Фото: fesco.ru

Развитие силовой полупроводниковой преобразовательной техники и ее широкое применение в судовых электроприводах переменного и постоянного тока, включая гребные электрические установки, вентильные генераторы, зарядно-разрядные устройства, привели к снижению показателей качества электроэнергии, возрастанию проблемы электромагнитной совместимости судового электрооборудования и средств автоматизации.

Андрей Григорьев, профессор кафедры ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, гендиректор АО «НПЦ «Электродвижение судов», к.т.н.

Основным критерием электромагнитной совместимости является устойчивость технических средств (ТС) к электромагнитным помехам (помехоустойчивость). Требования к помехоустойчивости различаются в различных стандартах.

 

Электромагнитные помехи

 

Понятие электромагнитного процесса является исходным при определении характеристик электромагнитной обстановки и установлении степеней интенсивности электромагнитных помех применительно к различным условиям эксплуатации ТС.

Существуют три основные категории электромагнитных помех, вызываемых электромагнитными явлениями и процессами:

– низкочастотные электромагнитные помехи;

– высокочастотные электромагнитные помехи;

– электростатические разряды.

Определение термина «электромагнитная обстановка», установленное в ГОСТ 30372/ГОСТ Р 50397, основано на понятии электромагнитного явления и процесса. Для количественного описания электромагнитных явлений и процессов, формирующих электромагнитную обстановку, используется термин степень интенсивности электромагнитной помехи.

Уровень электромагнитной совместимости – установленный максимальный уровень электромагнитной помехи, которая будет воздействовать на ТС в конкретных условиях эксплуатации.

Степень интенсивности электромагнитной помехи – условная величина, характеризующая диапазон уровней электромагнитной помехи определенного вида в рассматриваемом месте размещения ТС.

Уровень помехоустойчивости – максимальный уровень электромагнитной помехи, воздействующей на конкретное ТС, при котором сохраняется требуемое качество функционирования ТС.

Электромагнитная обстановка, в которой ТС на судне должно функционировать без нарушений и отказов, достаточно сложна с точки зрения наличия помех различного рода. С целью ее классификации могут быть установлены следующие категории электромагнитных помех, характеризующих электромагнитную обстановку:

– низкочастотные электромагнитные помехи (кондуктивные и излучаемые);

– высокочастотные электромагнитные помехи (кондуктивные и излучаемые);

– электростатические разряды.

Понятие «низкие частоты» означает, что преобладающая часть частотного спектра электромагнитной помехи лежит ниже 9 кГц, а понятие «высокие частоты» – что она расположена на частотах значительно выше, чем 9 кГц.

Излучаемые электромагнитные помехи возникают в пространстве, окружающем ТС. Кондуктивные помехи распространяются в различных металлических проводящих средах.

Кондуктивные низкочастотные электромагнитные помехи проявляются в судовой сети электропитания следующим образом: появление гармоник напряжения; колебания напряжения; провалы, всплески и кратковременные прерывания напряжения; отклонения напряжения электропитания от номинального значения; несимметрия напряжений в трехфазных системах электроснабжения; изменения частоты питающего напряжения в сети переменного тока; наличие постоянных составляющих в сетях переменного тока.

Гармоники напряжения являются синусоидальными изменениями напряжения электропитания, имеющими частоту, кратную основной частоте сети. Гармоники напряжения являются в том числе результатом протекания токов, возникающих в нелинейных нагрузках. Указанные токи вызывают падение напряжения на полном сопротивлении сети электропитания. Токи и напряжения гармоник от различных источников складываются геометрически так, что результирующее напряжение меньше или равно арифметической сумме всех составляющих.

Основным источником гармоник напряжения в судовой сети являются регулируемые электроприводы, силовые полупроводниковые преобразователи, сварочные установки и т.д.

Качество электрической энергии определяется совокупностью свойств, обуславливающих ее пригодность для нормальной работы электроприемников. Свойства электроэнергии характеризуются показателями качества, перечень которых вместе с нормативными требованиями установлен Российским морским регистром судоходства. Приемники электрической энергии рассчитаны на работу при определенных (номинальных) значениях напряжения и частоты в сети. Для многих из них важна форма кривой питающего напряжения, а для трехфазных приемников необходимо обеспечить симметрию напряжений разных фаз.

В реальных условиях эксплуатации значения напряжения и частоты отличаются от номинальных, искажается форма кривой питающего напряжения и симметрия напряжений в трехфазной сети. Нарушения этих условий носят как длительный, так и кратковременный характер в зависимости от вызвавших их причин и по-разному влияют на работу электроприемников.

Применение в судовых электроэнергетических установках полупроводниковых преобразователей электроэнергии искажает форму кривой напряжения и вносит существенные помехи в работу радиоэлектроники и микропроцессорных систем управления, защиты и контроля.

В реальных условиях производства, преобразования, распределения электроэнергии возникает искажение формы кривой тока и напряжения. Искажения возникают при генерации электроэнергии, передаче электроэнергии и, главным образом, при ее потреблении, связанном в основном с преобразованием переменного тока в постоянный и наоборот. При этом искажается не только кривая потребляемого тока, но и кривая первичного питающего напряжения.

Искажение напряжения сети, ухудшая качество электроэнергии, приводит к ряду нежелательных воздействий на потребителей и на работу самой системы электроснабжения. Это проявляется в увеличении потерь электроэнергии, сокращении срока службы электрооборудования за счет дополнительного старения изоляции, увеличении погрешности электроизмерительных приборов, ухудшении работы систем автоматики, телемеханики и связи. Несинусоидальность питающего напряжения отрицательно сказывается на спектральном составе выпрямленного напряжения. Высшие гармоники первичного переменного тока и питающего напряжения отрицательно влияют на работу систем автоматики и связи.

Допустимый уровень гармоник напряжения в питающей сети строго регламентируют.

 

Источники электро-магнитных помех на судах

 

На судах можно выделить основные источники электромагнитных помех:

– полупроводниковые преобразователи электроэнергии;

– включение потребителей электроэнергии, приводящее к созданию отклонений питающего напряжения и импульсным помехам в электроэнергетической системе;

– конденсаторы, создающие импульсные помехи;

– индуктивные электрические цепи, включение которых сопровождается появлением перенапряжения и импульсных помех;

– аварийные процессы, в том числе однофазные замыкания на корпус, что создает импульсные помехи и перенапряжения во всей электроэнергетической системе;

– коллекторные электродвигатели, работа которых создает помехи в широком диапазоне частот;

– люминесцентные лампы, создающие импульсные помехи при зажигании и широкополосный электромагнитный шум, связанный с особенностью газового разряда, происходящего в лампе при горении и др.

Обеспечение ЭМС подразумевает сопоставление уровней электромагнитных помех в месте установки технических средств и уровней устойчивости этих средств к помехам. Общим принципом обеспечения ЭМС технических средств является определение совместимости источников и приемников электроэнергии.

Восприимчивость к электромагнитной помехе – неспособность ТС работать без ухудшения качества функционирования при наличии электромагнитной помехи. Восприимчивость к электромагнитной помехе представляет собой недостаточную помехоустойчивость и характеризуется минимальным уровнем помех, при котором возникают сбои в работе ТС.

Устойчивость к электромагнитной помехе, или помехоустойчивость, – это способность ТС сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров при отсутствии дополнительных средств защиты от помех, не относящихся к принципу действия ТС.

Уровень устойчивости к электромагнитной помехе, или уровень помехоустойчивости, – максимальный уровень электромагнитной помехи конкретного вида, воздействующей на ТС, при котором ТС сохраняет заданное качество функционирования

Помехозащищенность – это способность ТС противостоять помехам, то есть сохранять заданное качество функционирования, которое зависит от специальных дополнительных средств защиты и решений, не нарушающих основные принципы построения ТС. Помехозащищенность определяется помехоустойчивостью и эффективностью дополнительных средств защиты.

Использование отдельных терминов «помехоустойчивость» и «помехозащищенность» является достаточно условным, так как разработчик или производитель ТС может ввести средство защиты в состав ТС, и тогда следует говорить о помехоустойчивости самого ТС, а не о помехозащищенности ТС с дополнительным средством защиты.

Стойкость к электромагнитным помехам – способность ТС противостоять электромагнитным воздействиям, вызывающим необратимые нарушения функционирования.

Уровень стойкости к электромагнитной помехе – максимальный уровень электромагнитного воздействия, при котором не возникает отказа ТС. Критерий отказа должен быть оговорен в технической документации на ТС. Уровень стойкости всегда выше уровня устойчивости. Для количественной оценки стойкости могут использоваться такие характеристики, как энергия разрушения, электрическая прочность и др.

 

Термины и определения

 

В процессе эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации необходимо различать следующие термины, понятия и определения:

– электромагнитная обстановка (ЭМО) – совокупность электромагнитных явлений, существующих в данном месте, в частотном и временном диапазонах;

– электромагнитная совместимость (ЭМС) – способность технического средства эффективно функционировать с заданным качеством в определенной ЭМО, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим ТС;

– электромагнитная помеха (ЭМП) – электромагнитные явления, которые ухудшают или могут ухудшить качество функционирования ТС. Уровень ЭМП – значение величины помехи, измеренное в регламентированных условиях;

– влияние помехи – снижение показателей качества функционирования ТС при воздействии помехи;

– помехоустойчивость – способность ТС сохранять заданное качество функционирования при воздействии помех.

Решение проблемы электромагнитной совместимости возможно комплексным методом, при выполнении организационных мероприятий, проведении необходимых экспертиз и техническим обеспечением.

Организационное обеспечение ЭМС – организационные решения, постановления, нормативно-технические документы, направленные на исключение или снижение до приемлемого уровня электромагнитных помех между техническими средствами.

Экспертиза ЭМС – экспериментальное и (или) теоретическое исследование состояния обеспечения ЭМС технического средства в заданной электромагнитной обстановке.

Среди путей решения проблемы ЭМС техническими мерами можно выделить: экранирование, фильтрацию и заземление. Экранирование – окружение источника электромагнитных помех либо рецептора металлическим кожухом. Фильтрация – создание на пути распространения паразитных токов фильтров, устраняющих (снижающих) до допустимого уровня помехи. Заземление – мероприятие, имеющее целью обеспечить стекание образующихся на экранах или корпусе ТС паразитных токов на землю, тем самым исключая накопление потенциала до опасных (в том числе для человека) пределов.

В условиях эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации необходимо понимать причины возникновения электромагнитных помех, уметь оценивать качество электроэнергии питающей сети и принимать меры по обеспечению электромагнитной совместимости оборудования.

 

Морской флот №2 (2023)