Защита электронного оборудования энергосистем от воздействия ЭМИ, способного нарушить их нормальную работоспособность или полностью вывести из строя, приобрела особую актуальность. Способность оборудования нормально функционировать в условиях воздействия внешних электромагнитных помех называется электромагнитной совместимостью (ЭМС). Методика испытаний оборудования на ЭМС хорошо отработана и описана в многочисленных стандартах. Однако, несмотря на то что электромагнитный импульс, а точнее, его составляющая Е1, – это всего лишь одна из разновидностей электромагнитных помех, от которых должно быть защищено электронное оборудование МЭМС, он имеет некоторые существенные отличия и особенности, требующие уточнения и корректировки известных методов испытания на ЭМС.

Особенностями ЭМИ являются: очень короткая длительность возмущающего воздействия (одиночный импульс длительностью в несколько наносекунд), в течение которого должен быть зафиксирован сбой в работе испытываемого оборудования (ИО). Поэтому количество режимов работы ИО, контролируемых в процессе испытаний, весьма ограничено. При испытании на устойчивость к ЭМИ нельзя, к примеру, изменять с помощью подключенного к ИО компьютера какие-то режимы работы ИО и наблюдать его реакцию на эти изменения, как это обычно делается при испытаниях на ЭМС в так называемой безэховой камере, когда ИО длительное время находится под воздействием электромагнитного излучения.

Опасны так называемые «мягкие повреждения» (softfaults, softfailures, softerrors), особенно в элементах памяти электронного оборудования, которые далеко не всегда могут быть выявлены мгновенно в процессе испытаний. В аппаратуре, подвергнутой испытаниям, они могут проявиться лишь через значительное время после проведения испытаний, к примеру при обращении к поврежденным участкам памяти для выполнения определенных операций или к определенным программным модулям. Испытательный стенд ЭМИ состоит обычно из бетонного основания с заложенной в него металлической сеткой, играющей роль одного электрода, и второй металлической сеткой, расположенной на высоте до 10…15 метров над бетонным основанием, играющей роль второго электрода. Между этими двумя электродами и прикладывается импульс высокого напряжения с выхода специального генератора (чаще всего это генератор Маркса на основе набора высоковольтных конденсаторов и управляемых разрядников). Использовать сетку, заложенную в бетонное основание стенда и подключенную к генератору, в качестве системы заземления ИО, как правило, запрещается.

Испытание существующего оборудования без средств защиты серией импульсов с последовательно возрастающей амплитудой импульсов от 20 % максимально возможного уровня до 100 %. Целью испытания являются:

• поиск наиболее чувствительного к ЭМИ вида (или видов) оборудования;

• определение максимального значения амплитуды ЭМИ, выдерживаемого без повреждений самой аппаратурой, с целью последующего расчета требуемого уровня дополнительной защиты, дополняющей ослабление, вносимое самой аппаратурой, до уровня, регламентируемого стандартом.

В связи с опасностью наличия «мягких» повреждений в сложной микропроцессорной электронной аппаратуре после воздействия на нее испытательного импульса, даже в том случае, если в процессе тестирования не будет зафиксировано видимых повреждений или сбоев в ее работе непосредственно в процессе проверки, необходимо подвергнуть ее тщательной полной проверке на функционирование после проведения испытаний. В этой связи испытание с целью определения требуемого уровня дополнительной защиты должно сопровождаться тестированием на функционирование после каждого уровня воздействия ЭМИ. Несомненно, это значительно усложняет испытание, так как после каждого импульса с более высокой амплитудой испытуемый объект должен быть подвергнут функциональному тестированию, а для этого к ИО после каждого цикла испытаний должны быть подключены тестовые системы. Упростить процесс испытаний можно, если использовать мобильные программируемые тестовые системы и заранее запрограммировать их для требуемого функционального тестирования. Такие системы выпускаются компаниями DOBLE, ISA, Omicron, Megger и др. и широко применяются в защите.

Как правило, электронное оборудование с датчиками МЭМС расположено не в металлических шкафах, а в неэкранированном виде в кирпичных или бетонных зданиях, несущественно ослабляющих воздействие ЭМИ, это означает, что в реальных условиях различные элементы общей системы будут подвергнуты различным по интенсивности электромагнитным воздействиям.

Еще одна особенность ЭМИ, которую следует учитывать при испытаниях, – наличие не только вертикальной составляющей электромагнитного поля направленного действия, но и значительной горизонтальной составляющей этого поля. Поэтому при расположении элементов испытуемой системы между нижней и верхней сетками излучающей антенны испытательного стенда необходимо устанавливать их под определенным углом к поверхности земли, с тем чтобы обеспечить воздействие на них обеих этих составляющих.

При испытаниях должны быть предусмотрены средства фиксации изменения параметров ИО в процессе воздействия ЭМИ (расположенные, естественно, в защищенной зоне). В качестве таких средств могут быть использованы внешние самописцы, запоминающие импульсные осциллографы с автоматически запускаемым триггером, а также параллельно с этим и собственные встроенные в ИО регистраторы аварийных событий.

В зависимости от выбранной цели испытания система должна быть снабжена теми или иными средствами защиты: специальными фильтрами, ограничителями перенапряжений, экранированными кабелями и т. п. – или не иметь никаких специальных средств защиты.

Для электронных систем, расположенных в капитальных железобетонных или кирпичных зданиях, снабженных защитой от молний, без специальных защитных фильтров может быть выбрана концепция номер 2b. Этой концепцией предусматривается ослабление конструкцией здания уровня ЭМИЗ на 20 дБ в полосе частот 100 кГц…30 МГц. Для выбранной концепции и компонента Е1 напряженность электрического поля излучения, воздействующего на испытуемый объект, устанавливается 5 кВ/м (уровень R4), напряженность магнитного поля 13,3 А/м. Для сравнения: для деревянных зданий, не ослабляющих ЭМИЗ, напряженность электрического поля составляет 50 кВ/м (уровень R7). Для той же концепции и компонента Е2 напряженность электрического поля устанавливается 10 В/м, магнитного поля – 0,08 А/м. Параметры импульса ЭМИЗ описаны в стандартах 61000–2–9, 61000–2-10, 61000–2-11, MIL-STD-461F: время нарастания импульса (передний фронт) 2,5 нс, ширина импульса 25 нс.

На следующем этапе выбирается уровень испытательного воздействия для КИВ в соответствии со стандартом 61000–4-25. Для выбранной концепции номер 2b и при наличии подключенных к рассматриваемому объекту не заглубленных в грунт проводов выбирается уровень испытательного воздействия Е8 (для обеспечения нормальной 50 %-ной вероятности устойчивости объекта) или Е9 (для 99 %-ной вероятности). Уровень Е8 предполагает устойчивость испытуемого объекта к импульсному напряжению 8 кВ, а уровень Е9–16 кВ. Вероятность 50 % считается в стандарте нормальной и может применяться для гражданской аппаратуры. Под испытательным импульсом напряжения КИВ подразумевается так называемый Electrical Fast Transient (EFT) – быстрый импульс, параметры которого (кроме амплитуды испытательного напряжения) и методика испытаний описаны в стандарте IEC61000–4–4.

Ранее генераторы EFT с требуемым уровнем выходного напряжения 8 кВ выпускались компаниями TESEQ, Kentech Instruments Ltd. и Thermo Electron Corp на основе вакуумного управляемого разрядника, формировавшего тестовые импульсы. С появлением мощных полупроводниковых коммутирующих элементов (IGBT-транзисторов) выпуск генераторов на вакуумных разрядниках был прекращен всеми этими тремя компаниями, поскольку импульсы, формируемые транзисторами, оказались намного более стабильными и «правильными», чем импульсы, формируемые вакуумным разрядником. К сожалению, одновременно с повышением стабильности генерируемых импульсов пришлось снизить их амплитуду. Но ни один из выпускаемых генераторов EFT не удовлетворяет полностью требованиям стандартов по амплитуде импульса (8 кВ). Наиболее близкой амплитудой к требуемому значению амплитуды импульса обладает генератор типа PEFT8010.

Допустимый для данного типа ИО и для данного типа испытаний вид реакции на электромагнитные воздействия (во время и после испытания) называется критерием качества функционирования (ККФ).

Такими реакциями могут быть:

• графические искажения на дисплее ИО, мигание или погасание экрана;

• отображение на экране неверных данных;

• искажение или потеря сигналов или данных;

• нарушение функционирования или полная потеря каналов связи;

• ложное срабатывание датчиков;

• ложная активация систем;

• резкое снижение способности систем к обработке и передаче информации, а также неправильное ее функционирование;

• сбои в работе программного обеспечения;

• зависание системы;

• автоматическая перезагрузка компьютеризированной системы;

• полный отказ функционирования системы вследствие повреждения источника;

• отказ элементов источника питания или перегорания предохранителей в цепях питания;

• физическое разрушение внутренних электронных компонентов ИО.

В базовом стандарте IEC 61000–4-25 предложены лишь пять типов ККФ, обобщающих перечисленные выше реакции ИО:

а) нормальное функционирование в соответствии с установленными нормами;

б) временное ухудшение качества функционирования или прекращение выполнения установленной функции с последующим восстановлением нормального функционирования, без вмешательства оператора;

в) временное ухудшение качества функционирования или прекращение выполнения установленной функции, восстановление которых требует вмешательства оператора или перезагрузки системы;

г) ухудшение качества функционирования или прекращение выполнения установленной функции, которые не могут быть восстановлены оператором из-за потери данных или повреждения оборудования;

д) ухудшение качества функционирования, которое может повлечь за собой возникновение опасности для персонала, к примеру пожар.

В связи со сложностью и высокой стоимостью проведения испытаний оборудования на стойкость к ЭМИ испытаниям должны быть подвергнуты лишь некоторые виды оборудования, нарушение работоспособности которых может привести к крупным авариям. Планирование испытаний электронного оборудования энергосистем на устойчивость к ЭМИ должно начинаться с четкого и понятного формулирования цели испытаний, которых может быть несколько.

Электронное оборудование энергосистем должно испытываться не в виде отдельных изделий, а в виде системы, включающей несколько электронных устройств (как минимум два), объединенных системой связи между ними, общей системой заземления, общим источником питания, источниками управляющих сигналов и т. п. При планировании испытания должны быть составлена функциональная схема такой системы и перечень необходимого оборудования, участвующего испытаниях.

В зависимости от конкретного вида ИО должен быть заранее составлен перечень параметров, контролируемых в процессе воздействия ЭМИ, продумана методика контроля этих параметров и выбраны соответствующие виды аппаратуры для фиксации изменения этих параметров в процессе испытаний.

Воздействие ЭМИ на электронное оборудование может проявляться не только мгновенно в процессе испытаний, но и иметь скрытые последствия. Поэтому, помимо контроля состояния ИО в процессе испытаний, необходима полная проверка функционирования ИО после завершения испытаний на стенде-симуляторе ЭМИ, а также после подачи на ИО тестового высоковольтного импульса контактным способом. Для испытаний электронного оборудования энергосистем на устойчивость к ЭМИ необходимы два типа воздействий, проводимых в дополнение к полному комплексу стандартных испытаний на электромагнитную совместимость:

• импульсное электромагнитное излучение с длительностью фронта импульса 2 нс, шириной импульса 25 нс и с напряженностью поля 5–50 кВ/м;

• быстрый импульс 5/50 нс (EFT) с амплитудой импульса 8 кВ, подаваемый контактным способом на входы ИО.