POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Elektryczny Andrzej Dobrzański ANALIZA ODDZIAŁYWAŃ ZAKŁÓCEŃ ELEKTROMAGNETYCZNYCH NA WEJŚCIOWE OBWODY POMIAROWE URZĄDZEŃ PRACUJĄCYCH W ŚRODOWISKU STACJI ELEKTROENERGETYCZNEJ Rozprawa doktorska Prootor Dr hab. inż. Wojciech Bandurski, prof. P.P. Poznań 4
Wstęp Spis treści. WSTĘP...4.. Wprowadzenie...4... Kopatybilność elektroagnetyczna...4... Wyproieniowanie zakłóceń do otoczenia...5..3. Podatność na zakłócenia zewnętrzne...5.. Przediot i cel rozprawy...6.3. Tezy pracy...6.4. Układ pracy...6. WARUNKI PRACY URZĄDZEŃ A RZECZYWISTE ŚRODOWISKO ELEKTROMAGNETYCZNE NA STACJI ELEKTROENERGETYCZNEJ...8.. Stacja elektroenergetyczna środowisko elektroagnetyczne...8... Podstawowe źródła zakłóceń elektroagnetycznych charakterystyka...9... Przykładowe wyniki poiarów zakłóceń na stacji elektroenergetycznej...9.. Kopatybilność elektroagnetyczna w świetle polskich nor... 3. LINIE DOPROWADZAJĄCE SYGNAŁY POMIAROWE I STEROWANIA... 4 3.. Charakterystyka przenoszonych sygnałów... 4 3... Dynaika zian sygnałów... 4 3... Zakres częstotliwości... 4 3.. Długości linii poiarowych i sterujących... 5 3.3. Sposób prowadzenia i ułożenia linii... 5 4. MODELE LINII TRANSMISYJNYCH W PROGRAMACH SYMULACYJNYCH... 7 4.. Progra EMTP... 7 4.. Progray SPICE (na przykładzie prograów HSpice, PSpice)... 8 4... Linie pojedyncze... 8 4... Linie sprzężone... 4..3. Porównanie syulatorów EMTP i SPICE... 5. LINIE TRANSMISYJNE W ZEWNĘTRZNYM POLU EM... 5.. Fala płaska padająca na układ warstw... 5... Fala płaska padająca na PCB... 8 5.. Modelowanie oddziaływania pola EM na ścieżki położone na PCB... 34 Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - -
Wstęp 5.3. Model PCB iluinowanej pole EM opracowany dla prograu Spice... 4 6. MODELOWANIE OBWODÓW WEJŚCIOWYCH URZĄDZEŃ POMIAROWYCH.. 45 6.. Wejścia poiarowe wielkości analogowych... 45 6.. Wejścia poiarowe wielkości dwustanowych... 47 6.3. Magistrale i obwody do pracy ipulsowej... 47 6.4. Syulacje zakłóceń elektroagnetycznych... 48 6.5. Ocena wpływu zakłóceń na ierzone wielkości i dokładność poiarów... 54 7. POMIARY W WARUNKACH RZECZYWISTYCH... 56 7.. Poiary w koorze GTEM... 56 7.. Porównanie wyników syulacji z poiarai... 57 8. ZAKOŃCZENIE I WNIOSKI... 6 Eleenty nowości zawarte w pracy... 6 9. LITERATURA... 63 DODATEK A... 66 DODATEK B... 67 DODATEK C... 74 Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 3 -
Wstęp. Wstęp.. Wprowadzenie... Kopatybilność elektroagnetyczna Kopatybilność elektroagnetyczna określa zdolność urządzeń elektrycznych lub elektronicznych do prawidłowej pracy, i współpracy z innyi urządzeniai, w określony środowisku elektroagnetyczny. Z tego powodu reguły kopatybilności elektroagnetycznej dotyczą zarówno podatności urządzeń na wpływ zewnętrznych i wewnętrznych zakłóceń elektroagnetycznych, jak i eisji zakłóceń przez urządzenie do otoczenia [34]. Jako zakłócenia będą traktowane wszelkie czynniki wewnętrzne, zewnętrzne, naturalne lub wytworzone przez pracujące urządzenia, które nie stanowią sygnałów użytecznych podlegających przetwarzaniu w danej chwili. Powszechne dążenie do uzyskiwania coraz korzystniejszych paraetrów konstrukcyjnych (np.: ały ciężar i roziary) i użytkowych (niezawodność, niskie koszty eksploatacji, odpowiednie paraetry elektryczne itp.) eleentów, układów, urządzeń oraz systeów elektronicznych pociąga za sobą konieczność obniżania średniej ocy sygnałów użytecznych i zwiększania sprawności energetycznej tych obiektów. Konsekwencją tego jest coraz niejsza różnica iędzy ocą średnią sygnałów użytecznych oraz zawsze towarzyszących i sygnałów zakłócających. Obserwowany ciągły wzrost liczby i rodzajów układów oraz urządzeń elektronicznych stosowanych w różnorodnych dziedzinach działalności człowieka (np. w przeyśle, telekounikacji, edycynie i gospodarstwach doowych) jest przyczyną zwiększenia się ich wzajenego oddziaływania. Z praktycznego punktu widzenia kopatybilne elektroagnetycznie urządzenia elektroniczne to obiekty zdolne do pracy w określony środowisku elektroagnetyczny i niewprowadzające do tego środowiska niedopuszczalnych zakłóceń. Dopuszczalne pozioy zakłóceń określają nory krajowe, będące odpowiednikai nor europejskich. Wszystko to prowadzi do wniosku, że zagadnienie zniejszania wpływu sygnałów niepożądanych powinno zajować szczególne iejsce w procesie wytwarzania urządzeń elektronicznych bądź elektrycznych [8], [7]. Proble ten należy rozpatrywać w jak najwcześniejszej fazie projektu nowego urządzenia, ponieważ wprowadzanie zian w późniejszych fazach jest zazwyczaj ało skuteczne i kosztowne. Dodatkowo, liczba dostępnych sposobów zniejszania zakłóceń aleje ze wzroste stopnia zaawansowania prac projektowych. W tej trudnej, wydawać by się ogło, sytuacji z poocą konstruktoro przychodzą koputerowe progray syulacyjne, które uożliwiają testowanie pracy urządzenia bez konieczności budowania jego prototypu. Syulacje odbywają się przy założeniu braku wpływu zakłóceń zewnętrznych bądź wewnętrznych, lub przy ich udziale (dotyczy to głównie zakłóceń wewnętrznych powstających w podzespołach elektronicznych). O stopniu złożoności syulacji decyduje oc obliczeniowa posiadanych koputerów, czas trwania takiej syulacji (ożliwy do zaakceptowania) oraz wykorzystywane odele eleentów. Dostępne na rynku progray do syulacji różnią się funkcjonalnością, ilością i odyfikowalnością odeli eleentów i odułów oraz inialnyi wyaganiai odnośnie sprzętu koputerowego. Niektóre progray z tej grupy bazując na bardzo uproszczonych odelach eleentów (układów elektronicznych) oferują krótki czas trwania syulacji. Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 4 -
Wstęp Jedną z grup odeli, dostępnych w prograach syulacyjnych, są odele linii transisyjnych, od których wyaga się.in. zapewnienia ożliwości analizy zaburzeń propagacji sygnałów pod wpływe zewnętrznego pola zakłócającego [4], [4]. Istnieje wiele odeli linii, które uożliwiają określenie wartości napięć i prądów wyindukowanych w przewodach [], [5], [6], [33] i ścieżkach położonych na PCB [7], [], [5], [7], [8] pod wpływe zewnętrznego pola elektroagnetycznego (EM). Najdokładniejsze z nich wykorzystują etodę FDTD [], wyagają jednak koputerów o znacznej ocy obliczeniowej. Opracowany przeze nie, i przedstawiony w rozprawie, odel N przewodowej, aktywnej linii stratnej plasuje się po środku innych opracowań, dając dość dokładne wyniki syulacji i nie wyagając dużych ocy obliczeniowych. Ostatecznej weryfikacji poprawności zastosowanych rozwiązań dokonuje się w wyspecjalizowanych laboratoriach, zajujących się certyfikowanie urządzeń pod kąte kopatybilności elektroagnetycznej lub w iejscu pracy urządzenia, w warunkach rzeczywistych zakłóceń.... Wyproieniowanie zakłóceń do otoczenia Istnieją dwie charakterystyczne grupy urządzeń technicznych eitujących energię elektroagnetyczną drogą proieniowania. Pierwszą grupę tworzą urządzenia, które proieniują energię celowo (jest to ich funkcja użytkowa), drugą takie urządzenia, których proieniowanie jest niepożądane (jest to produkt uboczny ich działania). Do pierwszej grupy należą głównie urządzenia nadawcze radiowe, telewizyjne, radiokounikacyjne, radiolokacyjne itp., których oc sięga czasai kilku MW. Poszczególne urządzenia z tej grupy proieniują sygnały zdeterinowane, wąskopasowe (łącznie w szeroki paśie częstotliwości). Urządzeń proieniujących do otoczenia energię elektroagnetyczną, która a charakter niepożądany i często stanowi oddziaływanie zakłócające, jest znacznie więcej. W ty przypadku poszczególne urządzenia ogą proieniować sygnały zakłócające wąskopasowe i szerokopasowe, zarówno zdeterinowane jak i przypadkowe. Moce wyproieniowywane przez poszczególne urządzenia techniczne w sposób niezaierzony są bardzo zróżnicowane: od bardzo ałych wartości (kilka pw) do bardzo dużych (zakłócenia eitowanych przez linie elektroenergetyczne najwyższych napięć i ocy) [3], [3]...3. Podatność na zakłócenia zewnętrzne Urządzenia techniczne nie tylko stanowią źródło zakłóceń wyproieniowywanych do otoczenia. Również sae podlegają wpływo takich zakłóceń. O kopatybilności urządzenia lub systeu decydują wszystkie drogi, któryi wnikają zakłócenia. Mogą to być zarówno zakłócenia przewodzone, jak i zewnętrzne pola elektroagnetyczne. Dla każdego z pracujących urządzeń ożna wyznaczyć aksyalny pozio zakłóceń zewnętrznych, który nie powoduje zaburzeń w jego funkcjonowaniu. Jest to tzw. podatność, czyli wrażliwość, na zakłócenia zewnętrzne. Minialne progi zakłóceń, które nie powodują zaburzeń w pracy urządzeń, dla danej kategorii zaszeregowania urządzenia (doowe, przeysłowe, wojskowe, inne), zawiera Polska Nora patrz dodatek A (zgodna z odpowiednii norai europejskii). Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 5 -
Wstęp.. Przediot i cel rozprawy Cele ogólny rozprawy jest analiza, odelowanie i syulacja wpływu zewnętrznych zakłóceń elektroagnetycznych na obwody poiarowe urządzeń pracujących w środowisku stacji elektroenergetycznej. Celai szczegółowyi są: opracowanie ateatycznego odelu oddziaływania fali elektroagnetycznej płaskiej na linie transisyjne; ipleentacja opracowanego odelu w syulatorze Spice oraz jego syulacja; syulacje obwodów wejściowych urządzeń poiarowych z wykorzystanie, zaipleentowanego w PSpice, odelu aktywnej linii stratnej; porównanie wyników syulacji z rzeczywistyi poiarai, przeprowadzonyi w koorze GTEM..3. Tezy pracy Model aktywnej linii stratnej pozwoli na syulowanie oddziaływań zewnętrznych pól elektroagnetycznych na odcinki linii transisyjnych: linii jedno lub wieloprzewodowych (sprzężonych), w środowisku jednorodny lub niejednorodny; linii paskowej (pojedynczej lub linii sprzężonych), w środowisku niejednorodny. Analiza podatności na zakłócenia elektroagnetyczne obwodów urządzenia, na etapie realizacji scheatu połączeń elektrycznych, pozwoli na wykrycie i wyeliinowanie potencjalnych punktów wnikania zakłóceń, w jednej z najwcześniejszych faz projektu..4. Układ pracy Rozprawa składa się z ośiu rozdziałów, wliczając w to wstęp oraz zakończenie i wnioski. W rozdziale pierwszy przedstawiono proble zakłóceń elektroagnetycznych oraz kopatybilności elektroagnetycznej urządzeń elektrycznych i elektronicznych. W rozdziale ty uieszczono również przediot i cel rozprawy oraz tezy pracy. Rozdział drugi opisuje środowisko stacji elektroenergetycznej i panujące ta warunki elektroagnetyczne. Na wstępie przedstawiono wyniki poiarów zakłóceń elektroagnetycznych przeprowadzonych na terenie typowej stacji elektroenergetycznej średniego napięcia SN. Otrzyane wyniki pogrupowano i, ze względu na przejrzystość danych, zebrano w tabeli. Zarejestrowane oscylogray zaieszczono w dodatku B. Rozdział trzeci poświęcony jest linio doprowadzający sygnały poiarowe i sterujące do urządzeń zabezpieczeniowych, pracujących na stacji elektroenergetycznej. Opisano w ni sposoby prowadzenia, grupowania i ocowania przewodów elektrycznych stanowiących linie transisyjne oraz podano inforacje o przenoszonych przez nie sygnałach elektrycznych. Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 6 -
Wstęp Rozdział czwarty opisuje odele linii transisyjnych, dostępne w dwóch najpopularniejszych środowiskach syulacyjnych EMTP i SPICE (na przykładach HSpice i PSpice). W rozdziale ty zwrócono uwagę na brak, w obu środowiskach, ożliwości syulowania oddziaływania zewnętrznych zakłóceń elektroagnetycznych na linie transisyjne (poio dużej różnorodności dostępnych odeli). Utrudniona jest również ożliwość ingerencji użytkownika w biblioteki zawierające opisy odeli linii. Ostatecznie, odel aktywnej linii stratnej utworzono w prograie PSpice. Za jego wybore przeawiały: łatwość obsługi, przejrzysty interfejs użytkownika i duża popularność tego prograu wśród osób zajujących się zawodowo projektowanie urządzeń elektronicznych. Kolejne rozdziały 5, 6 i 7 stanowią główny trzon tej pracy. W rozdziale piąty przedstawiono rozważania zjawisk zachodzących w ośrodku o układzie warstwowy, pod wpływe padającej na ten układ warstw, pod dowolny kąte, fali płaskiej. W wyniku przeprowadzonej analizy pola elektroagnetycznego (EM) otrzyano zależności, które pozwalają wyznaczyć wektor pola elektrycznego fali EM płaskiej w dowolnej warstwie ośrodka. W ten sposób stworzono podstawy do opracowania odelu oddziaływania fali elektroagnetycznej na linie transisyjne. Kolejne podrozdziały przedstawiają etodę wyznaczenia rozłożonych źródeł prądowych i napięciowych, wykorzystywanych w odelu N przewodowej, aktywnej linii stratnej. Opis odelu linii oraz wyprowadzenie zależności ateatycznych zostało wykonane na przykładzie oddziaływania pola EM na ścieżki na PCB (Printed Circuit Board). Opracowany odel linii okazał się łatwy do ipleentacji w prograie PSpice. Rozdział szósty opisuje wykorzystanie opracowanego odelu przy syulacjach niektórych obwodów urządzeń poiarowych. Do przykładowych syulacji wybrano obwody wejściowe urządzeń poiarowych, wykorzystywane do poiarów napięć i prądów przeiennych oraz obwód wejścia dwustanowego napięcia stałego. W rozdziale zwrócono również uwagę na agistrale adresowe czy agistrale danych, pracujące z wysokii częstotliwościai, oraz układy do pracy ipulsowej, jako iejsca wrażliwe na zakłócenia elektroagnetyczne. Drugą część rozdziału poświęcono oówieniu otrzyanych wyników. Rozdział siódy przedstawia porównanie wyników otrzyanych z poiarów w koorze GTEM oraz rezultatów przeprowadzonych syulacji. Obiekte badany była ścieżka iedziana położona na płytce drukowanej (PCB) i obciążona z obu stron rezystorai o wartości rezystancji równej ipedancji charakterystycznej linii transisyjnej. Przebiegi na końcu linii, zarejestrowane oscyloskope, przedstawiono w dodatku C. Rozdział ósy zawiera podsuowanie rozprawy oraz uwagi i wnioski. Pracę kończy wykaz literatury oraz dodatki A C. Dodatek A zawiera spis nor europejskich i polskich, które stanowią podstawę badań i certyfikacji na kopatybilność elektroagnetyczną urządzenia. W dodatku B przedstawiono oscylogray z poiarów zakłóceń elektroagnetycznych na typowej stacji elektroenergetycznej. Dodatek C, to wyniki poiarów w koorze GTEM wykonanych przez autora i zarejestrowanych oscyloskope. Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 7 -
Warunki pracy urządzeń a rzeczywiste środowisko elektroagnetyczne na stacji elektroenergetycznej. Warunki pracy urządzeń a rzeczywiste środowisko elektroagnetyczne na stacji elektroenergetycznej.. Stacja elektroenergetyczna środowisko elektroagnetyczne Z oddziaływanie pól elektroagnetycznych (pożądany lub nie) ożna dzisiaj spotkać się nieal w każdej dziedzinie życia. W niniejszej rozprawie skoncentrowałe się na zakłóceniach elektroagnetycznych występujących na stacji elektroenergetycznej. Stanowi ona jedno z ogniw systeu energetycznego. Ta spotykają się i oddziałują bezpośrednio na siebie urządzenia wykonawcze takie jak wyłączniki, łączniki, itp. i eleenty sieci odcinki linii energetycznych, transforatory energetyczne, z elektronicznyi urządzeniai poiarowo-kontrolno-sterującyi, któryi są przekaźniki zabezpieczeniowe [3], [], [3]. Od poprawności działania tych ostatnich, w warunkach łączeniowych i awaryjnych sieci, zależy prawidłowe funkcjonowanie stacji elektroenergetycznej, a w konsekwencji całego systeu energetycznego. Scheat blokowy (rysunek.) przedstawia uproszczony odel stacji elektroenergetycznej średniego napięcia (SN), z wyróżniony przekaźnikie zabezpieczeniowy. Rysunek ten obrazuje (w uproszczeniu) sposób dołączenia przekaźnika zabezpieczeniowego do sieci energetycznej oraz punkty wnikania i oddziaływania zakłóceń elektroagnetycznych (zaznaczone strzałkai). Rysunek. Uproszczony scheat blokowy stacji elektroenergetycznej SN; PI przekładnik prądowy, PU przekładnik napięciowy, Tr transforator, Z B,U ipedancja wejściowa obwodu poiaru napięcia, Z B,I ipedancja wejściowa obwodu poiaru prądu, L obciążenie transforatora Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 8 -
Warunki pracy urządzeń a rzeczywiste środowisko elektroagnetyczne na stacji elektroenergetycznej... Podstawowe źródła zakłóceń elektroagnetycznych charakterystyka Źródła zakłóceń występujące na stacji elektroenergetycznej ożna podzielić na zewnętrzne i wewnętrzne. Zakłócenia zewnętrzne są powodowane przez czynniki naturalne. Do nich należą awarie powodowane huraganai, powodziai jak i wyładowania atosferyczne. Bezpośrednie, czy pośrednie uderzenie pioruna w linię powoduje wytworzenie w niej fali uderzeniowej o aplitudzie kilkudziesięciu kv i czasie trwania około 8µs rozchodzącej się w dwóch kierunkach od punktu uderzenia. Szczególnie niebezpieczne jest czoło fali, które charakteryzuje się dużą stroością (czas narastania 5µs). Zakłócenia wewnętrzne ożna podzielić na zakłócenia powodowane procesai łączeniowyi oraz awariai. Awarie ogą być saoistne zęczenie izolacji, lub powstałe w wyniku uszkodzeń spowodowanych np. pracai technicznyi. Każdy rodzaj zakłóceń wewnętrznych powoduje powstanie, niejszej lub większej, fali udarowej, która wpływa na pozostałe eleenty obwodu. Do jednych z groźniejszych źródeł zakłóceń, niedocenianych do niedawna, należą zakłócenia elektroagnetyczne wytwarzane przez urządzenia techniczne pracujące w pobliżu lub na stacji elektroenergetycznej (np. środki łączności ruchowej). Niedocenianych dlatego, że gwałtowny rozwój bezprzewodowych środków przekazu i łączności nastąpił w ciągu ostatnich kilku, kilkunastu lat, a sądząc z zapowiedzi koncernów i zainteresowaniu przeysłu najbliższe lata przyniosą dalszy postęp w tej branży. Taki rozwój wydarzeń będzie powodował ciągłe podnoszenie poziou tła zakłóceń elektroagnetycznych i rozszerzanie zakresu dopuszczalnych częstotliwości nośnych. Skądinąd wiadoo, że i wyższa częstotliwość, ty trudniej o właściwe ekranowanie urządzeń. Połączenia o długościach rzędu [c] lub [], przewody lub ścieżki iedziane, powodują, że powstają w urządzeniach elektronicznych całe systey antenowe, wrażliwe na zakłócenia wysokoczęstotliwościowe.... Przykładowe wyniki poiarów zakłóceń na stacji elektroenergetycznej Aby pokazać rzeczywisty obraz zakłóceń, z jakii ożna spotkać się na stacji elektroenergetycznej w rozdziale ty zostaną przedstawione fragenty poiarów, które iałe okazję przeprowadzić, jako przedstawiciel producenta aparatury zabezpieczeniowej dla energetyki zawodowej, na typowej stacji SN. Występują tu zakłócenia podczas procesów łączeniowych, w stanach awaryjnych linii zasilających oraz pochodzące od środków łączności lokalnej (radiotelefony). Wyniki badań pozwolą scharakteryzować zakłócenia elektroagnetyczne występujące w wyznaczonych punktach na terenie obiektu. Plan badań został ułożony pod kąte oszacowania charakteru i poziou zakłóceń elektroagnetycznych występujących w instalacji przewodowej aparatury zabezpieczeniowej pracującej na tej stacji oraz jej otoczeniu. Wykonano poiary następujących zakłóceń:. Poiar natężenia pola elektroagnetycznego zakłóceń w zakresie 3MHz GHz: a) tło zakłóceń elektroagnetycznych; b) podczas pracy radiotelefonu ręcznego do łączności lokalnej; c) podczas stanów łączeniowych. Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 9 -
Warunki pracy urządzeń a rzeczywiste środowisko elektroagnetyczne na stacji elektroenergetycznej. Poiar napięcia zakłóceń w zakresie khz 3MHz na wybranych zaciskach przekaźnika zabezpieczeniowego (poiary wykonano w dziedzinie czasu i częstotliwości: a) w stanie ustalony; b) podczas stanów przejściowych związanych z załączanie i odłączanie nieobciążonej linii średniego napięcia (przy poocy wyłącznika VD4); c) podczas sztucznych zwarć dozienych na linii średniego napięcia; d) podczas sztucznie wytworzonych zwarć iędzyfazowych; e) podczas SPZ saoczynnego ponownego załączenia (cykl W-Z-W-Z). Napięcie zakłóceń ierzono w dziedzinie częstotliwości, w zakresie od khz do 3MHz, w układzie przedstawiony na rysunku.. Układ przeznaczony jest do poiaru niesyetrycznych napięć zakłóceń względe uownego punktu odniesienia (uzieionej konstrukcji etalowej stojaka). Poiary napięć zakłóceń wykonano przy użyciu analizatora wida, rejestrującego wartości aksyalne napięć, jakie wystąpiły w zadany czasie poiaru i oscyloskopu cyfrowego. Wybrane wyniki poiarów (zierzone wartości) przedstawiono w tabeli.. Rysunek. Układ do poiaru niesyetrycznych napięć zakłóceń Poiary natężenia pola elektroagnetycznego wielkiej częstotliwości wykonano w układzie według rysunku.3. Zastosowano logaryticzną antenę szerokopasową ustawioną na wysokości nad zieią i 3 od dużych eleentów etalowych. Poiary wykonano w zakresie częstotliwości od 3 MHz do GHz, przy szerokości pasa khz. Rejestrowano wartości aksyalne natężenia pola, jakie wystąpiły w zadany czasie poiaru. Przy poiarze natężenia pola generowanego podczas łączeniowych stanów przejściowych stosowano czas poiaru 6 sekund, uożliwiający rejestrację ciągu ipulsów odpowiadających kolejny stano przejściowy. W pozostałych przypadkach stosowano czasy poiaru s. Podstawowe nastawy analizatora wida widoczne są na poszczególnych wykresach przedstawiających wyniki poiarów (Dodatek B). Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - -
Warunki pracy urządzeń a rzeczywiste środowisko elektroagnetyczne na stacji elektroenergetycznej Rysunek.3 Układ do poiaru natężenia pola elektroagnetycznego zakłóceń W wyniku przeprowadzonych poiarów otrzyano szereg przebiegów charakteryzujących pozio i rodzaj zakłóceń elektroagnetycznych na stacji elektroenergetycznej. W tabeli. oraz tabeli. przedstawiono zakresy wartości napięć i prądów zakłócających. Dokładne wyniki, z zarejestrowanyi przebiegai włącznie, znajdują się w dodatku B. Tabela. Poiary napięć zakłóceń dla linii kablowej o długości 3 Załączanie wyłącznika VD4 bez linii Załączanie i wyłączanie linii SN w stanie jałowy wyłącznikie VD4 (5 896)V pp (Napięcie ipulsowe) (.3 7.3)A pp (niesyetryczny prąd zakłóceń) Zwarcia doziene, sztucznie wytworzone (linia obciążona) ( 8)V pp (Napięcie ipulsowe) (.4 3.)A pp (niesyetryczny prąd zakłóceń) Zwarcia iędzyfazowe, sztucznie wytworzone (linia obciążona) 4V pp (Napięcie ipulsowe).9a pp (niesyetryczny prąd zakłóceń) SPZ, cykl W-Z-W-Z (W-wyłącz, Z-załącz) (linia obciążona) 4V pp (Napięcie ipulsowe) (..4)A pp (niesyetryczny prąd zakłóceń) (6 37)V pp (Napięcie ipulsowe).a pp (niesyetryczny prąd zakłóceń) Tabela. Poiar pola elektroagnetycznego zakłóceń w zakresie 3MHz GHz Stan ustalony (tło) wartość aksyalna 78dBµV/ (8V/ lokalna stacja UKF 99.5MHz) Pracuje ręczny radiotelefon do łączności lokalnej wartość aksyalna dbµv/ (.4V/ przy częstotliwości 46.MHz) Pozostałe próby (tabela...) nie powodowały zian w pozioie pola elektroagnetycznego w poieszczeniu Oceniając otrzyane wyniki, ożna sforułować następujące wnioski:. aksyalna, zierzona w stanie ustalony wartość natężenia pola elektrycznego, w wybrany punkcie poieszczenia, wynosi 8V/ i odpowiada lokalnej stacji UKF (częstotliwość 99.5MHz);. radiotelefony używane do łączności lokalnej (częstotliwość nośna 46.MHz) wytwarzają pole elektroagnetyczne 4V/ w odległości 3 od anteny. Pozio natężenia zależy od sposobu trzyania radiotelefonu; 3. podczas stanów łączeniowych występują zakłócenia (napięciowe i prądowe) na wszystkich kontrolowanych obwodach przekaźnika zabezpieczeniowego. Charakter tych przebiegów jest złożony. Zaobserwowano ipulsy o czasie trwania od kilku ns Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - -
Warunki pracy urządzeń a rzeczywiste środowisko elektroagnetyczne na stacji elektroenergetycznej do pojedynczych µs. Na ipulsy nałożone są oscylacje o częstotliwościach od kilku do kilkudziesięciu MHz. Przedstawione wyniki charakteryzują pozio i rodzaj zakłóceń występujących w obiekcie. Jest on typowy dla stacji elektroenergetycznych. Urządzenia elektroniczne przeznaczone do pracy w takich warunkach uszą posiadać odpowiednie paraetry w zakresie odporności na zakłócenia elektroagnetyczne. W związku z ty wydaje się celowy poświęcenie uwagi analizie i odelowaniu oddziaływania tych zakłóceń... Kopatybilność elektroagnetyczna w świetle polskich nor Konieczność pracy i współpracy urządzeń elektronicznych i elektrycznych we współczesny, silnie zanieczyszczony elektroagnetycznie środowisku spowodowała potrzebę określenia i ujednolicenia dopuszczalnych pozioów zakłóceń eitowanych, w określonych zakresach długości fal, przez te urządzenia. Weryfikacją urządzeń pod kąte kopatybilności elektroagnetycznej zajują się odpowiednio wyposażone laboratoria, które wykonują badania kopatybilności elektroagnetycznej w zakresie objęty akredytacją (odporność na wyładowania elektrostatyczne ESD, odporność na pole elektroagnetyczne częstotliwości radiowej, odporność na szybkie elektryczne stany przejściowe EFT/burst, odporność na zaburzenia ipulsowe surge, poiary natężeń pól zaburzeń, poiary napięć zaburzeń) oraz poiary ocy zaburzeń, badania odporności na zburzenia radioelektryczne wprowadzane do przewodów i badanie odporności na spadki, krótkie przerwy i wahania napięcia zasilającego. W tabeli.3 zebrano podstawowe rodzaje oddziaływań oraz charakterystyczne dla nich wartości, który są poddawane urządzenia podczas testów. Dodatek A zawiera spis wybranych, obowiązujących w Kraju nor w zakresie kopatybilności elektroagnetycznej. Tabela.3 Podstawowe rodzaje oddziaływań oraz ich wartości, występujące przy testach na kopatybilność elektroagnetyczną Lp. Narażenie środowiskowe Zakres badania Jednostka Obudowa urządzenia. Pole elektryczne o częstotliwości radiowej. Modulacja AM 8 8 % (f od =khz). Pole elektryczne o częstotliwości radiowej. Modulacja ipulsowa 3. Pole agnetyczne o częstotliwości sieci (5Hz) 4. Wyładowania elektrostatyczne 5. Napięcie niesyetryczne o częstotliwości radiowej. Modulacja AM 6. Seria szybkich zakłóceń ipulsowych 9±5 5 MHz V/ (nieodulowana wartość rs) MHz V/ (nieodulowana wartość rs) % (cykl wypełnienia) Hz (częstotliwość powtarzania) 3 A/ (wartość rs) 4 (stykowe) 8 (powietrzne) Linie sygnałowe.5 8 8 5 5/5 kv kv MHz V/ (nieodulowana wartość rs) % (f od =khz) Ω (ipedancja źródła) kv (wartość szczytowa) ns (czas narastania/trwania ipulsu) T r /T h Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - -
Warunki pracy urządzeń a rzeczywiste środowisko elektroagnetyczne na stacji elektroenergetycznej Lp. Narażenie środowiskowe Zakres badania Jednostka 5 khz (częstotliwość powtarzania) Linie poiarowe i sterujące i przyłącza zasilane prąde zienny 7. Napięcie niesyetryczne o częstotliwości radiowej. Modulacja AM 8. Seria szybkich zakłóceń ipulsowych 9. Napięcie niesyetryczne o częstotliwości radiowej. Modulacja AM.5 8 8 5 5/5 5 Przyłącza uzieienia.5 8 8 5 MHz V/ (nieodulowana wartość rs) % (f od =khz) Ω (ipedancja źródła) kv (wartość szczytowa) ns (czas narastania/trwania ipulsu) T r /T h khz (częstotliwość powtarzania) MHz V/ (nieodulowana wartość rs) % (f od =khz) Ω (ipedancja źródła) Badania wykonywane w akredytowanych laboratoriach uożliwiają jednoznaczne określenie ożliwości poprawnej pracy danego urządzenia oraz jego wpływu na prawidłowe funkcjonowanie innych, pracujących raze z ni, urządzeń w określony środowisku elektroagnetyczny. Podstawową wadą tego rozwiązania jest ożliwość oceny urządzenia dopiero w fazie prototypu lub serii próbnej. Wykrycie nieprawidłowości w jego funkcjonowaniu, na ty etapie, pociąga za sobą, w niektórych wypadkach, konieczność wprowadzenia kosztownych odyfikacji. Znacznie tańszy, i prostszy w zastosowaniu, rozwiązanie byłaby ożliwość syulacji wpływu zakłóceń elektroagnetycznych na konstruowane urządzenie lub jego poszczególne obwody już w fazie projektowania scheatu elektrycznego. Analiza takiej ożliwości jest przediote niniejszej rozprawy. Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 3 -
Linie doprowadzające sygnały poiarowe i sterowania 3. Linie doprowadzające sygnały poiarowe i sterowania Sygnały podlegające przetwarzaniu w przekaźnikach zabezpieczeniowych pochodzą z przetworników poiarowych (np.: przekładniki prądowe czy napięciowe) lub urządzeń sygnalizacyjnych, kontrolnych czy wykonawczych. W zdecydowanej większości przypadków odbiornik łączy się ze źródłe sygnału przy poocy przewodów elektrycznych. Wewnątrz urządzeń elektronicznych sygnały są rozprowadzane przy poocy ścieżek uieszczonych na płytkach drukowanych (PCB). Dobór lainatu, wyiarów ścieżek, jak i sposób ich prowadzenia na powierzchni płytek drukowanych są szeroko opisane w licznych publikacjach technicznych [] i nie stanowią przediotu tej rozprawy. W niniejszej pracy poruszony jest tylko jeden aspekt dotyczący linii paskowych (ścieżek iedzianych, uieszczonych na płytkach drukowanych), a ianowicie, oddziaływanie na nie zewnętrznego pola EM. 3.. Charakterystyka przenoszonych sygnałów Przekaźniki zabezpieczeniowe, znajdujące się na stacji elektroenergetycznej, wykorzystują do prawidłowej realizacji swoich funkcji zarówno sygnały analogowe, jak i dwustanowe. Wynikie pracy algorytów poiarowych i kontrolnych jest wytworzenie sygnałów sterujących, odpowiednich do zaistniałej sytuacji. Są to sygnały dwustanowe. Typowe wartości sygnałów analogowych pochodzących z torów prądowych zawierają się w granicach od A do A, z rozdzielczością A. Dla torów napięciowych są to wartości od V do V, z rozdzielczością V. Podane wielkości dotyczą strony wtórnej przekładników poiarowych i są wielkościai doprowadzonyi bezpośrednio na zaciski poiarowe przekaźników zabezpieczeniowych. W przypadku wejść i wyjść dwustanowych sprawa jest prostsza. Sygnały na tych liniach przyjują wartości V dla stanu niskiego lub 3V±% (w niektórych systeach 4V±%) dla stanu wysokiego. 3... Dynaika zian sygnałów W warunkach noralnej pracy systeu elektroenergetycznego wartości ierzonych napięć i prądów podlegają niewielki ziano (względe wartości roboczych). Sytuacja gwałtownie zienia się w warunkach awaryjnych, w przypadku zwarcia na linii lub uderzenia pioruna. Mierzone wielkości ogą zieniać się o dwa lub nawet trzy rzędy, a czas ziany wartości napięcia lub prądu oże być rzędu pojedynczych µs, zależnie od paraetrów źródła zakłócenia. 3... Zakres częstotliwości Podstawową częstotliwością w sieci elektroenergetycznej, w Polsce, jest 5Hz. Przy założeniu, że sieć jest stabilna i nie występują w niej niedobory ocy wytwarzanej, ożna przyjąć częstotliwość napięcia sieci za stałą i niezienną w czasie. W przypadku obwodów prądowych (rysunek.) sytuacja wygląda nieco inaczej. Wzrastająca liczba urządzeń o zasilaniu falownikowy lub ipulsowy powoduje, że do sieci są wprowadzane sygnały o częstotliwościach znacznie przewyższających 5Hz. Dla przekaźników zabezpieczeniowych przyjęto górną częstotliwość ogącą wystąpić w sieci na pozio- Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 4 -
Linie doprowadzające sygnały poiarowe i sterowania ie khz (-ta haroniczna). Obecnie produkowane układy elektroniczne (np. przez firę Analog Devices), przeznaczone do liczników ocy i energii elektrycznej przesuwają ten próg znacznie wyżej do 4kHz (8-ta haroniczna). Opisany stan dotyczy linii zdrowej, czyli pracującej prawidłowo. W przypadku awarii, podczas gwałtownych zian prądów czy napięć, ogą pojawić się oscylacje o częstotliwościach rzędu MHz, a w pobliżu wyłączników próżniowych oscylacje ogą osiągać wartości pojedynczych GHz. 3.. Długości linii poiarowych i sterujących Rozważania nad oddziaływanie zakłóceń elektroagnetycznych prowadzone są dla stacji elektroenergetycznej. Jest to dość specyficzne środowisko, dlatego każda realizowana tutaj inwestycja, w pierwszej kolejności usi spełniać wyagania stawiane obiekto energetyczny (np.: inialne odległości, rozieszczenie poszczególnych eleentów). Spełnienie tych wyagań powoduje, że odległości poiędzy poszczególnyi blokai funkcjonalnyi składającyi się na stację elektroenergetyczną ogą być znaczne. Długości linii doprowadzających sygnały ierzone i sterujące zawierają się w przedziale od pojedynczych etrów do pojedynczych setek etrów, osiągając typowe wartości od kilku do kilkunastu etrów. 3.3. Sposób prowadzenia i ułożenia linii Połączenia są wykonywane parai przewodów jednożyłowych, dobieranyi tak, aby spełnione były warunki prawidłowej pracy urządzeń przy sygnałach o częstotliwości energetycznej 5Hz. Następnie przewody układa się w wiązki (o przynależności do danej wiązki decyduje bliskość położenia zacisków przyłączeniowych), które uieszcza się w korytkach wykonanych z tworzywa sztucznego i prowadzonych wzdłuż uzieionych eleentów konstrukcyjnych, rysunek 3.. Nierzadko obok siebie, znajdują się linie prowadzące sygnały analogowe (prądowe Li L3i, napięciowe Lu L3u) i dwustanowe (sterowania S S3) rysunek 3.. Rysunek 3. Sposób ułożenia i prowadzenia wiązki przewodów Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 5 -
Linie doprowadzające sygnały poiarowe i sterowania Rysunek 3. Przykładowe rozieszczenie przewodów w wiązce sygnały analogowe (prądowe Li L3i, napięciowe Lu L3u) i dwustanowe (sterowania S S3) Taki sposób ułożenia i prowadzenia przewodów sprzyja wzajeneu oddziaływaniu na siebie sygnałów elektrycznych, prowadzonych przez te przewody. W skrajnych przypadkach oże być przyczyną nieprawidłowej pracy, lub awarii, urządzeń elektrycznych czy przekaźników zabezpieczeniowych. Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 6 -
Modele linii transisyjnych w prograach syulacyjnych 4. Modele linii transisyjnych w prograach syulacyjnych Linie transisyjne występujące w rzeczywistości ożna podzielić na linie paskowe, skrętki, przewody koncentryczne i przewody nad zieią. Do odelowania ich, w większości przypadków, używay odeli linii transisyjnych, opisanych równaniai telegrafistów. Ipleentacja tego odelu fizykalnego w dwóch popularnych środowiskach syulacyjnych została opisana w niniejszy rozdziale. 4.. Progra EMTP Progra EMTP jest powszechnie używany syulatore dla środowiska elektroenergetycznego. Uożliwia on odwzorowanie pracy fragentu sieci elektroenergetycznej lub wydzielonego z niej obwodu. Możliwa jest również analiza typowych zjawisk występujących w środowisku elektroenergetyczny, a związanych ze stanai przejściowyi w sieciach, załączanie transforatorów ocy, łączeniai w liniach elektroenergetycznych, czy nawet zakłóceniai powodowanyi uderzenie pioruna w linię, itp. Z punktu widzenia tej rozprawy, najważniejszyi są odele linii, dostępne w bibliotekach prograu EMTP oraz ich elastyczność w przystosowaniu do syulacji oddziaływania zewnętrznych zakłóceń elektroagnetycznych []. Przy opracowywaniu odelu linii dostępnego w prograie EMTP przyjęto, że podstawowy eleente linii jest czwórnik typu a paraetry linii (R, L, C dla linii napowietrznych lub R, L, C, G dla linii kablowych) są podawane na jednostkę długości linii, najczęściej [] oraz, że są rozłożone równoiernie wzdłuż linii. W szczególnych przypadkach, w zależności od długości elektrycznej linii, paraetry te ogą być traktowane jako paraetry skupione. W zależności od rodzaju przeprowadzanej analizy paraetry linii ogą być przyjowane jako niezależne od częstotliwości lub będące jej funkcja. Na podstawie ilości faz, przewodów w wiązkach i ich wzajenego ułożenia tworzone są acierze paraetrów opisujące linie a ich wielkość i wypełnienie jest uzależnione od typu przeprowadzanej analizy. Poniżej przedstawiono wydzielone procedury obliczeniowe, charakterystyczne dla wyróżnionych stanów linii: stan ustalony dla częstotliwości sieciowej ze złożony efekte sprzężeń. Ta procedura jest wykorzystywana do obliczeń wyidukowanego napięcia i prądu w niezasilanej linii trójfazowej biegnącej równolegle z zasilaną linią trójfazową. Obie linie są reprezentowane jako sześć sprzężonych przewodów fazowych; stan ustalony dla wysokiej częstotliwości. Ta procedura jest wykorzystywana podczas analizy haronicznych lub przy analizie rozchodzenia się częstotliwości nośnej w łączności po liniach energetycznych; stan przejściowy. Ta procedura jest wykorzystywana przy analizie załączania lub wyłączania w obwodach energetycznych, lub przy analizie uderzenia pioruna. Aby otrzyać wartości jak najbardziej zbliżone do rzeczywistych należy wprowadzić do odelu zierzone paraetry linii. Poszczególne fragenty linii, wynikające z jej naturalnego podziału (łącznikai, sekcjai transforatorów, itp.) ogą być zasyulowane jako czwórnik typu, a całość, zestawiona raze, stworzy odel analizowanej linii o składanej długości. Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 7 -
Modele linii transisyjnych w prograach syulacyjnych Przy analizie w stanie ustalony linie ogą być odelowane z zadowalającą dokładnością jako łańcuchowe połączenie czwórników typu lub przy użyciu równoważnego i, pojedynczego czwórnika typu. Gdy analizujey stany przejściowe odel ten ulega znaczneu skoplikowaniu w iarę przechodzenia od analizy jednofazowej bezstratnej linii o stałych paraetrach do bardziej rzeczywistego przypadku wielofazowej, stratnej linii o paraetrach zależnych od częstotliwości. Mniej dokładne odele linii są również używane (np.: zakładające skupioną rezystancję R linii lub użycie przybliżenia acierzy przejściowej tylko do jej części rzeczywistej). Dla linii o uiarkowanej elektrycznej długości (typowo k przy f=6hz) czwórnik jest często wystarczająco dokładny dla syulacji w stanie ustalony, przy częstotliwości sieciowej. Jeżeli analiza w stanie ustalony jest poprzedzona syulacją stanów przejściowych lub, jeżeli analiza w stanie ustalony wyaga syulacji w szeroki zakresie częstotliwości, odel czwórnika typu usi zostać zastąpiony przez kaskadowe połączenie krótkich czwórników typu albo przez równoważny, pojedynczy czwórnik typu. Dla -fazowego czwórnika typu acierz szeregowych ipedancji (paraetrów wzdłużnych linii) i dwie równe acierze susceptancji bocznikujących (paraetrów poprzecznych linii) są otrzyywane na podstawie acierzy jednostkowych paraetrów linii, przez proste wynożenie jej przez długość danego odcinka linii. Jest to odel zapewniający wystarczającą dokładność syulacji dla linii elektrycznie krótkiej (analiza linii dla f=5hz lub f=6hz). Przy analizie w stanie ustalony linie z paraetrai rozłożonyi są zawsze, przed rozpoczęcie syulacji, przekształcane do równoważnego czwórnika typu. Dla linii o paraetrach zależnych od częstotliwości jest używany równoważny czwórnik typu. Ten sa odel czwórnika jest wykorzystywany dla niezniekształcającego i bezstratnego odelu linii o stałych paraetrach. Historycznie pierwszy odele wykorzystywany w prograie EMTP do syulacji stanów przejściowych było kaskadowe połączenie czwórników typu. Syetryczne trójfazowe linie są zazwyczaj reprezentowane przez rozprzężony czteroprzewodowy czwórnik typu. Lepszy rozwiązanie i szybszy obliczeniowo jest analiza rozchodzenia się fali w linii o stałych paraetrach rozłożonych L [H/], C [F/] i stałej, skupionej rezystancji R [Ω] (dokładność syulacji wystarczająca w bardzo wielu przypadkach). Sporadycznie używane są odele o paraetrach zależnych od częstotliwości. Syulacje wykonywane przy użyciu tych odeli są dość czasochłonne. 4.. Progray SPICE (na przykładzie prograów HSpice, PSpice) Progray do syulacji pracy układów i urządzeń elektronicznych, HSpice i PSpice korzystają ze wspólnego syulatora środowiska SPICE, różniąc się głównie dostępnyi odelai eleentów i podzespołów. Zasada ta dotyczy również odeli linii transisyjnych, przy czy progra HSpice, jako produkt bardziej zaawansowany, został wyposażony w eleenty rozszerzające zastosowanie niektórych odeli. Poniżej opisano podstawowe typy i rodzaje linii, z których ożna korzystać pracując w środowisku SPICE [9], [8], [9]. 4... Linie pojedyncze W prograach typu SPICE linie transisyjne traktuje się jako dwukierunkowe, opóźniające linie z wejście A (lub -) i wyjście B (lub 3-4). Dostępne odele linii uożliwiają określenie wszystkich paraetrów charakterystycznych dla linii transisyjnej, pozwalając Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 8 -
Modele linii transisyjnych w prograach syulacyjnych użytkownikowi na odelowanie różnych rodzajów linii i efektów zależnych od częstotliwości, tj. efektu naskórkowego i strat dielektrycznych. Rodzaje linii (oznaczenia paraetrów zgodne z oznaczeniai w prograie PSpice): linia bezstratna, odel dokładny na rysunku 4. przedstawiono odel linii idealnej. Indeksy - oznaczają wejście linii, indeksy 3-4 oznaczają wyjście. Dla tego odelu określa się ipedancję charakterystyczną Z o [Ω] oraz długość linii transisyjnej opisaną przez opóźnienie sygnału TD[s] lub częstotliwość F[Hz] i względną długość fali NL[] dla danej F (doyślnie przyjuje się, że NL jest równe jednej czwartej długości fali odpowiadającej częstotliwości F); Rysunek 4. Model idealnej linii transisyjnej linia stratna, odel dokładny jest to wewnętrzny odel prograu PSpice, bazujący na odelu linii o paraetrach rozłożonych. Paraetrai określanyi dla tego odelu są wartości R, L, C, G podawane na jednostkę długości oraz długość elektryczna linii; linia stratna, odel w postaci łańcucha czwórników do przedstawienia tego przypadku używa się odelu linii transisyjnej o paraetrach rozłożonych, przy czy pojedynczy segent składa się z pasywnych, dyskretnych eleentów R, L, C, G (rysunek 4.). Oznacza to, że linia jest zbudowana z wielu sekcji połączonych w szereg i rozłożonych równoiernie wzdłuż całej linii. Model ten wyaga dobrania właściwej ilości segentów do prawidłowego przedstawienia charakteru syulowanej linii. Ilość ta jest często koproise poiędzy wielkością pliku opisującego obwód elektryczny (równoważną czasowi syulacji) a prawidłowy odwzorowanie zjawisk zachodzących w linii transisyjnej. Przy stosowaniu tego odelu należy paiętać, że wytwarza on nieautentyczne oscylacje w pobliżu częstotliwości własnej segentów linii. Rysunek 4. Segent odelu linii transisyjnej o paraetrach rozłożonych Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 9 -
Modele linii transisyjnych w prograach syulacyjnych 4... Linie sprzężone Oprócz pojedynczych linii transisyjnych środowisko SPICE uożliwia również syulację wieloprzewodowych linii sprzężonych. Dostępne rodzaje linii są analogiczne jak dla linii jednoprzewodowych i zostały oówione w poprzedni rozdziale. Aby wprowadzić i określić powiązania poiędzy poszczególnyi przewodai w wieloprzewodowej linii transisyjnej, ożna posłużyć się jedny z poniższych eleentów: linie sprzężone bezstratnie, eleent sprzęgający K (PSpice) stanowi on syetryczne acierze pojeności i indukcyjności wzajenych, i własnych, określające powiązania poszczególnych przewodów. Paraetry są określane w [F/] i [H/]; dokładny odel linii sprzężonych, odel W eleent (HSpice) jest to stratna linia transisyjna o paraetrach zależnych od częstotliwości, wieloprzewodowa. Redukując liczbę przewodów w linii do jednego, otrzyujey odel linii jednoprzewodowej. W prograie HSpice paraetry acierzy sprzężeń ożna wyznaczyć, korzystając z dwuwyiarowego analizatora pola, zoptyalizowanego pod kąte sprzężeń w ośrodkach stratnych. Do podstawowych ograniczeń analizatora pola należą: określona liczba warstw dielektryka, oraz brak ożliwości wykorzystania ateriałów agnetycznych. Opisane odele są podstawowyi odelai linii transisyjnych, dostępnyi w prograach PSpice i HSpice. 4..3. Porównanie syulatorów EMTP i SPICE Podsuowując charakterystykę odeli linii transisyjnych dostępnych w prograach EMTP i SPICE należy zauważyć, że oba syulatory dysponują bardzo rozwiniętyi odelai, dostosowanyi do potrzeb konkretnego środowiska pracy: EMTP energetyka, PSpice, HSpice elektronika. Poio tego, żaden z prograów nie dysponuje odele linii transisyjnej, który ożna byłoby wykorzystać do syulacji oddziaływania zewnętrznego pola elektroagnetycznego na przewody łączeniowe i linie paskowe (ścieżki położone na PCB). Nie istnieje nawet ożliwość wprowadzenia zian w odelach linii transisyjnych, ponieważ wyagają one odyfikacji oryginalnego kodu prograu. Zate, aby ożna było zasyulować oddziaływanie zewnętrznego pola elektroagnetycznego na linie transisyjne, należy w pierwszej kolejności stworzyć odel aktywnej linii stratnej. Do zbudowania odelu aktywnej linii stratnej wybrałe progra PSpice. Czynnikie przeawiający za taki wybore była prostota prograu, przejrzysty interfejs użytkownika oraz duża jego popularność w środowisku konstruktorów urządzeń elektronicznych. Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - -
Linie transisyjne w zewnętrzny polu EM 5. Linie transisyjne w zewnętrzny polu EM Sprzężenia zewnętrznego pola elektroagnetycznego z przewodai oraz układe ścieżek znajdujących się na PCB (Printed Circuit Board) są ważny problee podczas określania kopatybilności elektroagnetycznej urządzeń elektronicznych. Proble ten jest na tyle istotny, że już na etapie projektu, ważną sprawą jest zapewnienie właściwego funkcjonowania urządzeń w środowisku przeysłowy, w pobliżu nadajników TV, GSM, telefonów trekingowych. Wszędzie ta, gdzie bez wątpienia ay do czynienia ze zwiększony pole elektroagnetyczny. Zewnętrzne pole zakłócające oże indukować napięcia i prądy w przewodach i ścieżkach, które ogą zakłócać prawidłową pracę wrażliwych eleentów elektronicznych. W rozdziale 5 przedstawiony zostanie odel ateatyczno fizykalny oddziaływania fali elektroagnetycznej z liniai transisyjnyi, przedstawiającyi połączenia na płytkach PCB. Jako odel płytek PCB został przyjęty układ N warstw nieskończenie rozległych. Model taki jest uzasadniony, gdy grubość warstw w płytkach rzeczywistych jest znacznie niejsza od ich wyiarów poprzecznych (długości i szerokości). 5.. Fala płaska padająca na układ warstw W niniejszy podrozdziale wyprowadzono odel zakłócenia elektroagnetycznego w postaci propagującej się fali płaskiej (założenie upraszczające), padającej ukośnie na układ warstw nieskończenie rozległych. Model ten przedstawiono jako połączenie łańcuchowe linii transisyjnych. Podejście to jest znane w literaturze, np.: [4], [6]. Nie chcąc odsyłać czytelnika do oryginalnych prac, zaieszcza wyprowadzenie tego odelu w sposób zwarty i systeatyczny. Uzyskane zależności będą wykorzystane w kolejnych podrozdziałach. Fala płaska pada ukośnie na układ N warstw. Każda z warstw tworzy ośrodek liniowy, jednorodny i izotropowy, oraz jest opisana paraetrai σ, ε, µ. Geoetria układu warstw została pokazana na rysunku 5.. Rysunek 5. Fala płaska padająca na układ warstw Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - -
Linie transisyjne w zewnętrzny polu EM Wektory pola elektrycznego i agnetycznego (E i, H i ), padającej fali elektroagnetycznej (K i ), leżą w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się tej fali. Każdy z wektorów E i i H i zostaje rozłożony na dwie składowe E TE i i E i oraz H i i H TE i. Składowa E i leży w płaszczyźnie padania, zaś składowa H i jest do niej prostopadła, tworząc raze z wektore kierunkowy K i układ prawoskrętny. Składowa E TE i jest prostopadła do płaszczyzny padania, a jej zwrot pokrywa się ze zwrote składowej H i. Kierunek składowej H i, leżącej w płaszczyźnie padania, jest zgodny z kierunkie składowej E i, ale ich zwroty są przeciwne. Związek poiędzy wektorai E i, H i oraz ich składowyi E i, E TE i i H i, H TE i przedstawiono na rysunku 5.. Rysunek 5. Wektory E i i H i oraz ich składowe Do opisanej konfiguracji warstw wprowadzay nowy układ współrzędnych (ξ, η, z), powstały przez obrót układu współrzędnych (x, y, z) o taki kąt φ, aby oś ξ oraz wektory kierunkowe fali padającej K i i odbitej K r leżały w jednej płaszczyźnie (rysunek 5..). Tak określony układ współrzędnych pozwala na rozdzielenie rysunku 5. na dwa rysunki 5.3 i 5.4. Zależności (5.) opisują powiązania poiędzy punktai w układach (x, y, z) oraz (ξ, η, z). x sinφ cosφ ξ ξ sinφ cosφ x y cosφ sinφ. η η cosφ sinφ. y = = z z z z (5.) i r i i r r M z Rysunek 5.3 Zależności iędzy składowyi E i i H i w układzie współrzędnych (ξ, η, z) Rysunek 5.4 Zależności iędzy składowyi E i TE i H i TE w układzie współrzędnych (ξ, η, z) Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - -
Linie transisyjne w zewnętrzny polu EM Dla dowolnego wektora A ożna określić i zapisać relacje określające jego współrzędne w układach (x, y, z) i (ξ, η, z). Zależności te opisano równaniai (5.). Ax sinφ cosφ Aξ Aξ sinφ cosφ Ax A y cosφ sinφ. A η A η cosφ sinφ. A = = y A z A z A z A z (5.) Równania Maxwella: w środowisku liniowy, izotropowy, niedyspersyjny i stratny, przy założeniu braku w ośrodku wolnych ładunków i prądów unoszenia, przy rozważaniach prowadzonych dla przestrzeni nieograniczonej; przyjują postać opisaną poniższyi zależnościai: H rot E= µ t ( a) E rot H = σe+ ε t ( b) dive= ( c) dive= ( d) (5.3) Przyjując, że pola E i H są polai haronicznie ziennyi w czasie oraz wykorzystując rachunek zespolony, ożey zależności (5.3) dla warstwy i w układzie współrzędnych (ξ, η, z) przekształcić do postaci: rot H = ( σ + jωε ) E ( a) rot E= jωµ H ( b) (5.4) Rozpatrzyy teraz dwie polaryzacje (oznaczone literą a przy nueracji zależności ateatycznych) i TE (oznaczone literą b przy nueracji zależności ateatycznych), przedstawione na rysunkach 5.3 i 5.4. Jako startowy, w każdy przypadku, przyjujey wektor pola równoległy do granicy warstw. H = H = H ( a) η η η TE E= E = E ( b) η η η (5.5) Podstawiając odpowiednio równania (5.5) do (5.4) otrzyujey: Hη Hη ( σ + jωε) E= η ξ ( a) ξ z Eη E jωµ H= z ξ ξ z η ( b) (5.6) Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 3 -
Linie transisyjne w zewnętrzny polu EM lub po przekształceniach: E ξ H ξ H = σ + jωε z E = jωµ z η η ( a) ( b) (5.7) Hη Ez = ( a) σ + jωε ξ (5.8) Eη Hz = ( b) jωµ ξ Łącząc i odpowiednio przekształcając równania (5.4) otrzyujey H = γ H ( a) ξz η η E = γ E ( b) ξz η η (5.9) gdzie γ = jωµ ( σ + jωε ), dla warstwy, oraz ogólnie ξz = + ξ z Do celu rozwiązania równań (5.9) i obliczenia wartości pól H η i E η zostanie wykorzystana etoda rozdzielenia ziennych. Przewidywana postać rozwiązania: H = H ( ξ) H ( z) oraz E = E ( ξ) E ( z) η η Wykorzystując zależność (5.9) oraz przewidywaną postać rozwiązania otrzyujey: H( ξ) H( z) H( z) + H ( ξ) = γ H( ξ) H( z) ξ z γ H ( ξ) H ( z) = + H( ξ) ξ H( z) z γ = γ + γ (5.) ξ z Wykonując analogiczne przekształcenia dla pola E η, oraz porównując odpowiednie wyrażenia otrzyujey: H( ξ) H( z) H( ξ) γ ξ = ; H ( z) γz = ξ z ( a) E( ξ) E( z) E( ξ) γ ξ = ; E ( z) γz = ξ z ( b) (5.) Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 4 -
Linie transisyjne w zewnętrzny polu EM Rozwiązując równania (5.) otrzyujey ogólne rozwiązania równań (5.9). γξ ξ γξ ξ γzz γzz H ( ξ, z) = ( A e + B e ) ( A e + B e ) ( a) η γξξ γξ ξ γzz γzz E ( ξ, z) = ( C e + D e ) ( C e + D e ) ( b) η (5.) Ponieważ w kierunku osi ξ fala oże rozchodzić się bez przeszkód (brak odbić), wobec tego H ( ξ) E ( ξ) stąd B i D,a wzory (5.) dla warstwy ξ + ξ + przyjują postać: γzz γzz ξ H ( ξ, z) = ( A e + B e ) e ( a) η γzz γzz ξ E ( ξ, z) = ( C e + D e ) e ( b) η γ ξ γ ξ (5.3) Wprowadzając podstawienie γz = γ kz oraz γ = γ k otrzyujey dla zależności określonych równanie (5.) kz + k ξ = oraz dwa równania: ξ ξ k z+ k ξ = const ( a) z ξ k z k ξ = const ( b) z ξ (5.4) Równanie (5.4)(a) jest równanie płaszczyzny fali padającej, zaś równanie (5.4)(b) jest równanie płaszczyzny fali odbitej. Z rysunku 5.3 i 5.4 wynika, że k z i k ξ są składowyi wektora kierunkowego fali i ają postać k ξ = sinθ i kz = cosθ. Stąd ostatecznie rozwiązania równań (5.9) przyjują postać: H = A e + B e e a η Uz Uz γξsinθ ( ) ( ) E = C e + D e e b η Uz Uz γξsinθ ( ) ( ) (5.5) gdzie U = γ cosθ. Podstawiając rozwiązanie (5.5) do (5.7) i (5.8) otrzyujey: U Uz Uz γξsinθ Eξ = ( A e B e ) e ( a) Yl U Uz Uz γξsinθ Hξ = ( Ce D e ) e ( b) Zl γ sinθ E A e B e e a Uz Uz γξsinθ z = ( + ) ( ) Yl γ sinθ H = C e + D e e b Uz Uz γξsinθ z ( ) ( ) Zl (5.6) (5.7) gdzie Yl σ jωε oraz Zl jωµ = + =. Analiza oddziaływań zakłóceń elektroagnetycznych - 5 -