС для испытания.

Оценка результатов испытаний

Результаты испытаний должны быть классифицированы с точки зрения прекращения выполнения функции или ухудшения качества функционирования ТС в сравнении с уровнем качества функционирования, определенным его изготовителем, заказчиком испытания или соглашением между изготовителем и покупателем продукции.

Методы защиты от микросекундных импульсных помех (МИП):

Современная промышленность выпускает специализированные приборы, называемые устройствами защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), которые предназначены для защиты электронной аппаратуры от нежелательных воздействий импульсных помех.

На данный момент существует ряд основных подходов к созданию устройств защиты от импульсных помех, а именно:

УЗИП либо поглощают энергию, либо отводят ее в цепь защитного заземления, либо используется комбинация подходов, тем самым обеспечивая более высокий уровень стойкости электронной аппаратуры.

Как правило, процесс шунтирования импульса помехи на заземление реализуют при помощи различного рода нелинейных компонентов, основным принципом работы которых является уменьшение омического сопротивления при превышении приложенного напряжения выше уровня срабатывания (газоразрядники, варисторы, TVS-диоды, TVS-тиристоры).

Наиболее распространенным и дешевым элементом защиты от импульсных помех такого типа являются металлооксидные варисторы (МОВ), имеющие резко выраженную нелинейную вольт-амперную характеристику, способные уменьшать собственное активное сопротивление при достижении напряжения срабатывания и, соответственно, шунтировать защищаемый объект.

МОВ будет оставаться в высокоомном состоянии, позволяя энергии проходить по обычной схеме до тех пор, пока в линию не поступит напряжение, превышающее напряжение срабатывания МОВ. В результате чего резко увеличивается ток (с единиц миллиампер до сотен ампер), протекающий через варистор, тем самым защищая электронные компоненты устройства от перенапряжения. При этом напряжение, поступающее на оборудование, будет поддерживаться на приемлемом уровне до окончания воздействия помехи.

Вопросы по теме:

1. Дать определение микросекундной импульсной помехи (МИП).

Микросекундная импульсная помеха (МИП) - импульсная помеха общей длительностью
от 1 мкс до 1 мс.

2. С помощью какого вида испытательного оборудования проводят испытание на устойчивость к МИП?

Комбинированный генератор выбросов, например, ИИП-4000М.

3. Какой стандарт содержит требования и методы испытаний по устойчивости к МИП?

ГОСТ IEC 61000-4-5-2017. Также он необходим для применения ГОСТ CISPR 14-2-2016, ГОСТ CISPR 24-2013, ГОСТ CISPR 35-2019, ГОСТ Р МЭК 61326-1-2014, ГОСТ 30379-2017, ГОСТ 32132.3-2013, ГОСТ IEC 61439-1-2013, ГОСТ IEC 61131-2-2012, ГОСТ 32133.2-2013, ГОСТ 31818.11-2012, ГОСТ 30804.6.1-2013, ГОСТ 30804.6.2-2013, ГОСТ IEC 61000-6-5-2017 и др.

4. Какой элемент защиты от импульсных помех является наиболее распространенным и дешевым?

Наиболее распространенным и дешевым элементом защиты от импульсных помех такого типа являются металлооксидные варисторы (МОВ), имеющие резко выраженную нелинейную вольт-амперную характеристику, способные уменьшать собственное активное сопротивление при достижении напряжения срабатывания и, соответственно, шунтировать защищаемый объект.

5. Дать определение устойчивости к микросекундным импульсным помехам большой энергии (МИП).

Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии (МИП) - это способность электрического и электронного оборудования функционировать в реальных условиях эксплуатации при воздействии перенапряжений, возникающих в результате:

- коммутационных переходных процессов и

- молниевых разрядов.