ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŁÓDZKIEJ SCIENTIFIC BULLETIN OF ŁÓDŹ TECHNICAL UNIVERSITY KONRAD SOBOLEWSKI Politechnika Warszawska BADANIA NAPIĘĆ INDUKOWANYCH W KRÓTKICH ODCINKACH KABLI PRZEZ IMPULSOWE POLE MAGNETYCZNE O PARAMETRACH CHARAKTERYSTYCZNYCH DLA DOZIEMNYCH WYŁADOWAŃ PIORUNOWYCH Opiniodawca: Maszynopis dostarczono Streszczenie: Artykuł dotyczy modelowych badań laboratoryjnych oddziaływania impulsowego pola magnetycznego na krótkie odcinki różnych typów kabli i przewodów. Przedstawiono metodykę i wyniki pomiarów napięć indukowanych dla różnych konfiguracji połączeń kabli z płaszczyzną przewodzącą. Przeprowadzono analizę porównawczą wyników dla poszczególnych rodzajów badanych kabli pod kątem ich podatności na zakłócenia impulsowe pola magnetycznego. 1. WPROWADZENIE Od momentu wprowadzenia w 1996 roku dyrektywy [1,2] obowiązującej w krajach Unii Europejskiej istotnymi stały się badania odporności urządzeń i systemów na zakłócenia elektromagnetyczne. Żeby zapewnić funkcjonalność szerokiej gamie urządzeń elektronicznych należy właściwie skoordynować poziom odporności danego urządzenia z narażeniem, jakie może wystąpić w miejscu instalacji urządzenia. Zakłóceniem, które powoduje największe zagrożenie dla urządzeń i systemów elektronicznych, jest doziemne wyładowanie piorunowe oraz towarzyszący mu piorunowy impuls elektromagnetyczny (LEMP).
Zalecenia IEC [3,4] precyzyjnie określają procedury umożliwiające zdefiniowanie poziomu zakłóceń oraz oszacowanie natężenia pola magnetycznego, możliwego do wystąpienia w miejscu instalacji urządzenia. Badania eksperymentalne zostały przeprowadzone dla trzech rodzajów kabli używanych w instalacjach niskiego napięcia (np. zasilający, komputerowy oraz telekomunikacyjny) o różnych długościach oraz o różnych konfiguracjach połączeń. 2. METODA POMIARÓW I SPRZĘT TESTOWY Pomiary zostały przeprowadzone dla odcinków kabli o różnej budowie oraz długości, przy użyciu systemu pomiarowego przedstawionego na rys.1. Źródło pola stanowił generator oraz połączona z nim antena (o wymiarach 1 x 1 metr) firmy Schaeffner model Best EMC. Generowane impulsy pola magnetycznego charakteryzowały się znormalizowanym kształtem 6.4/16 µs. Wewnątrz anteny została umieszczona metalowa płyta, nad którą, na wspornikach o wysokości 110 mm, umieszczane były badane odcinki kabli. Indukowane w kablu przepięcia mierzone na oscyloskopie Tektronix model 3034. Praca generatora impulsowego pola magnetycznego sterowana była za pomocą komputera PC z zainstalowanych oprogramowaniem firmowym WinBEST. Antena Badany kabel Oscyloskop Generator pola magn. Rys. 1. Układ pomiarowy: generator zakłóceń Shaeffner BEST EMC, oscyloskop TDS- 3034, antena oraz badany kabel. Napięcia indukowane były mierzone jako różnica potencjałów przewodnika badanego kabla oraz płyty metalowej.
badany kabel do oscyloskopu do uziemienia Rys. 2. Sposób zawieszenia kabla nad płytą. Przeprowadzone i opisane poniżej pomiary stanowią rozwinięcie oraz uzupełnienie pomiarów przeprowadzanych wcześniej, w trakcie realizacji pracy magisterskiej, a której wyniki zostały zaprezentowane podczas konferencji w Łańcucie w 2002 roku oraz umieszczone w materiałach konferencyjnych. 3.1. Wstęp 3. WYNIKI POMIARÓW Badaniom zostały poddane następujące rodzaje kabli: kabel zasilający, jednożyłowy, przewodnik w postaci linki kabel współosiowy, ekranowany BNC, Z 0 =50 Ω kabel zasilający, jednożyłowy, przewodnik w postaci drutu Napięcia indukowane zostały zmierzone przy dwóch wartościach natężenia pola: H 0 =100 i H 0 =200. Na rys. 3 przedstawiony jest kształt impulsu generowanego przez antenę jest to impuls zmierzony anteną pomocniczą umieszczoną w odległości 5 metrów od anteny generatora w tej samej płaszczyźnie. Odczytane parametry impulsu wynoszą odpowiednio: czas narastania t n =5.7µs, czas do półszczytu t p =20µs. Biorąc pod uwagę dopuszczalny margines odchyłki, a mianowicie ±30% dla czasu narastania a zatem zakres czasów wynosi od 4.48 do 8.32 µs, T 1) Ch 1: 1 Volt 10 us dx: 6.67 us X: -12.2 us Rys. 3. Kształt generowanego impulsu: 5.7/20 µs. T
oraz ±30% dla czasu do półszczytu a zatem zakres czasów wynosi od 11.7 do 20.8 µs. Jak więc widać, mimo iż odczyt parametrów impulsu realizowany był w sposób pośredni, to i tak mieszczą się one w deklarowanych przez producenta granicach. 3.2. Wyniki badania jednożyłowego kabla zasilającego z żyłą z linki skręcanej Żyła badanego kabel wykonana była jako linka o przekroju s = 1 mm, wokół izolowana jedną warstwą warstwa izolacji wykonaną z PCV. Kabel nie był ekranowany. Ten rodzaj kabla może być stosowany jako np. jako kabel zasilający, kabel do transmisji sygnałów analogowych, np. do podłączenia głośników, itp. Pomiary zostały przeprowadzone dla trzech długości kabla:1.10, 11 oraz 17 m. Dodatkowo, dla większych długości kabla wykonano pomiary dla następujących przypadków: kabel zwinięty i z obu stron odizolowany od ziemi, kabel rozwinięty i z obu stron odizolowany od ziemi, kabel rozwinięty, na dalszym końcu włączone obciążenie o charakterze rezystancyjnym, kabel rozwinięty, na dalszym końcu włączone obciążenie o charakterze indukcyjnopojemnościowym. Przed przystąpieniem do pomiarów wpływu impulsowego pola magnetycznego przeprowadzany był pomiar indukowanego w kablu napięcia Rys. 4. Napięcie indukowane w kablu o długości 11 metrów, w stanie rozwinięcia, bez uziemiania jego końców. (4.60V, 10 ms/dz) na skutek panujących w laboratorium warunków. Na rys. 4 przedstawiono napięcie indukowane w rozwiniętym 11 metrowym odcinku kabla, bez uziemiania jego końców. Dla kabli o długości 1.10 oraz 17 metrów napięcia te były mniejsze - 1.87 V oraz 4.20 V. Włączenie obciążenia na końcu kabla niezależnie od jego charakteru (rezystancyjny czy pojemnościowym i indukcyjnym) zawsze skutkowało znacznym ograniczeniem wartości przepięć. Również podobne zależności w wartościach indukowanych napięć można zauważyć na skutek generacji impulsowego pola magnetycznego Największe napięcia indukowane były w 11-metrowym odcinku kabla. W przypadku kabla o długości 1,10 metra poddanego działaniu pola o natężeniu 200 pojawiały
się impulsy o amplitudzie osiągającej wartość 6,94 V (rys. 5), zaś w przypadku kabla 11 metrowego poddanego działaniu takiego samego pola miały one już wartość 13.4 V (rys. 6). Rys. 5. Impuls zarejestrowany w kablu o długości 1.10 metra poddanemu działaniu pola magnetycznego impulsowego o natężeniu 200. Rys. 6. Impuls zarejestrowany w kablu o długości 11 metrów poddanemu działaniu pola magnetycznego impulsowego o natężeniu 200 Wpływ obciążenia na wielkość powstających napięć indukowanych jest zależny od długości kabla. W przypadku kabla o długości 1.10 m po włączeniu obciążenia wartość przepięć indukowanych spadała ponad pięciokrotnie dla obciążenia o charakterze rezystancyjnym (do 1.86 V przy polu 200 ) oraz dwukrotnie dla obciążenia o charakterze indukcyjnopojemnościowym (do 3.54 V przy polu 200 ). Różnica jednak nie ograniczała się tylko do zmiany wartości przepięć indukowanych. W testach zauważyć można było szybkozmienne impulsy na początku indukowania się przepięć, które wraz ze zwiększaniem długości kabla Rys. 7. Oscylacje na początku impulsu zwiększały swoją częstotliwość. przepięcia indukowanego w kablu o Zmierzone wartości wynosiły od 8.93 długości 17 metrów, poddanego MHz w przypadku kabla 1.10m, działaniu pola magnetycznego poprzez 11 MHz dla kabla o długości impulsowego o natężeniu 200. 11 metrów, zaś dla 17 metrowego odcinka 12.5 MHz (rys. 7). Wyjątkiem był kabel o długości 1.10 m, w przypadku którego po włączeniu dowolnego
obciążenia częstotliwość oscylacji wzrastała do poziomu 23 MHz. Wpływ samego rodzaju obciążenia na częstotliwość pokazanych oscylacji jest pomijalnie mały i praktycznie mieści się w granicach błędu pomiarowego. 3.3. Wyniki dla kabla koncentrycznego Badany kabel koncentryczny miał żyłę wykonaną z drutu oraz giętki oplatający izolację ekran miedziany. Ten rodzaj kabla jest stosowany w telekomunikacji, wykorzystywany jest także do przesyłu sygnałów telewizyjnych a także danych w sieciach informatycznych. Badania obejmowały następujące przypadki konfiguracji kabla: trzy długości: 1.10, 11 i 17 metrów kabel zwinięty oraz rozwinięty ekran uziemiony oraz nieuziemiony końce otwarte lub uziemione poprzez obciążenie rezystancyjne lub indukcyjno-pojemnościowe Wykonano pomiar napięć indukowanych w kablach prez. sygnału szumów występujących w laboratorium podczas badań. Zmierzone napięcia wynosiły 450mV przy zwiniętym kablu 11 metrowym i nieuziemionym ekranie po jego uziemieniu wartość ta spadała do 100 mv. Po rozwinięciu kabla wartość ta znacznie się zwiększyła dla przypadku ekranu nieuziemionego do poziomu 2.42 V (11 metrów) oraz 4.66 V (17 metrów). Rys. 8. Największe z zarejestrowanych przepięć dla kabla rozwiniętego, z nieuziemionym ekranem oraz bez obciążenia, poddanego działaniu pola magnetycznego impulsowego o natężeniu 200 Rys. 9. Oscylacja na początku przepięcia, kabel z uziemionym ekranem oraz obciążeniem rezystancyjnym.
Pod wpływem impulsowego pola magnetycznego pojawiały się dodatkowe impulsy. Ich amplituda w dużej mierze zależała od długości badanego kabla i największe, zarejestrowane impulsy charakteryzowały się amplitudą rzędu 13.6V (rysunek 8), a występowały w przypadku kabla o długości 11 metrów z nieuziemionym ekranem. Ponieważ w praktyce zaleca się uziemianie ekranu, zatem na tej właśnie konfiguracji skupiły się pomiary. W przypadku poprawnego uziemienia ekranu przewodu zaobserwowane wartości przepięć indukowanych nie były uzależnione od dołączonego obciążenia lub też jego braku. W przypadku braku obciążenia zarejestrowano przepięcia o amplitudzie 1.69 V (H=200 ), przy podłączeniu obciążenia o charakterze indukcyjnopojemnościowym również 1.69 V (H=200 ) lub 1.76 V (H=200 ) przy obciążeniu o charakterze rezystancyjnym efekt ten występował niezależnie od długości badanego Rys. 10. Oscylacje zarejestrowane na odizolowanej sondzie pomiarowej. odcinka kabla. Udało się również zaobserwować oraz zmierzyć występujące na początku indukowanego przepięcia szybkozmienne impulsy o powtarzającej się częstotliwości około 60 MHz (rys. 9). Występowanie tych oscylacji można tłumaczyć wpływem parametrów sondy, ponieważ podobne oscylacje zarejestrowano przy nigdzie nie podłączonej sondzie i wygenerowaniu impulsu magnetycznego rezultat przedstawia rysunek 10. 3.4. Wyniki badania jednożyłowego kabla zasilającego z żyłą w postaci drutu. Ten rodzaj przebadanego kabla zasilającego charakteryzował się przewodnikiem wykonanym w postaci drutu. Ten rodzaj kabla znajduje zastosowanie głównie jako medium przesyłające energię elektryczną, rzadziej do innych zastosowań, np. łączenia aparatury sterującej. Kabel został przebadany dla trzech długości: 1.10, 11 i 17 metrów, w następujących konfiguracjach: końce kabla odizolowane od uziemienia, końce kabla uziemione poprzez obciążenie rezystancyjne lub indukcyjno-pojemnościowe, dla kabli 11 i 17 metrów: kabel zwinięty i rozwinięty
Podobnie jak w poprzednich przypadkach pierwszy pomiar dotyczył wpływu tła w pracowni na indukowanie się napięć w badanym kablu. Największe przepięcia indukowane powstawały w najdłuższym odcinku kabla, nieobciążonym na końcach oraz rozwinięty amplituda przepięć dochodziła do 8.84 V (rysunek 11). Rys. 11. Napięcie indukowane w kablu o długości 17 metrów, końce nieobciążone, 8.84 V, 10ms/dz Rys. 12. Przepięcie indukowane zarejestrowane dla kabla o długości 11 metrów przy polu o natężeniu 200 kabel rozwinięty, obciążenie LC W momencie pojawienia się impulsów na powyższym przebiegu pojawiają się impulsy zsynchronizowane z momentem generacji pola magnetycznego impulsowego. Największe z zaindukowanych przepięć zostały zarejestrowane w przypadku kabla o długości 11 metrów i wynosiły nawet do 12.2 V w przypadku generacji pola o natężeniu 200 (rys. 16). Występujące oscylacje nie były przypadkowe i posiadały częstotliwość około 12 MHz. Ciekawy efekt następował po obciążeniu kabla - zauważalnie spadało napięcie indukowane na skutek panującego w pracowni tła pola elektromagnetycznego, natomiast generując impuls magnetyczny uzyskiwane były większe wartości przepięć niż w przypadku z nieobciążonym kablem. 4. PODSUMOWANIE WYNIKÓW Badano trzy rodzaje kabli: zasilający o przewodniku w postaci linki, zasilający o przewodniku w postaci drutu oraz przewód koncentryczny. Każdy z tych kabli został przebadany w kilku różnych konfiguracjach. Sumaryczne wyniki, jakie zostały uzyskane w pomiarach przedstawia poniższa tabelka.
koncentryczny rozwinięty, obciążenie LC, ekran uziemiony rozwinięty, obciążenie R, ekran uziemiony rozwinięty, otwarty, ekran nieuziemiony rozwinięty, otwarty, ekran uziemiony zwinięty, otwarty, ekran nieuziemiony zwinięty, otwarty, ekran nieuziemiony - - 0,15 0,11 0,11 0,15 - - 1,38 3,58 1,22 1,42 - - 2,86 6,88 2,40 2,89 0,45 0,10 0,12 2,42 0,12 0,16 5,18 1,46 1,30 7,47 1,13 1,14 9,56 2,93 2,60 12,3 2,24 2,43 0,39 0,12 0,12 4,66 0,12 0,14 5,14 1,46 1,16 6,33 1,08 1,14 9,01 2,83 2,22 12,0 2,16 2,30 zasilający, linka rozwinięty, obciążenie LC rozwinięty, obciążenie R rozwinięty, otwarty zwinięty, otwarty - 1,87 0,11 0,12-3,60 1,17 1,80-7,20 2,45 3,54 0,36 4,60 0,35 0,32 5,36 8,82 7,45 7,34 9,40 14,1 13,0 13,8 0,43 4,20 0,98 2,92 5,13 6,67 7,44 5,85 9,32 13,0 13,5 10,8 zasilający, drut rozwinięty, obciążenie LC rozwinięty, obciążenie R rozwinięty, otwarty zwinięty, otwarty - 0,13 0,08 0,13-3,98 1,46 2,02-7,80 2,88 4,06 4,40 5,80 0,57 0,56 5,00 7,69 6,85 7,24 9,00 12,0 12,2 13,1 0,51 8,84 1,72 2,17 3,76 4,46 5,22 5,42 7,76 8,29 9,45 9,96 Rodzaj kabla konfiguracja długość [m] tło 100 1,10 200 tło 100 11,00 200 tło 100 17,00 200 Jak można się było spodziewać największe przepięcia zarejestrowano dla kabli zasilających ze względu na ich budowę i brak jakiejkolwiek ochrony przed zewnętrznym polem magnetycznym. Dużo mniejsze napięcia indukowane wystąpiły w kablu koncentrycznym. Zwiększenie długości kabla z 1.10 metra do 11 metrów skutkowało znacznym wzrostem amplitudy przepięć indukowanych. Ciekawym i zastanawiającym jest fakt, że dalsze zwiększanie długości do 17 metrów skutkowało nieznacznym spadkiem ich wartości. Uziemienie końców badanych odcinków kabli powodowało również wzrost amplitudy indukowanych napięć. W znacznym stopniu udawało się je ograniczyć po uziemieniu ekranu w przypadku przewodu koncentrycznego. Badania te, będące kontynuacją badań opublikowanych w artykule na konferencji w Łańcucie w 2002 roku, potwierdzają uzyskane wtedy wyniki i uzupełniają je o nowe doświadczenia. Kolejnym krokiem będzie zbadanie wpływu parametrów linii transmisyjnych na indukowane w niej przepięcia, jak również wpływ konfiguracji układu pomiarowego.
6. LITERATURA 1. The EMC Directive, 89/336/EEC on the approximation of the laws of the Member States relating to Electromagnetic Compatibility. Off. Journal of the EC No. L 139, 23 May 1989. 2. Council Directive 92/31/EEC amending Directive 89/336/EEC. Off. Journal of the EC no. L 126/11, 11 th May 1992. 3. IEC 61000-4-5:1995: EMC Part 4 Testing and measurement techniques section 5: Surge immunity test 4. IEC 61000-4-9:1995: EMC Part 4 Testing and measurement techniques Section 9: Pulse magnetic field immunity test. Basic EMC Publication. 5. Amicucci G.L., Oddi F. M., Orlandi A.: Laboratory Characterisation of Lightning Induced Effects on Communication Cables. 25th ICLP, Greece, Rhodes 2000, Paper No. 7.24, pp. 679-684. 6. Sobolewski K.: Badanie odporności urządzeń elektronicznych na zakłócenia impulsowe. Praca dyplomowa. Politechnika Warszawska. Instytut Wielkich Mocy i Wysokich Napięć, Warszawa 2001. 7. Sobolewski K. : Napięcia indukowane przez impuls elektromagnetyczny od wyładowania atmosferycznego w krótkich odcinkach kabli - artykuł na konferencji w Łańcucie 2002 r _podać dokładnie nazwę konferencji, miejsce, matemateriały konferencyjne. str. Itp.!!! EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF VOLTAGES INDUCED BY IMPULSE MAGNETIC FIELD TYPICAL FOR LIGHTNING GROUND STROKES IN SHORT SECTION OF CABLES One of the most dangerous for electric and electronic systems devices sources of disturbances are ground lightning flashes. They are carrying high energy and very steep rising discharge currents, which can easy destroy or cause malfunction of sensitive equipment even in case of nearby strikes. The immunity level for most of electronic equipment is usually much more lower than the stresses which can occur in case of lightning. The paper is addressed to laboratory experimental tests and measurement of induced voltages in short section of different kind of cables caused by impulse magnetic field. The field was generated by BEST EMC generator made by Schaeffner, and induced voltages were measured using Tektronix TDS-3034 oscilloscope. The tested cables had different length, configuration and load as well connection to grounded earth. The main part of presented results were part as diploma thesis carried out at Warsaw University of Technology, which were completed with new measurement results.