Приложение С (обязательное). Испытания импульсами большой амплитуды (HEMP) малой длительности в ТЕМ-волноводах

Приложение С
(обязательное)

Испытания импульсами большой амплитуды (HEMP) малой длительности в ТЕМ-волноводах

С.1 Обзор

Настоящее приложение устанавливает требования к испытаниям электрического или электронного оборудования на устойчивость к электромагнитным импульсам большой амплитуды (HEMP). Целью настоящего приложения является обеспечение производителей информацией для определения испытательного оборудования и небольших систем, а также для применения многих таких же методов испытаний на помехоустойчивость лабораторий IEC, которые уже предусмотрены для других целей в области электромагнитной совместимости.

Следует отметить, что для HEMP термин "симулятор" часто используется для описания различных видов испытательного оборудования, которое может генерировать корректный случай НЕМР-оборудования (см. IEC 61000-4-32). В настоящем приложении данный термин относится только к ТЕМ-волноводам, которые задают форму электромагнитного импульса большой амплитуды (HEMP).

Хоть настоящее приложение предназначено для установления требований к испытаниям электромагнитными импульсами большой амплитуды (HEMP) в ТЕМ-волноводах в цепочке с другими видами испытаний, проводимых в ТЕМ-волноводе, настоящее приложение охватывает испытания к переходным процессам, которые отличны по своей природе от испытаний непрерывной волной в важных направлениях. Когда требования к испытаниям импульсами большой амплитуды (HEMP) в настоящем приложении отличаются от установленных в основной части настоящего стандарта, требования к импульсам большой амплитуды заменяют все другие.

С.2 Испытания на помехоустойчивость

С.2.1 Общие положения

Испытания на устойчивость к импульсам большой амплитуды (HEMP) состоят из двух основных видов: испытания на устойчивость к излучаемым помехам и испытания на устойчивость к кондуктивным помехам. Для целей настоящего стандарта термин "электронное оборудование" обозначает аппарат, который выполняет определенную функцию. Это может быть небольшой компьютер или телефон. Некоторое оборудование (например, компьютер, подключенный к дополнительному периферийному оборудованию, такому как платы управления для мониторинга процессов на заводе) можно рассматривать как часть большей системы. Часто электронное оборудование является относительно небольшим - порядка 1 x 1 x 1 м или меньше. Ожидается, что большинство испытаний такого небольшого оборудования будет выполняться в лаборатории, использующей испытательное оборудование для подачи тока и ТЕМ-волноводы.

При отсутствии объекта в имитаторе электрическое поле в испытательном объеме является волной, сравнимой с плоской волной, с временной характеристикой двойного экспоненциального импульса, описываемого волной 2,5/25 нс, т.е. униполярная волна с длительностью фронта импульса 2,5 нс по уровню от 10 % до 90 % и длительностью импульса, равной 25 нс. Форма импульса описывается формулой (С.1):

,

(С.1)

где  = 6,0 х 10 ⁸ с ^-1;

 = 4,0 х 10 ⁷ с ^-1;

k = 1,3;

E - основная составляющая электрического поля, В/м;

E _peak - пиковое значение напряженности электрического поля, В/м;

Т - время, с.

Жесткость испытательного уровня E _peak выбирается из таблицы С.1.

При переходе в частотную область значения для формулы (С.1) будут описываться формулой (С.2):

,

(С.2)

где f - частота, Гц.

Для параметров сигнала, приведенного выше, амплитудно-частотное спектральное распределение из формулы (С.2) показано на рисунке С.1.

Примечание - Дополнительная информация приведена в [23].

С.2.2 Испытательные установки, излучающие электромагнитные помехи

Небольшие испытательные установки могут более точно достигать желаемых характеристик поля с меньшими отклонениями варьируемых параметров, чем большие испытательные имитаторы. Эти небольшие установки используются в первую очередь для испытаний относительно небольшого оборудования. Отклонения формы импульса большой амплитуды (HEMP) во всем испытательном объеме для небольшой испытательной установки должны быть следующими:

- отношение пиковых амплитуд электрического и магнитного полей должно быть равно  = (377 50) Ом;

- длительность фронта импульса по пиковому уровню от 10 % до 90 % должна быть (2,25 0,25) нс;

- напряженность электрического поля должна постоянно возрастать от 10 % до 90 % в течение фронта импульса;

- длительность импульса (длительность между фронтом и спадом импульса по уровню 50 % от E _peak) должна быть (27,5 2,5) нс;

- величина напряженности электрического поля каких-либо нежелательных импульсов должна быть равна или быть меньше 7 % от пикового значения напряженности поля;

- напряженность отраженного электрического поля от нагрузки испытательной установки должна быть меньше 10 % от пикового значения напряженности поля;

- флуктуации напряженности электрического поля в сглаженном частотном спектре в центре испытательного объема не должны быть более  3 дБ по сравнению с теоретическим спектром в диапазоне частот 100 кГц - 300 МГц;

- во время пикового значения основной составляющей поля значения побочных электромагнитных компонент (см. 3.1.19) должны быть меньше 10 % от пикового значения основной составляющей поля. Следует отметить, что настоящее требование является более жестким, чем требование пункта 5.2.1;

- пиковое значение электрического поля должно быть равномерным в испытательном объеме в пределах следующего критерия: пиковое значение электрического поля во всем испытательном объеме должно находиться в диапазоне между E _peak и в течение всего времени испытания;

- оценка отклонений поля, измерений электрического и магнитного полей в центре и восьми углах испытательного объема должна выполняться при отсутствии ИО.

С.2.3 Требования к частотному спектру

В дополнение к требованиям к малой длительности полей, создаваемой имитаторами импульсов большой амплитуды (HEMP), существуют требования к частотному спектру создаваемого поля:

a) частотный спектр вычисляется с помощью равномерной выборки быстро изменяющегося фронта волны, состоящей из 4096 отсчетов, в интервале времени от 0 до 2 мкс. Частотный спектр по 4096 отсчетам рассчитывается с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) или дискретного преобразования Фурье (ДПФ) с частотным интервалом 0,5 МГц и максимальной частотой до 1,0 ГГц;

b) частотный спектр должен быть сглажен с использованием усреднения по пяти измерениям в полосе (т.е. спектр должен быть усреднен в полосе 2 МГц);

c) полученные величины сглаженного спектра должны лежать в пределах определенного уровня спектра согласно формуле (С.2), показанного на рисунке С.1.

Примечание - Большинство измеряемых частотных спектров имеют случайные нули (или "провалы"), которые существенным образом не влияют на общее поведение длительности импульса. Требование, что сглаженный частотный спектр небольших и больших имитаторов лежит в пределах  3 и  10 дБ соответственно, установлено исходя из этого факта и с целью допущения провалов спектра. Спектральные пределы  3 и  10 дБ различны, так как небольшие имитаторы, как правило, имеют более высокие допуски и точность имитируемых полей.

С.3 Испытательное оборудование

Метод измерения предполагает использование волоконно-оптической линии передачи сигналов, что позволяет принимать и измерять сигналы системой обработки данных без искажений электромагнитного поля в окружающей среде. Измерительная система не должна быть чувствительной к электромагнитному излучению имитатора. Целями измерительной системы являются:

- обеспечение измерений эталонного поля;

- синхронизация моделируемого импульса с режимом работы испытуемого оборудования согласно требованиям пользователя;

- обеспечение измерений тока и напряжения ИО согласно требованиям пользователя.

Общая погрешность измерительной системы должна быть в пределах  3 дБ в частотном диапазоне 50 кГц - 500 МГц, и общий мгновенный динамический диапазон должен быть не менее 40 дБ.

Рекомендуется, чтобы измерительная система имела следующие характеристики:

- система передачи данных должна иметь полосу пропускания как минимум 50 кГц - 1 ГГц по уровню 3 дБ;

- дигитайзер или осциллограф должны иметь минимальную полосу пропускания 500 МГц и минимальную частоту дискретизации 2 гига выборки в секунду с минимальным разрешением данных 8 бит;

- электрический и магнитный датчики поля должны иметь полосу пропускания как минимум 50 кГц - 1 ГГц по уровню 3 дБ. См. IEC 61000-4-23 для получения дополнительной информации о конструкции соответствующих датчиков.

Измерение поля должно состоять из измерения трех ортогональных электрических и трех ортогональных магнитных компонент поля, что позволяет осуществить оценку отношения электрического поля к магнитному, а также побочные компоненты электромагнитного поля. Пользователь также может указать другие измерения поля в испытательном объеме.

С.4 Организованное место для испытаний

Испытательный объем имитатора зависит от физических размеров и характеристик структуры ТЕМ-волновода. Он определяется как объем, в котором случайные электромагнитные поля соответствуют требованиям к напряженности и однородности либо превышают их, как указано для моделирования испытания импульсом большой амплитуды (HEMP). Если ИО слишком большое по отношению к испытательному объему, то наведенный отклик системы будет отличаться от плоского фронта волны, а результаты испытаний будут сомнительны.

Для обеспечения точности моделирования необходимо минимизировать взаимодействие между ИО и имитатором путем размещения ИО на достаточном расстоянии от излучающих или волноводных элементов имитатора. ИО должно располагаться от проводников ТЕМ-волновода не ближе чем 0,3 его общего поперечного размера. Если ИО должно устанавливаться на пластину заземления, то расстояние до внутренней проводящей границы должно быть 0,6 общего поперечного размера ИО.

ИО описывается в общем случае как ограниченный объем с размерами, определяемыми его наибольшими ортогональными размерами по высоте, ширине и длине. ИО должно вписываться в испытательный объем симулятора, как описано выше. Если "короткие" внешние проводники, подключающиеся к ИО, могут быть реально облучены имитатором, то эти кабели также используются в определенном объеме ИО. Если ИО испытывается в режиме свободного пространства, т.е. не устанавливается на пластину заземления, то оно должно устанавливаться на диэлектрическую подставку в симуляторе.

С.5 Методы испытаний

С.5.1 Общие положения

Испытания для кондуктивной и излучаемой помехоустойчивости проводятся отдельно. Для испытаний двумя видами воздействий одновременно требования не предъявляются.

Если вся система, включающая все "короткие" внешние проводники, может быть реально облучена, то проведение испытаний на устойчивость к кондуктивным помехам не требуется для этих кабелей. Кроме того, испытания на устойчивость к кондуктивным помехам на портах для подключения антенны необязательны, если антенна может быть испытана на воздействие имитируемых импульсов большой амплитуды (HEMP) с ориентацией антенны на максимальную чувствительность. Тем не менее все порты, подключаемые к линиям электропитания, телекоммуникационным и другим длинным линиям, должны испытываться на устойчивость к кондуктивным помехам.

Испытания на устойчивость к импульсам большой амплитуды (HEMP) должны проводиться в соответствии с программой испытаний, описывающей испытательное оборудование, жесткость испытания, параметры испытательного сигнала, климатические условия, основные режимы работы и требуемый критерий качества функционирования ИО. Окружающая среда (как климатическая, так и электромагнитная) лаборатории или испытательного оборудования не должна влиять на результаты испытаний. Во время испытания важно контролировать оборудование для классификации качества работы в соответствии с указанными требованиями. Если оборудование принимает и отправляет данные к другому оборудованию системы, то необходимо создать условия для отправки и приема идентичных или смоделированных данных во время испытания оборудования. Это должно позволить оценить качество работы оборудования во время испытания.

Если ИО не соответствует требованиям испытания и если оценочные измерения были произведены в рамках системы или оборудования, то датчики и кабели должны быть удалены, а испытание проводят еще раз, чтобы убедиться, что добавленные приборы не влияют на результаты испытания. В протоколе испытаний должны быть четко идентифицированы присутствующие внешние кабели, подключаемые к ИО, независимо от того, являются ли они частью оборудования или являются частью измерительной системы.

ИО должно быть испытано в каждом из наиболее важных режимов работы, как определено программой испытания. Для испытаний к кондуктивным помехам необходимо использовать две полярности (положительную и отрицательную) испытательного импульса. Для испытаний к излучаемым помехам требуется только одна полярность испытательного импульса.

Лабораторные испытания должны проводиться в климатических условиях, указанных в 7.2. В месте, не соответствующем для проведения испытаний к устойчивости, эти испытания могут использоваться для проверки устойчивости установленного оборудования и устойчивости систем. Для таких мест климатические условия, указанные в 7.2, выполнять желательно, но не обязательно.

С.5.2 Уровни жесткости и испытания на помехоустойчивость

Важно провести несколько испытательных воздействий ниже напряжения защиты устройства защиты от перенапряжения (SPDs), а также при напряжении на достаточно низком уровне, чтобы избежать электрического пробоя в системе, так как это может привести к ее повреждению. Таким образом, каждый уровень излучения испытательного воздействия будет состоять из трех реальных испытательных амплитуд, начиная двумя уровнями ниже требуемой жесткости испытания, которая, как предполагается, будет ниже уровня напряжения защиты, обеспечиваемого устройством защиты от перенапряжения, и порога электрического пробоя. Каждое испытательное воздействие должно быть одной и той же формы, как определено жесткостью испытания.

Для устойчивости к излучаемым импульсам должна быть определена жесткость испытания. По крайней мере два испытательных воздействия должно проводиться для каждой из трех амплитуд и каждого положения (см. пункт В.4) и основных режимов работы ИО. Если испытательная установка включает возможность гипервращения (см. [6]) ИО, то такая установка может использоваться для испытаний импульсами большой амплитуды (HEMP).

С.5.3 Порядок проведения испытаний

С.5.3.1 Измерения испытательных параметров

Климатические параметры, определенные в 7.2, должны измеряться испытателем и документироваться. Результаты валидации испытательного оборудования, состоящие из серии измерений электромагнитного поля в испытательном объеме без ИО, должны быть доступны испытателю. Данная валидация включает в себя оценку однородности поля и параметров формы испытательного воздействия, согласно процедуре С.2.2 и С.2.3. Результаты измерения должны быть занесены в протокол для каждого излучаемого импульса.

С.5.3.2 Порядок проведения испытаний на излучаемые помехи

Небольшие испытательные установки для испытаний на излучаемые помехи могут использоваться для испытания оборудования; однако испытания к кондуктивным помехам на всех портах для подключения кабелей также применяются. Небольшие системы могут быть испытаны в большом имитаторе импульсов большой амплитуды (HEMP) и возможно использовать его для устойчивости к кондуктивным помехам большинства портов. Однако длинные линии, такие как линии электропитания и телекоммуникационные линии, не могут быть адекватно испытаны в любом имитаторе импульсов большой амплитуды (HEMP). Следовательно, всегда необходимо проведение испытаний к кондуктивным помехам для данных портов.

Следует признать, что большие имитаторы импульсов большой амплитуды лучше подходят для проведения системных испытаний, где несколько единиц оборудования могут работать вместе. Однако проведение системных испытаний в таких имитаторах не является требованием настоящего стандарта.

Каждое испытание на устойчивость определенной жесткости включает три уровня воздействия: требуемый уровень и два следующих, менее жестких уровня. Если в настоящем стандарте установлен только один менее жесткий уровень, тогда должен применяться только этот, менее жесткий, уровень. Если установлен наименьший жесткий уровень, тогда необходимо применять только этот, наименее жесткий, уровень воздействия для испытаний на помехоустойчивость. Минимум два излучаемых импульса должны использоваться для каждого уровня воздействия.

С.5.3.3 Небольшое испытательное оборудование, излучающее электромагнитные помехи

Основным подходом, используемым в настоящей процедуре, является испытание оборудования и малых систем в лабораторном испытательном оборудовании, таких как ТЕМ-волновод. ИО должно устанавливаться на диэлектрическую подставку высотой (0,1 0,01) м над пластиной заземления в испытательном объеме, и все кабели оборудования должны подключаться в соответствии с нормальным режимом работы оборудования. Соединение с заземлением должно находиться между пластиной заземления и ИО в соответствии с документами производителя. Необходимо контролировать и документировать длины и положения кабелей, связанных с ИО. Необходимо располагать кабели с минимальной связью электрической и магнитной компонент поля в испытательной установке. Дополнительные испытания к кондуктивным помехам должны проводиться отдельно, чтобы учесть связь этих кабелей.

ИО должно поворачиваться всеми сторонами к испытательному воздействию (обычно шестью сторонами), хотя из практических соображений можно еще ограничить количество поворотов. В дополнение применяется два вида поляризации.

Если метод контроля включает измерения с ИО, то присутствующие датчики и кабели должны аккуратно располагаться, чтобы свести к минимуму неблагоприятные воздействия на измерения. В частности, для таких измерений рекомендуется использование волоконно-оптических кабелей без металлических материалов.

С.5.4 Проведение испытания

Испытания должны проводиться в соответствии с программой испытаний. Испытательное воздействие должно применяться, когда ИО находится в основном режиме работы во время нормального функционирования в соответствии с программой испытания. Для каждого испытательного воздействия импульсы должны применяться с достаточным временем между ними, чтобы проверить наличие ухудшения в работе или повреждения в системе. После каждого испытательного воздействия определяются рабочие характеристики ИО.

С.5.5 Выполнение испытания на устойчивость к излучаемым помехам

Испытания должны проводиться в соответствии с программой испытаний, включая проверку работоспособности ИО, как определено требованиями стандарта на продукцию или, если таковые отсутствуют, технической документацией.

ИО должно находиться в нормальном режиме функционирования. Основная испытательная конфигурация состоит из рабочей конфигурации ИО, основных функциональных состояний, и должна быть разработана ориентация относительно направления распространения волны. Для каждой испытательной конфигурации в программе испытаний должно быть изложено:

- испытательный уровень воздействия и два низших уровня;

- количество испытательных воздействий на каждом уровне (по крайней мере два воздействия);

- точки приложения (PoEs) или порты, подлежащие оценке;

- описание расположения кабелей и проведения измерений;

- необходимое вспомогательное оборудование;

- полярность и угол падения имитируемого поля;

- сведения об испытательной установке, если она отличается от указанной в С.4 настоящего стандарта;

- критерий определения соответствия либо несоответствия.

Примечание - Спектральные величины, определяемые с использованием параметров, перечисленных после формулы (С.1), в формуле (С.2).

Рисунок С.1 - Частотный спектр в полосе 100 кГц - 300 МГц

Таблица С.1 - Уровни испытаний к излучаемым помехам, установленные в настоящем стандарте

Испытательный уровень	Испытание, необходимое для оборудования и систем со следующим классом защиты а	Значение пиковой напряженности поля E peak b, кВ/м
R1	Концепция 4	0,5
R2	Промежуточное значение	1
R3	Промежуточное значение	2
R4	Концепции 2А, 2В, 3	5
R5	Промежуточное значение	10
R6	Промежуточное значение	20
R7	Концепции 1А, 1В	50
RX	Специальное применение	X
а Концепции классов защиты согласно IEC 61000-5-3. b В соответствии с IEC 61000-2-11, таблица 2.