Устойчивость источников питания микропроцессорных устройств релейной защиты к мощным наносекундным импульсам

Введение

Результаты испытаний источников питания микропроцессорных реле защиты (МУРЗ) на устойчивость к мощным наносекундным импульсам (Electrical Fast Transient – EFT) были подробно описаны автором в [1]. В результате этих исследований выяснилось, что большинство типов МУРЗ, участвовавших в испытаниях, подтвердили полную устойчивость ко всем типам испытательных воздействий. За исключением одного.

Этим исключением оказался МУРЗ типа REC316 производства компании ABB с источником питания типа 316NN63. В этом устройстве частично выключались некоторые выходные напряжения и, соответственно, некоторые внутренние модули уже при амплитуде стандартного EFT, начиная с 1 кВ, с последующим автоматическим возвратом в нормальное состояние через несколько секунд после прекращения воздействия тестовых импульсов. При этом светодиодные индикаторы на передней панели продолжали фиксировать изменение состояния МУРЗ, произошедшее под влиянием тестового импульса.

Попытка повышения помехоустойчивости этого МУРЗ с помощью специального внешнего фильтра типа FN 2090-3-06, включённого перед источником питания, не увенчалась успехом. 

Постановка задачи

Номенклатура электромагнитных фильтров, представленных на рынке, довольно широка: наряду с самыми простыми и дешёвыми встречаются достаточно продвинутые двухкаскадные фильтры с хорошими характеристиками и невысокой ценой. Такие высококачественные фильтры предлагаются на рынке по цене $10…40 и даже ниже (китайского производства).

Проблема выбора заключается в том, что различные производители используют различные методики и аппаратуру для измерения параметров фильтров, иногда приводят в спецификации чисто рекламные, а то и просто ошибочные сведения (с чем уже пришлось столкнуться автору).

Поэтому возникла задача произвести сравнительные испытания лучших образцов фильтров наиболее известных производителей по одной и той же методике и на одном и том же оборудовании, после чего испытать МУРЗ типа REC316 с источником питания типа 316NN63 совместно с лучшим образцом фильтра. Этот МУРЗ с указанным типом источника питания является хорошим индикатором на воздействие FET, поэтому по его реакции можно судить об эффективности фильтров.

Результаты исследования

Для реализации поставленной задачи были приобретены двухкаскадные фильтры, предоставленные автору различными компаниями (см. рис. 1).

Измерения степени вносимого затухания проводились с помощью векторного анализатора цепей типа PLANAR TR1300/1 и соответствующего программного обеспечения для компьютера, совместно с которым работает этот анализатор (см. рис. 2).

Результаты измерения затухания, вносимого различными фильтрами ЭМС, представлены на графиках рисунков 3.

Как видно из полученных результатов, лучшими параметрами в требуемом частотном диапазоне – от 100 кГц до 100 МГц [2] – обладают фильтры типов 62-MTB-060-4-21 и NBM-06-471, при этом фильтры последнего типа в три раза дешевле фильтров типа 62-MTB-060-4-21, поэтому совместно с МУРЗ были испытаны именно эти два типа фильтров.

С помощью векторного анализатора цепей PLANAR TR1300/1 были измерены характеристики затухания, вносимого собственным источником питания типа 316NN63, а затем и последовательно соединёнными фильтрами этого источника питания и одного из дополнительных внешних фильтров (см. рис. 4).

Полученные характеристики затухания представлены на рисунке 5.

Для второго из исследованных фильтров (типа 62-MTB-060-4-21) получены очень похожие характеристики, поэтому приводить их здесь нет смысла.

Из полученных результатов можно видеть, что существенное влияние дополнительный внешний фильтр, даже очень качественный, оказывает лишь в довольно узком частотном диапазоне (примерно от 1 до 20 МГц), и этот частотный диапазон находится далеко от частотного диапазона источника наносекундных импульсов, поэтому, на первый взгляд, вряд ли стоит ожидать изменения реакции МУРЗ на такие импульсы при использовании в качестве дополнительного даже лучшего из испытанных фильтров. Тем не менее такие испытания были проведены, и они опровергли эти ожидания (см. рис. 6).

Объяснить это можно тем обстоятельством, что параметры импульса, поступающего на вход фильтра, состоящего из набора индуктивностей и ёмкостей, существенно изменяются. В результате оказывается, что эффективность таких фильтров высока даже для очень коротких импульсов наносекундного диапазона.

При испытании МУРЗ с источником питания типа 316NN63 было установлено, что сбои в работе реле возникают:

Таким образом, проведённые исследования подтвердили эффективную работу фильтра выбранного типа в отличие от ранее использовавшихся фильтров [1],
особенно совместно с варистором на входе (при предыдущих испытаниях с менее эффективными фильтрами влияние варистора не было отмечено). 

Выводы

Отобранные в результате проведённого исследования электромагнитные фильтры определённых типов, включаемые перед источником питания МУРЗ и снабжённые варисторами на входе, могут существенно повысить устойчивость особо чувствительной электронной аппаратуры к мощным наносекундным импульсам (EFT), а также к ЭМИ ЯВ.

При этом отобранные типы фильтров не являются очень дорогими ($1,5…2, тыс.) и громоздкими, предназначенными для ЭМИ ЯВ, они характеризуются вполне доступными ценами ($40) и небольшими размерами. Такие фильтры с варисторами могут быть рекомендованы для широкого применения в электроэнергетике в случае проблем с помехоустойчивостью аппаратуры, а также для защиты от ЭМИ ЯВ. 

Литература