Оценка ЭМС высоковольтных кабелей и компонентов с помощью триаксиального модуля

Триаксиальный метод определения переходного импеданса и эффективности экранирования был первоначально разработан для кабелей связи. Измерения эффективности экранирования также необходимо проводить для линий электропитания и высоковольтных кабелей в транспортных средствах с электрической тягой. Размеры механических частей линий электропередачи, цепей электропитания и компонентов для электротранспорта больше, чем типовые размеры кабелей и компонентов, используемых в средствах телекоммуникации.

Для оценки электромагнитной совместимости (ЭМС) элементов с большими размерами триаксиальный метод измерений был усовершенствован за счёт использования триаксиального модуля. Следует отметить, что кроме увеличенных размеров импедан-сы кабельных линий электропитания также отличаются от импедансов кабелей связи. В то время как кабели, используемые для связи, имеют стандартные значения импедансов 50 или 75 Ом, импедансы силовых и высоковольтных кабелей для электротранспорта составляют от 10 до 12 Ом. В зависимости от того, проводятся ли измерения в схеме с коротко-замкнутым выходом или при условии согласования импедансов, на работу измерительной схемы могут оказывать вредное влияние различные внешние воздействия, что может существенно исказить результаты измерений. Рассмотрение этих вопросов имеет важное значение для измерений в трубке и с помощью триаксиального измерительного модуля.

ПРИНЦИП ПРОЦЕДУРЫ ТРИАКСИАЛЬНОГО ТЕСТА

Триаксиальная измерительная установка даёт возможность определять переходный импеданс в низкочастотном диапазоне и затухание экранировки на более высоких частотах.
Измерительная установка состоит из сетевого анализатора (в качестве альтернативы можно использовать генератор дискретных сигналов и селективный измерительный приёмник) и трубки с приспособлениями для подсоединения экрана кабеля и сетевого анализатора или приёмника. Трубка должна быть сделана из хорошо проводящего немагнитного материала, например, латуни или алюминия.

Кабель, характеристики которого измеряются (CUT), располагается в трубке и центрируется по её оси, вместе с трубкой он образует триаксиальную систему (рис. 1а). Испытуемый кабель является в этой схеме внутренней системой, а внешняя система формируется экраном, который также является объектом измерений, и трубкой. На дальнем конце к испытуемому кабелю подключается нагрузка, равная его характеристическому импедансу.

Рис. 1а. Схема установки для измерения полного переходного сопротивления и затухания экрана

Экран, характеристики которого являются объектом измерений, короткозамкнут на трубку на ближнем конце со стороны генератора. Эта короткозам-кнутая цепь исключает влияние ёмкостей. Выходное напряжение генератора U₁ подаётся на внутреннюю систему. Напряжение U₂ определяется с помощью измерительного приёмника, имеющего входной импеданс, равный характеристическому импедансу трубки, — 50 Ом (рис. 1б).

Рис. 16. Эквивалентная схема испытательной установки, показанной на рис. 1а

Энергия, которая проходит через экран, распространяется в обоих направлениях по трубке, т.е. во внешней системе. В короткозамкнутой цепи на ближнем конце по отношению к генератору волна полностью отражается, при этом приёмник измеряет полную энергию, которая прошла сквозь экран.

В низкочастотном диапазоне импеданс передачи Z_T может быть вычислен с помощью отношения напряжений U₂ / U₁ следующим образом:

Z_T ⋅ l = Z₁ ⋅ |U₂ / U₁| , если Z_T << Z₁.

На более высоких частотах логарифмическое отношение входной мощности Р₁ к измеряемой мощности Р₂ на входе приёмника даёт затухание экранирования a_s:

a_s = 10 ⋅ log{|P₂ / P₁|_max} = 20 ⋅ log{|U₂ / U₁|_max}.

Для того чтобы сравнить величину затухания экрана с результатами, которые могут быть получены другими методами измерений в соответствии со стандартом IEC 62153-4-4, необходимо разделить отношение измеренных мощностей Р1 к Р2 на величину стандартного характеристического импеданса внешней системы 150 Ом:

a_s = 20 ⋅ log{|U₂ / U₁|max} = 10 ⋅ log{|2Z_s / Z₁} ,

где Z₁ — характеристический импеданс измеряемого объекта, характеристический импеданс внешней системы равен 150 Ом. Результатом измерения затухания экранирования является максимальное значение измеренной величины.

ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ СВЯЗИ

В зависимости от длины тестируемого устройства и от частоты, на которой производятся измерения, эффективность экранирования определяется переходным импедансом или затуханием экранирования. Передаточная функция связи (рис. 2) отражает частотную зависимость импеданса передачи Z_T и затухания экранирования a_s.

Рис. 2. Переходная функция связи оплёточного экрана в зависимости от частоты, измеренная с помощью триаксиального модуля.

В триаксиальном процессе измерений на одной измерительной установке можно определять импеданс перехода (передачи) Z_T и затухание экранирования a_s.

На постоянном токе или в диапазоне очень низких частот импеданс перехода экрана в виде металлической оплётки равен сопротивлению постоянному току. В диапазоне частот от 1 доЮ МГц величина импеданса перехода уменьшится до небольших значений (для оптимизированной оплётки) и возрастёт примерно на 20 дБ в каждой частотной декаде при увеличении частоты измерений.

Передаточная функция связи T_n,f представляет собой отношение затухания экранирования a_s и импеданса перехода экрана кабеля Z_T. В нижней части частотного диапазона, где образцы кабелей электрически короткозамкнуты, импеданс перехода Z_T может быть измерен на частотах вплоть до частоты отсечки f_cn,f. На частотах выше f_cn,f мерой эффективности экранирования является затухание экранирования a_s. Величины частот отсечки f_cn,f могут быть сдвинуты в области более низких или более высоких частот за счёт изменения длины испытуемого кабеля.

Верхняя частота отсечки f_max-ZT. Для измерения импеданса перехода определяется следующим соотношением:

Нижняя частота отсечки f_min-as для измерения затухания экранирования в соответствии со стандартом EN 50289-1-6 определяется следующим образом:

где с₀ — скорость света в свободном пространстве;
ε_r1 — относительная диэлектрическая постоянная внутренней системы;
ε_r2 — относительная диэлектрическая постоянная внешней системы;
L_c — длина участка связи (перехода).

На рис. 2 показаны частоты отсечки импеданса перехода и затухание экранирования a_s в соответствии со стандартом EN 50289-1-6. Для кабеля длиной 1 м и диэлектрической постоянной внутренней системы ε_r = 2,28 в диапазоне частот от 30 до 300 МГц имеет место зона неопределённости («серая зона»), в то же время этот диапазон представляет интерес для различных видов сервиса.

В принципе, частотная область неопределённости может быть перекрыта за счёт изменения длины испытываемого устройства (DUT). Но это не всегда желательно или вообще невозможно, если длина испытываемого устройства фиксированная, например, если это кабель с разъёмами. Следовательно, необходимо решить, каким образом можно измерить передаточную функцию связи для оценки эффективности экранирования, включая переходный импеданс и затухание экранирования.

Стандарт IEC ЕС 46/WG является пересмотренным стандартом IEC 62153-4-7. В нём описывается применение процедуры измерений с использованием триаксиального модуля для определения затухания экранирования кабельных разъёмов и переходного импеданса. При этом необходимо учесть, что функция передачи представляется так, как это показано на рис. 2. Длина испытательной установки должна иметь фиксированное значение 1 м. Минимальная величина затухания экранирования на частоте f_min-as должна быть сохранена на частотах до f_max-ZT , при этом условии и измеряется затухание экранирования. При таком переходе эффективность экранирования, определяемая импедансом перехода и затуханием экранирования, однозначно определяется во всем диапазоне частот.

Более того, в новой процедуре IEC 62153-4-7, Ed2, которая рассмотрена ниже, частота отсечки f_max-ZT импеданса перехода может быть сдвинута в область более высоких частот, при этом частотная область неопределённости будет уменьшена.

ТРИАКСИАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ

Большие размеры разъёмов и кабельных сборок не позволяют оценивать их на коммерчески доступных измерительных установках, которые изначально были разработаны для измерения переходного сопротивления и затухания экранирования кабелей связи, разъёмов и кабельных сборок.

Совместными усилиями компаний Bedea и Rosenberger для измерений характеристик устройств и сборок, имеющих большие габариты, был разработан триаксиальный модуль (Triaxial Cell). Главным образом он предназначен для измерений характеристик высоковольтных кабелей и компонентов, используемых в транспортных средствах с электрической тягой. Принципы измерительных процедур с использованием триаксиального модуля с круглым поперечным сечением могут быть распространены и на конструкции модуля, имеющего прямоугольное сечение. Круглые и прямоугольные корпуса могут быть использованы с одной и той же измерительной установкой. Эффективность экранирования больших разъёмов или устройств может быть измерена с помощью цилиндрической конструкции точно так же, как и в триаксиальном модуле. Результаты измерений с помощью трубки и триаксиального модуля хорошо совпадают (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Измерение переходного импеданса и затухания экрана разъёмов и кабельных сборок с помощью триаксиального модуля и схемы «трубка в трубке» в соответствии со стандартом IEC 62153-4-7.

Рис. 4. Принципиальная схема триаксиального модуля для измерения переходного импеданса и затухания экрана высоковольтных сборок в схеме «трубка в трубке» в соответствии со стандартом IEC 62153-4-7.

Рис. 5. Различные конструкции триаксиальных модулей.

При переходе от круглого корпуса к прямоугольному необходимо соблюдать осторожность, поскольку в последнем случае из-за несовпадения характеристических сопротивлений во внешней цепи могут появиться отражения передаваемого сигнала. Плоскость, в которой располагается цепь короткого замыкания на ближнем конце (сторона, где расположен генератор), должна непосредственно находиться на стенке корпуса резонатора без какой-либо дополнительной трубки. На стороне приёмника переход корпуса в коаксиальную систему (50 Ом) также должен быть выполнен непосредственно на стенке корпуса. Различные конструкции триаксиальных измерительных модулей показаны на рис. 5.

ЧАСТОТЫ СРЕЗА, МОДУЛИ ВЫСОКОГО ПОРЯДКА

Корпус измерительной системы, в частности триаксиального модуля, в принципе является объёмным резонатором, имеющим разные резонансные частоты в зависимости от габаритов. Для прямоугольного объёмного резонатора резонансные частоты могут быть рассчитаны следующим образом:

где М, N, Р — число мод (чётное, 2 из 3>0);
а, Ь, с — габариты резонатора;
с₀ — скорость света в вакууме.

При вычислениях по этой формуле один из параметров М, N или Р может быть равным нулю. Проводящие части внутри объёмного резонатора могут приводить к отклонению резонансных частот от расчётных величин.

Резонансные частоты триаксиальных модулей с габаритами 136/136/99 мм, 750/250/250 мм и 1000/300/300 мм представлены в таблице вплоть до ЗГГц.

Поскольку объект измерений располагается внутри резонатора, значения резонансных частот в процессе измерений могут отличаться от расчётных.

Измерения сопротивления перехода и затухания экранирования кабеля типа RG 11 с одиночной экранирующей оплёткой в круглой конструкции и в объёмном модуле длиной 1 м дают одинаковые результаты вплоть до первой резонансной частоты (примерно 720 МГц).

Табл. Резонансные частоты различных триаксиальных модулей

На рис. 6а и 66 представлены результаты измерений переходного сопротивления и затухания экранирования кабеля типа RG 11, в конструкции которого имеется одна экранирующая оплётка, в измерительном комплексе с трубкой и с триаксиальным модулем длиной 1 м. Никаких различий измеренных зависимостей не было обнаружено вплоть до вычисленного значения первой резонансной частоты (приблизительно 720 МГц).

Выше первой резонансной частоты модуля 720 МГц можно видеть, что имеет место различие максимальных значений кривых в пределах 3 дБ. Измерения характеристик устройств со сложной геометрией являются предметом дальнейшей работы.

Рис. 6а. Сравнение результатов измерений характеристик кабеля RG 11с одной экранирующей оплеткой на измерительной трубке и с помощью триаксиального модуля, линейная шкала.

Рис. 6б. Сравнение результатов измерений характеристик кабеля RG 11с одной экранирующей оплёткой на измерительной трубке и с помощью триаксиального модуля, логарифмическая шкала.

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИИ СОГЛАСОВАНИЯ НАГРУЗКИ ВО ВНУТРЕННЕЙ СИСТЕМЕ

Выбор согласующих нагрузок в измерительной системе оказывает значительное влияние на связь между внутренней и внешней системой (или наоборот). Это утверждение справедливо для реальных электрических систем с экранами, а также для измерительных установок, предназначенных для оценки эффективности экранирования с использованием триаксиальной процедуры.

В триаксиальной измерительной системе (рис. 7) внутренняя система состоит из объекта измерений (DUT) с внутренним проводником, диэлектрика и экрана, сопротивления нагрузки и генератора. Внешняя система состоит из приёмника, воздушного пространства, трубки, короткозамкнутой цепи (нагрузка объекта измерений) и экрана объекта измерений, который является одновременно частью и внутренней, и внешней системы.

Рис. 7. Внутренняя система согласована с импедансом источника и нагрузки

Обсудим влияние различных импедансов нагрузки на результаты измерений. В случаях, когда необходимо оценивать эффективность экранирования, в качестве доминирующего фактора рассматривается гальваническая связь систем через переходное сопротивление экрана кабеля или внешнего проводника разъёма. Переходное сопротивление экранов может быть определено следующим образом:

Z_T = U₂ / I1

Это простое выражение непосредственно отражает проблему экранирования. Ток I₁ который протекает во внутренней системе через экран с сопротивлением перехода Z_T, создаёт во внешней системе напряжение U2. Это напряжение действует во внешней системе как помеха.

Протекание через экран возрастающего тока вызывает рост интенсивности излучения. Если посмотреть на распределение тока во внутренней системе (объект испытаний), можно прийти к выводу, что простые и легко выполнимые условия могут существовать только в случае согласования сопротивлений. В этом случае ток и напряжение совпадают по фазе и связаны с полным сопротивлением линии следующим образом:

I₁ = U₁ / Z₁

Это выражение может быть использовано только в определённом случае — согласования нагрузки. В случае изменяющихся нагрузок необходимо более общее описание.

Генератор с внутренним сопротивлением Z_G соединяется с исследуемым объектом (DUT), имеющим длину L. Объект исследований представлен в этой схеме (рис. 7) полным характеристическим сопротивлением Z₁ линии, диэлектрической постоянной ε_r, скоростью распространения v и постоянной распространения γ. Нагрузкой объекта исследований является R₁.

Ток I(0) в нагрузке рассчитывается в соответствии с предыдущим выражением следующим образом:

В соответствии с теорией линий передачи ток может быть рассчитан и как функция х — длины DUT:

В случае короткозамкнутой цепи нагрузки объекта исследований с небольшим полным сопротивлением Т₁ = 10 Ом (например, высоковольтный кабель) длиной 1 или 2 метра. Распределение тока по длине кабеля показано на рис. 8 и 9.

На некоторых частотах наблюдаются значительные броски тока, их величина зависит от местоположения.

Максимальное значение этих пиков тока определяется условиями согласования (Z₁ = Z_G) и может быть рассчитано следующим образом:

Это выражение представляет обратное отношение полных сопротивлений генератора и объекта измерений. Для испытывавшегося кабеля с характеристическим сопротивлением 10 Ом при отсутствии согласования был получен максимум локального тока с коэффициентом умножения, равным 5.

Рис. 8. Локальное распределение тока в зависимости от частоты при коротком замыкании

Рис. 9. Локальное распределение тока в зависимости от частоты при разомкнутой цепи

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СОГЛАСОВАНИЯ НАГРУЗОК НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Результаты измерений характеристик высоковольтного кабеля длиной 0,95 м с характеристическим сопротивлением 10 Ом на реальной измерительной установке при следующих условиях: открытая цепь, согласование и короткозамкнутая цепь представлены на рис. 10.

Рис. 10. Сравнение эффективности экранирования высоковольтных кабелей при различных условиях нагрузки

Измерение характеристик объекта исследований в режиме согласования (R₁ фиолетовая кривая) представляет собой плавную кривую связи (Transmission S₂₁) на частотах до 100 МГц. Первый резонансный максимум, как можно видеть, имел место на частоте 40 МГц при короткозамкнутой цепи нагрузки. Дополнительные максимумы наблюдались на частотах 3,40 МГц и 5, 0 МГц, что означает умножение на нечётное число частоты первого резонанса при короткозамкнутой цепи нагрузки. При открытой цепи (R₁ = ∞, зелёная кривая) первый резонансный максимум имел место на частоте 80 МГц, а второй — на частоте 160 МГц. Третий максимум появился на частоте 240 МГц. Это означает, что резонансы имели место на частотах, нечётно кратных первой резонансной частоте в схеме измерений с открытой цепью.

Если выразить условия возникновения резонан-сов через длину волны, которая кратна длине тестируемого кабеля, то резонансы имеют место:

• при короткозамкнутой цепи — нечётное число умножить на lambda/4;
• при открытой цепи — чётное число умножить на lambda/4.

Величина этих резонансных пиков достигает +14 дБ, что соответствует коэффициенту умножения 5 (в случае измерения напряжений). Эта величина подтверждает теоретически оцененный максимум пика тока во внутренней системе.

РЕВИЗИЯ СТАНДАРТА IЕС 62153-4-3

Измерение полного сопротивления передачи. Рассмотренные выше условия уже содержатся в первой редакции пересмотренного стандарта IEC 62153-4-3, изд. 2 [46/371/CD). В новый проект добавлена третья процедура испытаний, в которую включены варианты согласования нагрузок «согласование — без согласования — короткое замыкание».

В этой новой процедуре допускается прямое подключение испытуемого кабеля к генератору с внутренним сопротивлением без какого-либо согласующего устройства. Полное передаточное сопротивление высоковольтных кабелей может быть измерено без согласующих устройств, а появление резонансных неоднородностей может быть предотвращено при использовании процедуры «согласование — без согласования — короткое замыкание». Этого можно достичь, используя новые правила определения Z_T из измеренной зависимости Transmission S₂₁.

Верхняя частота отсечки f_max-ZT может быть сдвинута в сторону более высоких частот. Всё, что было рассмотрено выше относительно новой процедуры испытаний «согласование — без согласования — короткое замыкание», может быть применено как в случае использования триаксиальной трубки, так и при использовании триаксиального модуля.

Опция «функция передачи связи», как и изменённая новая версия стандарта IEC 62153-4-2 Ed2, в настоящее время уже интегрирована в практически используемую версию программы WinCoMeT системы СоМеТ компаний Bedea/Rosenberger.

Дополнительную информацию можно получить на следующих сайтах: www.bedea.com и www.rosen-berger.de.

Авторы благодарят Гуннара Армбрехта и Лаури Халме за помощь и участие.

ЛИТЕРАТУРА

1. Bernhard Mund, ЕМУ von Steckverbindern und Verbindungskabeln, 4. Anwenderkongress Steckverbinder 2010, Vogel Verlag, Wurzburg.
2. Bernhard Mund, Thomas Schmid: Messen der Schirmdampfung von Steckverbindern, Kabeldurch-fuhrungen und EMV-Dichtungen, 3 Anwenderkongress Steckverbinder 2009, Vogel Verlag, Wurzburg.
3. Bernhard Mund: Measuring the EMC on RF-connec-tors and connecting hardware, Tube in tube test procedure, IWCS (International wire&cable symposium) 2004, Philadelphia.
4. Thomas Hahner und Bernhard Mund: Measurement of the screening effectiveness of connectors & cable assemblies: International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC 2002.
5. Thomas Hahner und Bernhard Mund: Background, content and future of the EMC measurement standart prEN 50289-1-6, Open/sieldedtest methods, international Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC 2000.
6. Otto Breitenbach, Thomas Hahner und Bern-hard Mund: Kabelschirmung im Frequenzbereich von MHz bis GHz, erweiterte Anwendung eines einfachen Mesverfahrens, Frequenz 1-2/1999, S. 18—28.
7. Lauri Halme, Rauno Kytonen: Background and introduction to EM screening (shielding) behaviours and measurements of coaxial and symmetrical cables, cable assemblies and connectors, IEE Colloquium on screening effectiveness measurements, Saloy Place London, 6 May 1998.
8. F.M. Tesche et al: EMC Analysis Methods, Wiley, 1997.
9. Prof. Dr. Munzner et. al., Untersuchungen und Simulation an TriaxialerZelle, Hochschule Ulm.

STANDARDS:

EN 50289-1-6 Communication cables-Specifications for test methods Part 1—6: Electrical test methods-Electromagnetic performance.
IEC 62153-4-1 Introduction to EMC measurements.
IEC 62153-4-3 surfase transfer impedance-Triaxial method.
IEC 62153-4-4 Shielded screening attenuation, test method for measuring of the screening attenuation "as" up to and above 3 GHz.
IEC 62153-4-7 Shielded screening attenuation, test method for measuring the Transfer impedance ZT and the screening attenuation as of RF-Connectors up to and above 3 GHz, Tube in Tube method.
IEC 62153-4-9 Coupling attenuation, Triaxial method.

Перевод Святослава ЮРЬЕВА

B. Mund, T. Schmid. Measuring EMC of HV Cables & Components with "Triaxial Cell" опубликован в журнале Wire & Cable Technology International, 2012, January/February (part 1) и March/April (part 2).