Методы оценки параметров импульсных помех при распространении в судовых электроэнергетических системах

• Современное судно является сложной системой включающей в себя многие технические средства с различными функциями и принципами действия. При этом характерно широкое использование в них электротехнических и электронных элементов. Электромагнитные процессы, происходящие при работе каждого такого элемента, в той или иной мере влияют на процессы, протекающие в других элементах, и, в свою очередь оказываются подверженными влиянию с их стороны. Подчас это взаимное электромагнитное влияние может приводить к сбоям в работе отдельных технических средств и серьезным нарушениям нормального функционирования судна в целом. В электроэнергетических системах возникают наиболее сильные электромагнитные возмущения распространяющиеся кондуктивно и пространственно. Непрерывно происходящие рост мощности судовых электротехнических устройств, повышение чувствительности устройств судовой радиоэлектроники и расширение использования бортовых средств вычислительной техники остро ставят проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) судовых технических средств.

Резолюция ИМО А813 (19), правило 17 новой главы 5 COJIAC, и стандарты МЭК 60 533 и МЭК 60 955 требуют обеспечения электромагнитной совместимости судового электронного и электротехнического оборудования, как необходимого условия обеспечения безопасности судна. Электромагнитная совместимость судовых систем зависит от помехоустойчивости отдельного оборудования, уровней создаваемых помех и путей их распространения от источ-ф ников к оборудованию.

Для обеспечения электромагнитной совместимости необходимо принимать во внимание не только параметры помех в месте возникновения, но и изменение параметров при распространении до восприимчивой к помехам аппаратуры. Вопросы распространения импульсных помех по судовым кабелям и через средства защиты на судне требуют детального исследования.

Большой вклад в развитие и решение проблемы ЭМС внесли также отечественные ученые Гурвич И. С., Глухов О. А., Вилесов А. А., Воршевский А. А., Паршин В. Г., Сухоруков С. А., Благинин В. А., Князев А. Д. и др.

В работе Гурвича И. С. [37] было создание и научно-техническое обеспечение внедрения в инженерную практику научно обоснованных стандартных норм и методов испытаний на допускаемую восприимчивость средств народнохозяйственного назначения к опасным видам внешних импульсных помех, а также на допускаемое образование внешних импульсных помех. Работа Глухова О. А. [28, 29, 30] создала целостную теорию коммутационных переходных процессов, направленную на решение проблемы перенапряжений и импульсных помех при коммутациях электроэнергетической системы. Разработанные принципиально новые коммутационные аппараты, формирующие заданную коммутационную функцию с целью минимизации амплитуды перенапряжений при относительно малой длительности коммутации. Возникновение импульсных искажений напряжения рассмотрено в работе Воршевского А. А [25], которая позволяет определить параметры импульсных искажений напряжения при коммутационных процессах в СЭЭС. В работе Сухорукова С. А. было определение закономерностей возникновения и распространения наведенных импульсных напряжений в судовых информационных кабелях. Проблеме ЭМС судовых системах посвящено большое число исследований, но задачи распространения ИП через кабели и через средства зашиты на судне, недостаточно изучены.

Цель работы. Целью работы является определение изменения параметров импульсных помех при распространении в судовых электроэнергетических системах.

С учетом поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

— Разработка методов оценки параметров ИП при распространении судовых кабелях.

— Определение значения параметров судовых кабелей, необходимых для расчета распространения импульсных помех.

— Определение изменения параметров ИП при распространении через кабели, трансформаторы, фильтры и гальванические развязки.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием следующих методов исследования:

— Метод распространяющихся (бегущих) волн.

— Моделирование распространения ИП в частотной и временной областях.

— Использование пакетов Mathcad, Matlab при решении уравнений, моделировании процессов и математической обработке результатов экспериментов.

— Генетический алгоритм для определения максимальной амплитуды импульса на нагрузке неоднородной линии.

— Использование SPICE моделей элементов ЭЭС.

— Импульсный метод для измерения параметров трансформаторов, параметров электромагнитной связи кабелей и проверки эффективности экранирования по®мехоподавляющего покрытия кабелей.

— Натурные эксперименты для проверки разработанных математических моде> лей.

Содержание глав работы:

Первая глава посвящена проблеме помехи на судне: причины возникновения и пути распространения электромагнитных помех в СЭЭС. Провести анализ требований Российского Морского Регистра судоходства, стандартов и международных документов к судовому оборудованию по ЭМС.

Во второй главе разрабатываются математические модели для оценочного расчета изменения параметров импульсов напряжения при распространении по однородным и неоднородным судовым кабелям, и также для расчета наве-Ф денного напряжения в информационных кабелях, прокладывающих совместно с силовыми кабелями.

В третьей главе представлены результаты расчета параметров судовых кабелей, необходимых для расчета распространения импульсных помех. Определено влияние параметров кабелей, их прокладки на распространение. Рассчитано изменение параметров импульсов напряжения при распространении по однородным и неоднородным судовым кабелям, и параметров наведенного напряжения. В этой главе даются результаты испытаний распространения импульсных помех в разных судовых кабелях и методика испытания эффективности экранирования помехоподавляющего покрытия кабеля, ф В четвертой главе представлены результаты расчета паразитных параметров катушек индуктивности, конденсаторов и коэффициента вносимого затухания микросекундных, наносекундных помех через фильтры. Измерены параметры распространения импульсных помех через трансформаторы. Привеле-ны методики испытания и результатов исследования распространения импульсных помех через гальванические развязки ABA 6ТА00 В и WAS5 VVC HF.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

Научная новизна. В ходе проведенного в диссертационной работе исследования получены следующие новые научные результаты:

— Разработана математическая модель распространения наносекундных ИП в # судовых электротехнических кабелях с учетом затухания и неоднородностей.

— Впервые получены значения параметров судовых кабелей, необходимые для расчета распространения наносекундных ИП.

— Определено влияние параметров кабелей, их прокладки на распространение. Впервые получены зависимости параметров помех от разделки кабелей, неод-нородностей кабельной трассы.

— Определены максимально возможные амплитуды ИП на судовом электронном оборудовании с учетом эффектов распространения.

— Определена эффективность экранирования помехоподавляющего покрытия кабеля.

— Получены зависимости коэффициента вносимого затухания фильтра для наносекундных ИП от паразитных параметров элементов фильтра.

Практические результаты. Полученные в диссертационной работе результаты представляют практическую ценность:

— Полученные теоретически и экспериментально значения параметров кабелей используются для расчета распространения ИП в кабельной трассе.

— Методика проверки эффективности экранирования помехоподавляющего покрытия и результаты измерений используются при разработке новых видов покрытий кабелей в ФГУП РФ ЦНИИ КН «Прометей» .

— Измеренные параметры трансформаторов позволяют рассчитывать распространение ИП через них.

— Зависимости коэффициента вносимого затухания фильтров от параметров элементов предлагается использовать при проектировании средств помехоза-щиты.

— Результаты исследования распространения импульсных помех через гальванические развязки ABA 6ТА00 В и WAS5 VVC HF использованы при выборе средств защиты в ФГУП НПО «Аврора» .

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. В судовой электроэнергетической системе в переходных режимах возникают импульсные помехи, отличающиеся формой и значениями описывающих их параметров. При проведении работ по ЭМС необходимо принимать в внимание особенности распространения ИП в судовой сети.

2. Анализ международных документов и Российского Морского Регистра судоходства показывает, что наблюдается сближение требований МЭК, МАКО и Российского Регистра судоходства к судовому оборудованию по электромагнитной совместимости. Специальные рекомендации по защите от импульсных помех по путям распространения не сформулированы. Необходимо учитывать распространение наносекундных импульсных помех 5/50 не по ГОСТ Р 51 317−4-4 и микросекундных импульсных помех 1/50 мкс по ГОСТ Р 51 317−4-5.

3. Отсутствующие в технической документации вторичные параметры кабелей, коэффициенты конструктивных постоянных времени распространения импульсных напряжений и токов определяются методом расчета или измерения. Коэффициент затухания, а судовых кабелей КНР достигает максимального значения 0,1 747 (неп/км)для кабеля КНР сечением 3×1мм2 и минимального значения 0,364 (неп/км) для сечения 3><240мм. Результат расчета постоянных времени Топ и Тод показывает, что при увеличении сече.

2 л ний кабелей с 1 мм до 240 мм изменение коэффициента Год меньше чем изменение коэффициента т0п• Коэффициенты Гоп = 9,7186.10'7(с/км2), тод -3,9071.10″ 9(с/км2) для кабеля КНР 3×1 мм2, а гоп = 4,3928.10″ 8 (с/км2), год = 4,0869.10″ (с/км) для кабеля КНР 3×240мм. Полученные параметры электротехнических судовых кабелей могут применяться для расчетов распространения импульсных помех по судовым кабелям.

4. Разработанные математические модели позволяют определить значения параметров импульсных помех при распространении по судовым кабелям.

Параметры импульсных помех при распространении в судовых кабелях зависят от потери в кабеле, отражения от нагрузки и многократных отражений от точек изменений волнового сопротивления вдоль цепи распространения. Многократные отражения волн на пути распространения из-за разделки кабелей дают увеличение амплитуды помехи до 4 амплитуд падающей волн.

Результат моделирования распространения импульсных помех по кабелям с неоднородностями показывает, что увеличение волнового сопротивления вдоль пути распространения может дать увеличение амплитуды помехи до 4 амплитуд падающей волн при сопротивлении источника 50 Ом и до 6 амплитуд при сопротивлении источника 5 Ом. Изменение волнового сопротивления кабеля по ступенчатому периодическому закону из-за прокладки кабелей через системы шпангоутов судна не вызывает увеличение амплитуды помехи на нагрузке.

5. Математическая модель расчета наведенных напряжений позволяет оценивать параметры наведенных напряжений импульсов и прогнозировать их форму. Амплитуда наведенного напряжения в цепи рецептора помех может достигать 0,3 амплитуд напряжения импульса в цепи источника помех.

6. На судне амплитуда напряжения на удаленной нагрузке может достигать 4 амплитуд напряжения электропитания. Многократные отражения в кабеле могут дать увеличение перенапряжения до 7,5 амплитуд напряжения электропитания. Необходимо увеличить требования к устойчивости судового оборудования к микросекундным импульсным помехам до 2 кВ.

7. Результаты моделирования распространения импульсных помех через фильтры предлагается использовать для выбора LC — фильтров для защиты электрооборудования. LC — фильтры мало эффективны для защиты от микросекундных помех. Затухание импульсных помех превышает 5 раз только при индуктивности L более 10 мГн и емкости С близкой к 10 мкФ. Распространение наносекундных импульсных помех через фильтр в значительной степени определяется паразитными параметрами элементов фильтра. Затухание наносекундных импульсных помех для индуктивного фильтра превышает 10 раз только при индуктивности L фильтра большей 0,1 мГн и паразитной емкости меньшей 3 пФ.

8. В технической документации на трансформаторы вторичного источника питания отсутствуют данные о величинах межобмоточной емкости С12, емкости обмотки трансформатора относительно корпуса С2, индуктивности рассеяния Ls и емкости обмотки Cs, необходимые для расчета распространения импульсных помех через трансформатор. Параметры средств помехоза-щиты и трансформаторов предлагается определять импульсным методом. В результат экспериментов определено, что для трансформаторов питания электронных средств С2 = 4−60 пФ, Сп = 35 — 1200 пФ, Ls ~ 10'5 — 10'7 Гн и Су = 60 — 300 пФ. Значения параметров С2, Cj2, Cs и Ls для силовых трансформаторов больше, чем для трансформаторов питания радиоэлектронных устройств. Для судового силового трансформатора ТСВМ-4−74, 4кВА значения параметров составляют С12 — 1,2 нФ, С2 = 0,43 нФ, Cs = 121 пФ и L$ = 0,535 мГн. Методика определения и измеренные параметры средств защиты и трансформаторов предлагается использовать для расчета распространения импульсных помех через элементы судовой электроэнергетической системы и выбора средств помехозащиты.

9. Эффективность использования средств гальванических развязок предлагается определять экспериментально в соответствии с разработанной методикой. Результаты испытания средств защиты подтверждают работоспособность методики. В частотности определено, что гальваническая развязка ABA 6ТА00 В не соответствует требованиям испытаний по эмиссии и устойчивости. Гальваническая развязка при своей работе создает недопустимые помехи амплитудой до 5 В и частотой около 900 кГц. Приложенные на входные зажимы несимметричные напряжения 1,8 — 3 В в частотном диапазоне 20.

— 50 МГц вызывают недопустимые отклонения выходного напряжения. Зарегистрированы изменения напряжения от +9 В до -9 В.

Гальваническая развязка WAS5 VVC HF соответствует требованиям испытаний по эмиссии и устойчивости.

Исследованные гальванические развязки не обеспечивают эффективной защиты оборудования от радиочастотных помех. Вносимое затухание несимметричных помех, распространяющихся через устройство развязки, составляет только 1,1−3 раза в диапазоне частот 18−50 МГц.

10. Разработанная методика испытания эффективности экранирования помехоподавляющего покрытия кабелей импульсным методом и результаты испытания образца кабеля предлагается использовать для разработки новых видов кабелей.,.

11. Дальнейшие исследования по распространению импульсных помех в СЭЭС предлагается развивать в направлении разработки системных методов проектирования судов, учитывающих полученные в работе результаты. Предлагается также ввести в Правила Морского Регистра судоходства требования по испытанию устойчивости к ИП судового оборудования и систем после установки на судне в ходе швартовных испытаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.