Зачем нужны промышленные коммутаторы с улучшенной ЭМС

Из-за чего в ЛВС могут теряться пакеты? Варианты есть разные: неправильно настроено резервирование, сеть не справляется с нагрузкой или ЛВС «штормит». Но причина не всегда кроется в сетевом уровне.

Компания ООО «N» сделала АСУ ТП и системы видеонаблюдения рудника АО «Не будем называть имен» на базе коммутаторов Phoenix Contact.

На одном участке сети возникли проблемы. Между коммутаторами FL SWITCH 3012E-2FX – арт. 2891120 и FL SWITCH 3006T-2FX – арт. 2891036 канал связи был крайне нестабильным.

Устройства были соединены медным кабелем, проложенным в одном канале, с силовым кабелем 6 кВ. Силовой кабель создает мощное электромагнитное поле, которое стало причиной помех. Обычные промышленные коммутаторы не обладают достаточной помехоустойчивостью, поэтому часть данных терялась.

Когда на обоих концах были установлены коммутаторы FL SWITCH 3012E-2FX – арт. 2891120, связь стабилизировалась. Данные коммутаторы соответствуют МЭК 61850-3. Среди прочего часть 3 данного стандарта описывает требования к электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств, которые устанавливаются на электрических станциях и подстанциях.

Почему коммутаторы с улучшенной ЭМС показали лучшие результаты?

ЭМС – общие положения

Оказывается, на стабильность передачи данных в ЛВС влияют не только правильность настройки оборудования и количество передаваемых данных. Причиной пропадающих пакетов или выведенного из строя коммутатора могут стать электромагнитные помехи: рация, которой воспользовались рядом с сетевым оборудованием, силовой кабель, проложенный рядом, или силовой выключатель, который разомкнул цепь во время короткого замыкания.

Рация, кабель и выключатель – это источники электромагнитных помех. Коммутаторы с улучшенной электромагнитной совместимостью созданы для нормальной работы при воздействии этих помех.

Электромагнитные помехи бывают двух видов: индуктивные и кондуктивные.

Индуктивные помехи передаются через электромагнитное поле «по воздуху». Еще эти помехи называют излучаемыми или излученными.

Кондуктивные помехи передаются по проводникам: проводам, земле и т.д.

Индуктивные помехи появляются при воздействии мощного электромагнитного или магнитного поля. Причиной кондуктивных помех могут быть коммутации токовых цепей, удары молнии, импульсы и т.д.

На коммутаторы, как и на все оборудование, могут воздействовать и индуктивные, и кондуктивные помехи.

Давайте рассмотрим разные источники помех на промышленном объекте, и какие именно помехи они создают.

Источники помех

Радиоизлучающие устройства (рации, мобильные телефоны, сварочное оборудование, индуктивные печи и т.д.)

Любое устройство излучает электромагнитное поле. Это электромагнитное поле воздействует на оборудование и индуктивно, и кондуктивно.

Если поле генерируется достаточно сильное, то оно может создать ток в проводнике, который нарушит процесс передачи сигнала. Очень мощные помехи могут привести и к отключению оборудования. Таким образом, проявляется индуктивное воздействие.

Эксплуатирующий персонал и службы безопасности используют мобильные телефоны, рации для связи друг с другом. На объектах работают стационарные радио- и телепередатчики, на подвижных установках устанавливаются Bluetooth и WiFi устройства.

Все эти устройства – мощные генераторы электромагнитного поля. Поэтому для нормальной работы в промышленных условиях коммутаторам необходимо уметь переносить электромагнитные помехи.

Электромагнитная обстановка определяется напряженностью электромагнитного поля.

При испытании коммутатора на устойчивость к индуктивному воздействию электромагнитных полей, на коммутатор наводится поле напряженностью 10 В/м. При этом коммутатор должен полноценно функционировать.

Любые проводники внутри коммутатора, а также все кабели являются пассивными приемными антеннами. Радиоизлучающие устройства могут создавать кондуктивные электромагнитные помехи в полосе частот от 150 Гц до 80 МГц. Электромагнитное поле наводит в этих проводниках напряжения. Эти напряжения в свою очередь вызывают токи, которые и создают помехи в коммутаторе.

Для испытания коммутатора на устойчивость к кондуктивным электромагнитным помехам на порты передачи данных и порты питания подается напряжение. ГОСТ Р 51317.4.6-99 устанавливает величину напряжения 10 В для высокого уровня электромагнитных излучений. При этом коммутатор должен полноценно функционировать.

Ток в силовых кабелях, линиях электропитания, цепях заземления

Ток в силовых кабелях, линиях электропитания, цепях заземления создает магнитное поле промышленной частоты (50 Гц). Воздействие магнитного поля создает ток в замкнутом проводнике, что является помехой.

Магнитное поле промышленной частоты подразделяется на:

• магнитное поле постоянной и относительно малой напряженности, вызванное токами при нормальных условиях эксплуатации;
• магнитное поле относительно большой напряженности, вызванное токами при аварийных условиях, действующими кратковременно до момента срабатывания устройств.

При испытаниях коммутаторов на устойчивость воздействия магнитного поля промышленной частоты на него подается поле напряженностью 100 А/м на длительный период и 1000 А/м на период 3 с. При проверке коммутаторы должны полноценно функционировать.

Для сравнения обычная бытовая микроволновая печь создает напряженность магнитного поля до 10 А/м.

Удары молний, аварийные условия в электрических сетях

Удар молнии также вызывает помехи в сетевом оборудовании. Они длятся не долго, но их величина может достигать нескольких тысяч вольт. Такие помехи называются импульсными.

Импульсные помехи могут быть поданы и на порты питания коммутатора, и на порты передачи данных. За счет высоких значений перенапряжения они могут как нарушить функционирование оборудование, так и полностью сжечь его.

Удар молнии – это частный случай импульсных помех. Его можно отнести к микросекундным импульсным помехам большой энергии.

Удар молнии может быть разных типов: удар молнии в наружную цепь напряжения, косвенный удар, удар в грунт.

При ударе молнии в наружную цепь напряжения помехи возникают из-за протекания большого тока разряда по наружной цепи и цепи заземления.

Косвенным ударом молнии считается разряд молнии между облаками. Во время таких ударов образуются электромагнитные поля. Они индуцируют напряжения или токи в проводниках электрической системы. Это и вызывает возникновение помех.

При ударе молнии в грунт ток протекает по земле. Он может создать разность потенциалов в системе заземления ТС.

Точно такие же помехи создает коммутация конденсаторных батарей. Такая коммутация является коммутационным переходным процессом. Все коммутационные переходные процессы вызывают микросекундные импульсные помехи большой энергии.

Быстрые изменения напряжения или тока при срабатывании защитных устройств могут также приводить к образованию микросекундных импульсных помех во внутренних цепях.

Для проверки коммутатора на устойчивость к импульсным помехам используют специальные испытательные генераторы импульсов. Например, UCS 500N5. Данный генератор подает различные по параметрам импульсы на испытуемые порты коммутатора. Параметры импульсов зависят от проводимых тестов. Они могут различаться по форме импульса, выходному сопротивлению, напряжению, времени воздействия.

Во время испытаний на устойчивость к воздействиям микросекундных импульсных помех на порты питания подаются импульсы напряжением 2 кВ. На порты данных – 4 кВ. При данной проверке допускается, что функционирование может прерываться, но после исчезновения помехи – самостоятельно восстанавливаться.

Коммутации реактивных нагрузок, «дребезг» контактов реле, коммутация при выпрямлении переменного тока

В электрической системе могут возникать различные коммутационные процессы: прерывания индуктивных нагрузок, размыкание контактов реле и т.д.

Такие коммутационные процессы также создают импульсные помехи. Их длительность — от одной наносекунды до одной микросекунды. Такие импульсные помехи называются наносекундные импульсные помехи.

Для проведения испытаний на коммутаторы подаются пачки импульсов наносекундной длительности. Импульсы подаются на порты питания и на порты передачи данных.

На порты питания подаются импульсы напряжением 2 кВ, а на порты данных – 4 кВ.
Во время испытаний на воздействие наносекундных импульсных помех коммутаторы должны полноценно функционировать.

Наводки от промышленного электронного оборудования, фильтров и кабелей

При установке коммутатора вблизи силовых распределительных систем или силового электронного оборудования в них могут наводиться несимметричные напряжения. Такие наводки называются кондуктивными электромагнитными помехами.

Основными источниками кондуктивных помех являются:

• силовые распределительные системы, в том числе постоянного тока и частотой 50 Гц;
• силовое электронное оборудование.

В зависимости от источника помехи подразделяют на два вида:

• постоянное напряжение и напряжение частотой 50 Гц. Короткие замыкания и другие нарушения работы в распределительных системах генерируют помехи на основной частоте;
• напряжения в полосе частот от 15 Гц до 150 кГц. Такие помехи обычно генерируются силовыми электронными установками.

Для испытания коммутаторов на порты питания и передачи данных подается действующее напряжение 30В постоянно и действующее напряжение 300 В в течение 1 с. Эти значения напряжения соответствуют наивысшей степени жесткости испытаний ГОСТ.

Оборудование должно выдерживать подобные воздействия, если оно устанавливается в условиях жесткой электромагнитной обстановки. Она характеризуется:

• испытуемые устройства будут подключаться к низковольтным электрическим сетям и линиям среднего напряжения;
• устройства будут подключаться к системе заземления высоковольтного оборудования;
• используются силовые преобразователи, инжектирующие значительные токи в систему заземления.

Подобные условиях можно встретить на станциях или подстанциях.

Выпрямление напряжения переменного тока при заряде батарей

После выпрямления напряжение на выходе всегда пульсирует. То есть значения напряжения случайно или периодически меняется.

Если коммутаторы питаются от напряжения постоянного тока, то большие пульсации напряжения могут нарушить работу устройств.

Как правило, все современные системы используют специальные сглаживающие фильтры и уровень пульсаций не велик. Но ситуация меняется при установке батарей в системе электропитания. При зарядке батарей величина пульсаций увеличивается.

Поэтому также необходимо учитывать возможность появления подобных помех.

Заключение

Коммутаторы с улучшенной электромагнитной совместимостью позволяют передавать данные в условиях жесткой электромагнитной обстановки. В примере с рудником в начале статьи кабель передачи данных был подвержен воздействию мощного магнитного поля промышленной частоты и кондуктивных помех в полосе частот от 0 до 150 кГц. Обычные промышленные коммутаторы не смогли справиться с передачей данных в таких условиях и пакеты терялись.

Коммутаторы же с улучшенной электромагнитной совместимостью могут полноценно работать при воздействии следующих помех:

• радиочастотные электромагнитные поля;
• магнитные поля промышленной частоты;
• наносекундные импульсные помехи;
• микросекундные импульсные помехи большой энергии;
• кондуктивные помехи, наведенные радиочастотным электромагнитным полем;
• кондуктивные помехи в полосе частот от 0 до 150 кГц;
• пульсации напряжения электропитания постоянного тока.