Kompatybilność elektromagnetyczna - IME

Kompatybilność elektromagnetyczna - IME

Władysław MOROŃ
Urząd Regulacji Telekomunikacji i Poczty
Kompatybilność elektromagnetyczna
istota problemu i normalizacja
Streszczenie. Przedstawiono początki i rozwój problematyki zakłóceń, który doprowadził do zdefiniowania pojęcia kompatybilności. Zwrócono uwagę na bardzo
ważną dla handlu międzynarodowego rolę, realizowanej w ramach IEC, normalizacji międzynarodowej w tej dziedzinie oraz na znaczenie normalizacji
regionalnej, realizowanej przez CENELEC i ETSI, dla Wspólnego Rynku Europejskiego. Podkreślono znaczenie EMC w zagadnieniach bezpieczeństwa
funkcjonalnego urządzeń i systemów.
Abstract. The beginnings and development .of the interference problem which led to electromagnetic compatibility (EMC) concept are described. Attention is
drawn to the importance of international standardization in the field of EMC which is realized in IEC, and to the importance of the regional, European
standardization realized by CENELEC and ETSI. Their key role for international trade and for European Common Market is underlined. The importance of EMC
aspect in functional safety of electrical and electronic devices and systems is stressed (Electromagnetic Compatibility – nature of the problem and standardization).
Słowa kluczowe: kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), normalizacja, bezpieczeństwo funkcjonalne.
Keywords: electromagnetic compatibility (EMC), standardization, functional safety.
Uwagi wstępne
Żyjemy w okresie rozwoju cywilizacyjnego, w którym
powszechne stosowanie urządzeń elektrycznych i elektronicznych w niezliczonej i ciągle rosnącej liczbie zastosowań
w gospodarstwach domowych oraz w różnych instytucjach,
zakładach przemysłowych, laboratoriach jest czymś naturalnym. Systemy energetyczne dostarczają energii elektrycznej dla wszystkich tych zastosowań, poczynając od
„klasycznych” urządzeń elektrycznych, aż do złożonych systemów jak np. trakcja elektryczna, czy systemy radiokomunikacyjne, telekomunikacyjne i informatyczne.
Działające urządzenia elektrycznie, wypełniając swoje
podstawowe funkcje, takie jak wytwarzanie energii mechanicznej, cieplnej, czy przetwarzanie energii elektrycznej,
współużytkują przestrzeń i czas oddziałując na siebie nawzajem nie tylko w sposób pożądany [1]. Pracy ich towarzyszą nieodłącznie zjawiska elektromagnetyczne uboczne,
które mogą zakłócać pracę innych urządzeń.
Zjawiska te nazywane są zaburzeniami elektromagne1
tycznymi i problemy ograniczania ich emisji oraz problemy
„wbudowywania” w urządzenia określonego poziomu odporności na nie, (czyli osiągania pewnego stanu równowagi),
stanowią przedmiot kompatybilności elektromagnetycznej
(przyjęty skrótowiec – EMC, od angielskiego terminu
ElectroMagnetic Compatibility).
Ogólnie wziąwszy, zaburzenia mogą występować w całym zakresie użytkowanych obecnie częstotliwości tzn. od
0 Hz do 275
x109 Hz (275 GHz). Zakres ten ze względów
praktycznych dzieli się na zakres małych częstotliwości od
0 Hz do 9x103 Hz i zakres wielkich częstotliwości (tzw.
częstotliwości radiowych) od 9x103 Hz do 275x109 Hz [2].
Zaburzenia w systemach energetycznych występują w
zakresie małych częstotliwości. Są to między innymi zjawis-
1
Zgodnie
z
PN-T-01030:1996
Kompatybilność
elektromagnetyczna – Terminologia, termin „zaburzenie
elektromagnetyczne” oznacza przyczynę, czyli zjawisko
elektromagnetyczne, które może powodować „obniżenie jakości
działania urządzenia lub systemu, albo niekorzystnie wpływać na
materię ożywioną lub nieożywioną”. Natomiast terminem
„zakłócenie
elektromagnetyczne”
określa
się
skutek
oddziaływania zaburzenia, czyli spowodowanie przez nie
„obniżenia jakości działania urządzenia lub systemu”. Wcześniej
stosowano w tych przypadkach odpowiednio terminy
„zakłócenie” i „efekt zakłócający”. Należy dodać, że potocznie do
dzisiaj termin „zakłócenie” jest używany często w obu
znaczeniach: przyczyny i efektu.
ka takie jak harmoniczne, interharmoniczne, przepięcia,
asymetria napięcia, zapady napięcia. Stanowią one atrybuty
zbiorczego pojęcia jakości energii, której parametry powinny zawierać się w określonych granicach, aby odbiorniki
energii mogły pracować prawidłowo. Problem jakości energii nabrał dodatkowej wagi z nastaniem „rewolucji” elektronicznej; obecne odbiorniki energii z jednej strony „produkują” podane zjawiska, a z drugiej są wrażliwe na nie.
Jednocześnie nieodzowne jest zwrócenie uwagi także
na zjawiska wielkiej częstotliwości. Energetyka używa systemy łączności radiowej, elektronika jest szeroko wykorzystywana w zabezpieczeniach i automatyce. Zaburzenia w.cz.
są i występuje wrażliwość na nie.
Początki i rozwój
Rodowód problematyki zakłóceń jest związany z urządzeniami i systemami przesyłu informacji. Zaczęło się to w
XIX stuleciu. Jak wiadomo możliwość wykorzystania energii
elektromagnetycznej do przesyłania informacji została odkryta przed ponad 160 laty, jeśli mówić o telekomunikacji
przewodowej i przed ponad 115 laty, jeśli mówić o radiokomunikacji. Pierwszym urządzeniem do przesyłu informacji
był telegraf. Najwcześniejsze zanotowane użycie telegrafu
elektrycznego miało miejsce w Anglii, w 1839 r., na 21 milowym odcinku. W 1876 r. został wynaleziony telefon, a pod
koniec XIX wieku rozpoczęła się radiokomunikacja, czyli
łączność za pomocą fal elektromagnetycznych rozchodzących się w przestrzeni.
Bez wątpienia już w pierwszych latach telegrafu elektrycznego pojawiły się zakłócenia wywołane choćby takimi
zjawiskami naturalnymi jak wyładowania burzowe, ale nie
były one jako takie identyfikowane i można sądzić, że nie
były one zbyt dużym i częstym problemem; urządzenia były
elektromechaniczne i pracowały przy dużych poziomach
napięć. Pierwsze doniesienia o zakłóceniach dotyczą dopiero odbioru radiowego i pojawiły się one już w 1901 r. [3].
Wraz z rozwojem techniki w pierwszej połowie 20. wieku
problem zakłóceń zaczął narastać i w niektórych krajach,
takich jak Francja, Niemcy, Wielka Brytania rozpoczęto pionierskie prace badawcze, które doprowadziły do przygotowania pierwszych norm krajowych, dotyczących metod pomiarów zaburzeń, metod ich zmniejszania oraz dopuszczalnych ich poziomów. Z natury rzeczy przy prowadzeniu
odrębnie tych prac, normy różniły się między sobą i to
nieraz znacznie. Szybko jednak zdano sobie sprawę z tego,
że różnice w wymaganiach utrudniają lub wręcz mogą unie-
1
możliwić handel międzynarodowy urządzeniami elektrycznymi. W związku z tym już w 1934 roku utworzono Międzynarodowy Komitet Specjalny ds. Zakłóceń Radioelektrycznych, znany pod francuskim skrótem CISPR (Comité
Internationale Spécial des Perturbations Radioélectriques).
Jest to pierwsza organizacja międzynarodowa, zajmująca
się problemem zakłóceń, początkowo wyłącznie w radiofonii, następnie też w telewizji, rozszerzając potem, już po
drugiej wojnie światowej, czyli po 1945 r., swoją działalność
wraz z postępującym rozwojem technicznym. Warto tu,
podkreślić, że początkowo problem zakłóceń dotyczył w
skali społecznej jedynie radiofonii, a potem też telewizji i nie
miał on wymiaru obecnego, kiedy to brak EMC może powodować groźne w skutkach następstwa. Jeżeli ktoś miał
trzaski czy szumy w głośniku odbiornika radiowego lub
później zniekształcenia obrazu telewizyjnego, to nie było to
przyjemne, ale nie pociągało za sobą poważniejszych konsekwencji. Obecnie jak wiadomo jest inaczej. Nadmierne
zakłócenia mogą mieć groźne następstwa, a zjawiska „niezgodności elektromagnetycznej", występujące w systemach
energetycznych zaczęto też traktować jako część zagadnień kompatybilności elektromagnetycznej. Zaczęto tak je
widzieć dopiero pod koniec lat sześćdziesiątych ubiegłego
wieku.
Koncepcja pojęcia kompatybilności elektromagnetycznej
powstała w latach sześćdziesiątych w USA i miała rodowód
czysto radiowy. Jak to często do tej pory bywa, motorem
postępu były zastosowania wojskowe elektroniki. Powstawały kłopoty przy gromadzeniu szeregu urządzeń radiowych, innych urządzeń elektronicznych oraz urządzeń
elektrycznych na małych powierzchniach, blisko siebie na
okrętach i w samolotach, co wywoływało nadmierne zakłócenia lub wręcz uniemożliwiało ich pracę. Prowadzone prace badawcze doprowadziły do sformułowania pojęcia kompatybilności i przyjęcia przez Departament Obrony USA w
1967 r. pierwszej na świecie jej definicji [4]. Wtedy dotyczyła ona urządzeń radiowych, które były wówczas praktycznie jedynymi zakłócanymi urządzeniami elektronicznymi.
Przyjęta w 1976 r. przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną IEC, obowiązująca obecnie, definicja EMC
jest jest już ogólna i brzmi ona:
Kompatybilność elektromagnetyczna. Zdolność urządzenia do funkcjonowania w sposób zadowalający w danym środowisku elektromagnetycznym bez wprowadzania nadmiernych zaburzeń do jakiegokolwiek elementu
tego środowiska.
Tak więc obecnie pojęcie kompatybilności obejmuje nie
tylko problemy związane z przesyłem informacji. Wchodzą
w jego zakres również problemy wzajemnych oddziaływań
między urządzeniami i systemami, wykorzystującymi zjawiska elektromagnetyczne do innych celów niż ten przesył,
a także oddziaływanie tych urządzeń i systemów na naturalne środowisko elektromagnetyczne i na biosferę, a więc
wszelkie zjawiska jakiejkolwiek niezgodności elektromagnetycznej
Wzajemne oddziaływania urządzenia (systemu) i środowiska zilustrowane są na rysunku 1. Pokazano na nim także oddziaływania wewnątrz danego urządzenia (systemu),
które jest często złożone i powinno być tak zaprojektowane
i wykonane, aby sobie nie zakłócać wykonywania podstawowej funkcji.
Zapewnienie kompatybilności jest nie tylko złożonym
problemem technicznym (trzeba pamiętać, że chodzi tu o,
trudno uchwytne nieraz, zjawiska uboczne, towarzyszące
wypełnianiu przez urządzenia i systemy ich podstawowej
funkcji) ale także poważnym problemem ekonomicznym;
ograniczanie zaburzeń i wbudowywanie odporności na nie
sporo kosztuje. Jednocześnie zlekceważenie EMC może
grozić nawet hamowaniem rozwoju.
W rozwiązywaniu tych wszystkich zagadnień istotną rolę
odgrywa dobrze prowadzona normalizacja.
Rys. 1. Wzajemne oddziaływanie systemu i środowiska
elektromagnetycznego
Normalizacja między urządzeniami
I systemami technicznymi
Uwagi wstępne
Omawiana w tym punkcie normalizacja dotyczy osiągania stanu EMC między urządzeniami i systemami, który
umożliwia normalną ich pracę bez nadmiernych wzajemnych zakłóceń. Odrębną sprawą jest normalizacja EMC
związanego z bezpieczeństwem funkcjonalnym urządzeń i
systemów oraz EMC ze względu na oddziaływanie energii
elektromagnetycznej na człowieka.
Przy obecnym rozpowszechnieniu urządzeń elektrycznych i elektronicznych w wielu branżach występuje mnogość różnorodnych zagadnień związanych z EMC, na co
rzutuje też różnorodność zastosowań i znaczne zróżnicowanie warunków użytkowania. Stąd branże te i wiele związanych z nimi organizacji międzynarodowych jest obecnie w
sposób istotny zainteresowanych problemem EMC.
Gdyby wszędzie zaczęto oddzielnie rozpatrywać środki
zaradcze dla osiągnięcia kompatybilności i prowadzić prace
normalizacyjne, z natury rzeczy powstała by cała mozaika
podejść do w gruncie rzeczy tych samych zjawisk elektromagnetycznych, tylko występujących w różnych warunkach
i kombinacjach.
Jest tych zjawisk sporo, a stopień złożoności normalizacji dobrze oddaje przytoczona niżej klasyfikacja
systematyzująca rodzaje zaburzeń, które trzeba ograniczać
i na które trzeba urządzenia uodparniać [9].
Zjawiska w zakresie m.cz. rozchodzące się drogą
przewodową
• harmoniczne i interharmoniczne
• systemy sygnalizacji
• wahania napięcia
• zapady i przerwy napięcia
• asymetria napięcia
• zmiany częstotliwości napięcia zasilania
• indukowane napięcia m.cz.
• składowa stała w sieciach prądu przemiennego
Zjawiska w zakresie m.cz. Promieniowane
• pola magnetyczne
♦ ciągłe
♦ przejściowe (impulsowe)
• pola elektryczne
2
Zjawiska w zakresie w.cz. rozchodzące się drogą
przewodową
• bezpośrednio sprzężone lub indukowane napięcia
lub prądy
♦ fale ciągłe
♦ fale modulowane
• unipolarne stany przejściowe
pojedyncze lub powtarzające się (serie)
• oscylacyjne stany przejściowe
pojedyncze lub powtarzające się (serie)
Zjawiska w zakresie w.cz. promieniowane
• pola magnetyczne
• pola elektryczne
• pola elektromagnetyczne
♦ fale ciągłe
♦ fale modulowane
♦ stany przejściowe (pola impulsowe)
Zjawiska wyładowań elektrostatycznych ESD
Impuls elektromagnetyczny związany z wybuchem
nuklearnym na dużej wysokości HEMP
Takie podejście branżowe, powiązane jeszcze z różnicami w poszczególnych krajach, stanowiłoby zasadniczą
barierę dla handlu międzynarodowego. Stąd jedynym racjonalnym rozwiązaniem problemu normalizacji EMC jest podejście „scentralizowane”, wychwycenie cech wspólnych i
dopuszczenie różnorodności tylko w naprawdę uzasadnionych przypadkach. Przy tym musi to być działanie międzynarodowe.
Rola Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej
Koncepcja całościowego, scentralizowanego podejścia
do EMC, opartego na tworzących pewną hierarchię rodzajach publikacji (norm, specyfikacji i raportów technicznych)
została przygotowana przez Międzynarodową Komisję
Elektrotechniczną (patrz www.iec.ch ogólnie oraz na tej
stronie internetowej „EMC zone”), podstawową, światową
2
organizację normalizacyjną w zakresie elektryki . Dokumenty te to publikacje podstawowe (basic EMC publications), normy ogólne (generic EMC standards) oraz normy
grup wyrobów (product family standards) i normy wyrobu
(product standards). Są one opracowywane w komitetach
technicznych, które mają kontakty robocze lub oficjalne
związki z odpowiednimi profesjonalnymi organizacjami krajowymi, regionalnymi i międzynarodowymi. Na rysunku 2
pokazana jest organizacja prac EMC w IEC i jej związki ze
światem zewnętrznym.
Publikacje podstawowe, których część jest normami
międzynarodowymi, a część raportami technicznymi ustalają ogólne, podstawowe warunki i reguły niezbędne do osiągania stanu EMC. Są one z definicji niezwiązane z jakimkolwiek specyficznym wyrobem i mając zastosowanie do
wszystkich wyrobów, służą zainteresowanym komitetom
2
Członkami IEC są obecnie krajowe jednostki normalizacyjne z 63
krajów, które reprezentują ok. 80% ludności świata, wytwarzają i
zużywają ponad 95% energii elektrycznej i produkują o
odpowiednią część maszyn i urządzeń elektrycznych i
elektronicznych oraz realizują ponad 90% ich eksportu i importu.
technicznym IEC (około 50 komitetów i podkomitetów ma
zagadnienia EMC związane ze swoimi wyrobami) przygotowującym normy dotyczące wyrobu, nie dopuszczając do
różnorodności tam, gdzie jej być nie powinno.
Pierwotnym celem norm ogólnych było zapełnienie luki
wynikającej z braku norm EMC na wyroby, których
opracowanie przy wielości wyrobów jest zadaniem długotrwałym. W praktyce okazało się, że normy te mogą służyć
jako bardzo dobre odniesienie przy opracowywaniu wymagań EMC na wyroby (albo w postaci samodzielnej normy,
albo rozdziału w normie na wyrób) i w wielu przypadkach
komitety zajmujące się wyrobami przyjmują daną normę
ogólną bez żadnych modyfikacji jako swoją normę EMC.
Publikacje podstawowe oraz normy ogólne, ze względu
na swój szeroki zakres oddziaływania, są opracowywane w
3
komitetach technicznych, które mają tzw. funkcje poziome .
W naszym przypadku są to utworzony w 1973 r. Komitet
Techniczny TC77 „Kompatybilność Elektromagnetyczna”
oraz wspominany już wyżej, utworzony w 1934 r., CISPR.
Komitety te współpracują ze sobą i koordynują prace, które
się wzajemnie uzupełniają [8,9], oraz nawiązują kontakty z
odpowiednimi komitetami zajmującymi się wyrobami.
Publikacje podstawowe to przygotowana przez
IEC/TC77, składająca się z 7 części norma IEC 61000
Kompatybilność Elektromagnetyczna oraz opracowana
przez CISPR czteroczęściowa Publikacja CISPR-16 Wymagania na aparaturę do pomiarów zaburzeń i do badania odporności. Warto tu podać zawartość poszczególnych części tych publikacji. Norma 61000 ma następujące
części:
Część 1: Podstawowe zasady, bezpieczeństwo, definicje,
terminologia;
Część 2: Opis i klasyfikacja środowiska, poziomy
kompatybilności;
Część 3: Dopuszczalne poziomy emisji, minimalne poziomy
odporności (tylko dla przypadku kiedy nie zajmuje
się odpornością komitet wyrobu). Ta część nie jest
normą podstawową;
Część 4: Metody badań i pomiarów (emisji poniżej 9 kHz
oraz niektórych aspektów odporności w całym
zakresie częstotliwości);
Część 5: Wskazówki instalacyjne oraz metody i środki
zmniejszania zaburzeń i zwiększania odporności;
Część 6: Normy ogólne;
Części 7 i 8 pozostawiono na razie puste;
Część 9: różne.
Publikacja CISPR-16 ma części następujące (należy
mieć na uwadze, że CISPR zajmuje się częstotliwościami
radiowymi, tzn. powyżej 9 kHz):
Część 1: Wymagania na aparaturę do pomiarów zaburzeń i
do badania odporności;
Część 2: Metody pomiarów zaburzeń i badania odporności;
Część 3: Rozważania dotyczące statystyk skarg na
zakłócenia, określania dopuszczalnych poziomów
CISPR oraz różne raporty CISPR. Ta część jest
raportem technicznym;
Część 4: Niepewność w pomiarach i badaniach EMC.
3
Zgodnie z definicją w [7] funkcja pozioma jest to opracowywanie
zagadnień takich jak podstawowe zasady, koncepcje,
terminologia i charakterystyki techniczne, które odnoszą się do
szeregu komitetów technicznych.
3
Rys. 2. Organizacja prac w zakresie EMC w Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej
Normy ogólne określają zestaw istotnych wymagań i
procedur pomiarowych dla emisji oraz zestaw istotnych
wymagań i badań dla odporności wraz z uogólnionymi
kryteriami oceny działania dla urządzeń pracujących w
określonym środowisku4. Przy opracowywaniu norm
ogólnych przestrzega się następujących reguł:
wymagania i pomiary emisji oraz wymagania i badania
odporności opracowuje się w zasadzie w postaci
oddzielnych dokumentów;
nie podaje się szczegółów metod pomiarów i badań,
odwołując się do norm podstawowych;
uwzględnia się ograniczoną liczbę tylko tych
narażeń,które są istotne w danym środowisku i
wprowadza się minimalną ilość poziomów pomiarów i
badań (poziomów probierczych) taką, aby, przy
rozsądnie
dobranych
parametrach
technicznoekonomicznych, zapewnić stan kompatybilności.
Przyjęto, że celowe jest utworzenie norm ogólnych dla 2
typów środowiska. Jedno to środowisko mieszkalne, handlowe i lekko uprzemysłowione, a drugie to środowisko
przemysłowe. Przykładami bliżej określającymi pierwszy typ
są domy, wille, sklepy, supermarkety, biura, banki, kina, bary, stacje benzynowe, parkingi, centra sportowe, kompleksy
rozrywkowe. Przykładami drugiego typu mogą być miejsca
lokalizacji urządzeń przemysłowych, medycznych i nauko4
W zależności od wagi rozpatrywanego parametru urządzenia
przyjmuje się jedno z następujących trzech kryteriów:
− urządzenie ma pracować normalnie podczas i po zakończeniu
badania;
− urządzenie ma pracować normalnie po zakończeniu badania.
Podczas badania dopuszczalna jest pewna degradacja jego
zachowania się, którą określa producent i która ustępuje
samoczynnie;
− urządzenie może utracić czasowo zdolność funkcjonowania
podczas badania i po jego zakończeniu, pod warunkiem, że
powraca ona samoczynnie lub może być przywrócona przez
operatora.
wych, miejsca gdzie często są przełączane duże obciążenia
indukcyjne lub pojemnościowe, miejsca gdzie występują duże prądy i związane z nimi silne pola magnetyczne.
Publikacje podstawowe i normy ogólne tworzą uporządkowane ramy do działania komitetów zajmujących się
wyrobami. Przy opracowywaniu w tych komitetach norm
EMC na wyroby lub grupy wyrobów powinny one przestrzegać określonych reguł postępowania, które pozwalają
zachować jednolitość podejścia i uniknąć zbędnej różnorodności. Reguły te można streścić w następujących punktach:
a) należy uwzględniać wszystkie rodzaje zaburzeń, jakie
mogą wystąpić w środowisku pracy danego wyrobu i
związaną z tym odporność. Oczywiście należy brać pod
uwagę tylko narażenia rzeczywiście występujące,
wybierając je z palety wszystkich możliwych;
b) należy w maksymalnym stopniu uwzględniać normy
podstawowe, tzn.:
− odwoływać się do tych norm i nie podawać
szczegółowo metod badań i pomiarów;
− nie odchodzić od rozwiązań norm podstawowych, z
wyjątkiem szczególnych, uzasadnionych przypadków.
Gdy taki przypadek zdaniem komitetu wyrobu
występuje, sprawa powinna być skonsultowana z
Komitetem TC77 lub CISPR;
c) w żadnym przypadku nie wolno przyjmować poziomów
emisji wyższych, niż ustalone w normach ogólnych przez
IEC/TC77 i przez CISPR. Jest to ważne ze względu na
koordynację dopuszczalnych poziomów emisji i granicznych odporności, przy występowaniu w środowisku różnych urządzeń-źródeł zaburzeń;
d) komitety wyrobów w zasadzie mają swobodę w ustalaniu
wymagań na odporność i poziomy jej badania, ale
zdecydowanie zaleca się do badań stosować wartości
podane w normach podstawowych. Trzeba tu podkreślić,
że producenci chcą uważać odporność za cechę
jakościową urządzeń, związaną z niezawodnością i w
wielu krajach nie ustala się obowiązujących wymagań.
Wyjątek stanowią kraje Unii Europejskiej, gdzie słusznie
przyjęto, że emisja i odporność stanowią dwa aspekty
tego samego zagadnienia, które muszą być jedno-
4
cześnie normalizowane, jeżeli chcemy uzyskać rozsądne
rozwiązania techniczno-ekonomicznie;
e) należy brać pod uwagę odpowiednie normy ogólne i albo
bezpośrednio je wykorzystywać albo swoje rozwiązania
maksymalnie z nimi koordynować.
Warto w tym miejscu podkreślić, że stan kompatybilności sprawdzany w ustabilizowanych warunkach laboratoryjnych nie zawsze musi być osiągany w realnych warunkach użytkowania, które bywają bardzo różnorodne i z natury rzeczy nie mogą być dokładnie odtworzone w laboratorium. Stąd, uwzględniając rozkłady statystyczne, przyjmuje
się odpowiednie marginesy na ustalane w normach poziomy kompatybilności. Zagadnienia te są dobrze opisane w
normie podstawowej IEC 61000-1-1, która została przetłumaczona na język polski [10].
Ważną rolę kontrolną i koordynacyjną spełnia w tym
systemie Komitet Doradczy ds. Kompatybilności Elektromagnetycznej (ACEC) przy Komitecie Kierowniczym IEC (patrz
rys. 2), który monitoruje prace komitetów wyrobów, stanowi
forum dyskusji i uzgadniania poglądów oraz wypracowywania strategii działania [11].
Przedstawiona koncepcja normalizowania EMC przyjęta
w IEC pozwoliła na opracowanie w miarę przejrzystego systemu norm, który jednak jest bardzo rozbudowany i okazał
się dla przemysłu do stosowania dość skomplikowany.
Niestety, zjawiska brane tu pod uwagę są, jak to wyżej zostało pokazane, mocno złożone.
Dla
pełnego
obrazu
w
zakresie
problemów
kompatybilności związanych z energetyką, należy tu
wymienić znane od dawna zagadnienie wpływu linii i
urządzeń energetycznych na systemy telekomunikacyjne.
W ramach Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego ITU problemami ich ochrony przed wynikającymi
stąd zakłóceniami zajmuje się Sektor Normalizacji ITU-T
(dawniej Międzynarodowy Doradczy Komitet Telefoniczny i
Telegraficzny CCITT), który opracował szereg ukierunkowanych Zaleceń [patrz ITU-T na stronie www.itu.int],
wykorzystując przy tym Publikacje IEC.
Normalizacja w Europie
Normalizacja w zakresie elektryki w Europie jest prowadzona przez powstały w 1973 r. Europejski Komitet Normalizacyjny Elektrotechniki CENELEC (www.cenelec.org). Jest
on oficjalnie uznany przez Radę UE za europejską organizację normalizacyjną i rezultaty jego prac, w postaci norm
EN, dokumentów harmonizacyjnych HD, specyfikacji i raportów technicznych, wykorzystywane są przy kreowaniu
Wspólnego Rynku, jako jedno z narzędzi znoszenia barier
w obrocie towarowym, a w przypadku norm dotyczących
EMC także ochrony środowiska elektromagnetycznego.
CENELEC obecnie grupuje 27 krajów członkowskich i 8
krajów afiliowanych.
Normy europejskie EN w maksymalnym stopniu odwzorowują normy światowe opracowywane przez IEC. Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna i CENELEC, który
jest organizacją regionalną, pracują na różnych poziomach,
ale istnieje tu pełna świadomość potrzeby unifikacji globalnej w dobie globalnej gospodarki. Nie można tworzyć
„fortecy Europa”, trzeba móc konkurować w skali światowej.
Mając to na uwadze IEC i CENELEC podpisały w 1996 r.
tzw. „Umowę Drezdeńską” [12] o wspólnym planowaniu
nowych prac i równoległym głosowaniu nad projektami. W
ten sposób normy europejskie albo są identyczne z normami IEC, albo czasem zawierają pewne różnice, kiedy jest
to specjalnie uzasadnione regionalnie. Mogą także wystąpić
przypadki, kiedy z punktu widzenia interesów regionalnych
normalizacja w IEC postępuje zbyt wolno. CENELEC opra-
cowuje wtedy projekt normy europejskiej, ale zawsze podejmuje się jednocześnie starania, aby uczynić z niego również projekt IEC.
Należy pamiętać, że normy IEC są tylko zaleceniami,
reprezentującymi uzgodniony pogląd światowy oraz na ogół
wysoki poziom i mogą one służyć jako swego rodzaju odniesienie. Uzyskują one inny status gdy są wprowadzane
do systemu prawnego jakiegoś kraju, ale jest to proces
całkowicie dobrowolny.
W UE stosowanie norm jest dobrowolne, ale obowiązuje
wprowadzenie norm europejskich do zbioru norm w poszczególnych krajach oraz wycofanie norm krajowych
sprzecznych z nimi. Jednocześnie dla szeregu dziedzin (np.
EMC czy ochrona środowiska) wprowadzono dyrektywy,
formułujące tzw. wymagania zasadnicze, którym wyroby
muszą odpowiadać. Przyjmuje się, że spełnienie wymagań
norm EN zapewnia spełnienie tych wymagań zasadniczych.
Odpowiednie normy ogólne i normy wyrobu, zapewniające
to, są ogłaszane w Dzienniku Urzędowym Wspólnot
Europejskich OJEC jako tzw. normy zharmonizowane (jest
ich obecnie w zakresie elektryki w sumie ponad 800 i dotyczą one 15 dyrektyw).
Wracając do EMC należy stwierdzić, że system norm
europejskich podstawowych i ogólnych, przygotowywanych
w CLC TC/210 Kompatybilność Elektromagnetyczna,
który ma funkcje poziome, oraz norm wyrobu, które są
przygotowywane w odpowiednich komitetach wyrobów,
odwzorowuje system norm IEC (z podanymi wyżej
zastrzeżeniami). Normy te są wprowadzane w poszczególnych krajach Unii jako normy krajowe i szereg z nich,
ogłoszonych w OJEC, stanowi podstawę do sprawdzania
zgodności z wymaganiami Dyrektywy dotyczącej EMC [13].
Stosunkowo duża liczba wymaganych w normach
badań i pomiarów powoduje kłopoty w przemyśle, gdzie
często brakuje orientacji, które z nich są ważne dla danego
wyrobu. Dlatego też CENELEC wydał poradnik stosowania
norm [14] i zrobiła to też Komisja Europejska [15]. Ponadto,
po pewnym okresie doświadczeń w stosowaniu Dyrektywy,
przygotowano i ogłoszono projekt jej nowelizacji [16], który
jednak będzie przyjęty nie wcześniej niż w 2006 r. Na razie
zbierane są opinie i prowadzone analizy [17].
Normy w zakresie telekomunikacji (lub bardziej ogólnie
mówiąc, jak to obecnie jest już przyjęte, w zakresie komunikacji elektronicznej) są w Europie przygotowywane przez
drugą oficjalnie uznaną przez Radę UE organizację
normalizacyjną, jaką jest powołany w 1988 r. Europejski
Instytut Norm Telekomunikacyjnych ETSI (www.etsi.org).
Zajmuje się on zagadnieniami EMC w dwu aspektach:
problemami EMC na skutek niepożądanych promieniowań
ubocznych od urządzeń komunikacji elektronicznej oraz
problemami EMC pomiędzy urządzeniami i systemami w
obszarze celowego promieniowania energii elektromagnetycznej (gospodarka widmem częstotliwości radiowych i
celowe dobieranie parametrów urządzeń z punktu widzenia
niezakłócania się nawzajem). Normy w zakresie EMC są w
gestii Komitetu Technicznego „EMC i Zagadnienia Radiowe” (TC ERM), który ma w ETSI funkcje poziome i reprezentuje też jednolite stanowisko ETSI w zagadnieniach
EMC na zewnątrz. Przy opracowywaniu norm proponowane
rozwiązania są koordynowane w tym przypadku przede
wszystkim z Międzynarodowym Związkiem Telekomunikacyjnym ITU (www.itu.int) oraz Europejską Konferencją
Administracji Pocztowych i Telekomunikacyjnych CEPT
(www.cept.org oraz www.ero.dk ).
Aby przy tak obszernym polu działania CENELEC i
ETSI nie utracić jednolitości podejścia utworzono przy Komitecie CLC TC/210 specjalną Grupę Przeglądu Norm SOG
(Standards Overview Group) [18]. Do Grupy tej trafiają
projekty norm EN z zakresu EMC, przygotowywane przez
5
komitety wyrobów. Grupa doradza, ocenia projekty oraz
dysponuje prawem wstrzymania wysłania projektu w
przedstawionej postaci do głosowania. Ponadto, Grupa ta
przygotowuje ostateczne uzasadnienie publikowania normy
w OJEC jako europejskiej normy zharmonizowanej.
Normalizacja w Polsce
Normalizacja w Polsce w dziedzinie EMC rozpoczęła się już
przed drugą wojną światową. Przed 1939 rokiem powstała
norma dotycząca dopuszczalnych poziomów zaburzeń
radioelektrycznych (jak wówczas mówiono) w odbiorze radiowym. Po wojnie prace normalizacyjne były kontynuowane i przyjmowane normy były zgodne z zaleceniami międzynarodowymi IEC. Dotyczyły one szerokiego wachlarza zagadnień takich jak dopuszczalne poziomy zakłóceń od różnego rodzaju urządzeń, aparatura pomiarowa, metody pomiarów, filtry przeciwzakłóceniowe. W systemie prawnym
obowiązującym przed 1989 rokiem normy te były dokumentami obowiązującymi.
Sytuacja w latach następnych uległa zmianie. Idąc za
ogólnym trendem przyjęto w 1993 r. nową ustawę o normalizacji, zgodnie z którą stosowanie norm stało się dobrowolne (obecnie obowiązuje znowelizowana ustawa z
2002 r.) i w tych warunkach podjął normalizację w zakresie
EMC Komitet Techniczny nr 104 ds. Kompatybilności
Elektromagnetycznej. Komitet ten powstał w 1994 r. i jego
zakres tematyczny obejmuje zagadnienia kompatybilności
między urządzeniami i systemami technicznymi oraz zagadnienia techniczne w obszarze oddziaływania pól elektromagnetycznych na organizmy żywe, tzn. szeroko rozumiane metody pomiarów wielkości elektrycznych i magnetycznych i ich efektów.
Istotne i narastające obecnie szybko zagadnienie
bezpieczeństwa funkcjonalnego ze względu na EMC (o
którym mowa niżej w oddzielnym punkcie) nie jest w gestii
ani tego Komitetu, ani też explicite w gestii Komitetu zajmującego się bezpieczeństwem urządzeń. Jest tu niepokojąca
luka, która zresztą występuje nie tylko w Polsce.
Od początku swego istnienia Komitet założył jako cel
strategiczny przyjmowanie w Polsce norm międzynarodowych i norm europejskich EN, przygotowywanych przez
CENELEC i ETSI. Dzięki temu nie było zaległości w ilości
przyjętych w kraju norm, niezbędnej do uzyskania od
1.01.2004 r. członkostwa CENELEC i wstąpienia do Unii
Europejskiej.
Informacje o Komitecie oraz normach do tej pory
ustanowionych (zarówno tłumaczonych jak i przyjętych metodą uznania) można znaleźć na stronie internetowej PKN,
www.pkn.com.pl.
Jednym z ważnych zadań Komitetu 104, jakie powinien
spełniać, a dotąd formalnie nie spełnia, jest realizacja funkcji poziomej, takiej, jaką ma opisany wyżej Komitet 210
CENELEC. Wprawdzie w Polsce normy wyrobu nie są w
komitetach wyrobów tworzone, tylko tłumaczone, tym niemniej dotychczasowe wyrywkowe doświadczenie pokazuje,
że funkcja pozioma jest bardzo potrzebna dla utrzymania
jednolitości terminologicznej i poprawności technicznej tekstów dotyczących EMC. Komitety wyrobów nie muszą posiadać (i z natury rzeczy na ogół nie posiadają) wiedzy z zakresu EMC i stąd potrzeba współpracy. Istnieje jedynie
ograniczona liczba specjalistów od EMC (i to tylko w niektórych branżach związanych z elektryką), którzy mogą ob.służyć normalizację tych skomplikowanych zjawisk.
Wpływ środowiska elektromagnetycznego
na bezpieczeństwo funkcjonalne
Bezpieczeństwo użytkowania urządzeń jest dziedziną
znaną od dawna, można powiedzeć historyczną. W począt-
kach, kiedy urządzenia były obsługiwane ręcznie, a następnie sterowane mechanicznie zagadnienia były stosunkowo
proste. Sprawa zaczęła się komplikować, kiedy weszły w
użytkowanie elementy hydrauliczne (wpływ temperatury,
zapylenia) i elementy elektryczne (możliwość porażenia
prądem), a doszła zupełnie nowa jakość, kiedy w sterowaniu, kontroli czy zabezpieczeniach zaczęto stosować
elektronikę i oprogramowanie.
Skomplikowanie układów elektronicznych i złożoność
ich reakcji na wpływy różnych czynników środowiskowych
wywołały potrzebę drobiazgowych analiz ich pracy i zachowania się, w celu sprawdzenia czy zachowane jest bezpieczeństwo funkcjonalne przy różnego rodzaju awariach,
uszkodzeniach i ewentualnych fałszywych zadziałaniach,
wywołanych czynnikami środowiskowymi, czy też przez
obsługę.
Uporządkowanie podejścia do zagadnienia było dość
wolne i dopiero w 1998 r. ukazały się pierwsze części
siedmioczęściowej normy IEC 61508 Bezpieczeństwo
systemów elektrycznych, elektronicznych, programowanych elektronicznych, związanych z bezpieczeństwem [19] (całość była dostępna w 2000 r.). Jest to
norma podstawowa, która podaje metody analizy ryzyka w
świetle stawianych systemom celów i w ten sposób dochodzenia do wymagań, jakie powinny one spełniać we wszystkich warunkach – normalnych i skrajnych, powodowanych
przez różne narażenia, w tym elektromagnetyczne. Norma
systematyzuje podejście i metodykę, natomiast nie daje
żadnych wartości liczbowych (patrz też IEC IN ACTION –
Functional safety na stronie www.iec.ch ).
Zawężając zagadnienie do EMC, oddziaływanie środowiska elektromagnetycznego może prowadzić do nieprawidłowości w pracy elektroniki, a nawet fizycznych jej uszkodzeń i w konsekwencji do błędów w działaniu oprogramowania. Może to wywoływać stany niebezpieczne dla
obsługującego człowieka, czy dla środowiska (przy ewentualnych znacznych zagrożeniach grupowych).
Przykładami takich sytuacji mogą być:
− wypadek w stalowni [20]. Promieniowanie przenośnego
radiotelefonu zakłóciło pracę mikroprocesorowego
sterownika dźwignicy przenoszącej kadź z ciekłą stalą.
Przedwczesne otwarcie kadzi spowodowało śmierć
jednego robotnika i poważne obrażenia czterech innych;
− wypadek w fabryce [21]. Stany przejściowe w zasilaniu
spowodowały nieprawidłowe działanie mikroprocesorowe
go sterownika zaworu, który dokonał nieplanowego jego
otwarcia. Skutkiem był niebezpieczny wyciek chloru do
otoczenia;
− wypadki
wózków
inwalidzkich
[22].
Pole
elektromagnetyczne o natężeniu 5 V/m powodowało
samoczynne
uruchamianie
jazdy
sterowanych
elektronicznie wózków z napędem elektrycznym.
Doprowadzało to do zranień osób ich używających.
Trzeba stwierdzić, że problem EMC w bezpieczeństwie
funkcjonalnym jakościowo nie różni się od problemu EMC w
ogóle, tak, że można tu posługiwać się istniejącymi normami jeśli chodzi o metody badań i pomiarów. Oddzielnym zagadnieniem jest w poszczególnych przypadkach zestaw narażeń i wymagane ich poziomy, na jakie system ma być odporny.
Sprawa nie jest trywialna i pierwsze wskazówki w tym
zakresie przygotował w IEC omawiany już wcześniej Komitet Techniczny TC77 dopiero w 2001 r. w postaci jeszcze
nie normy, a Specyfikacji Technicznej IEC 61000-1-2
6
Kompatybilność elektromagnetyczna, Część 1-2: Zagadnienia ogólne – Metodologia osiągania bezpieczeństwa funkcjonalnego urządzeń elektrycznych i elektronicznych w odniesieniu do zjawisk elektromagnetycznych.
Regulacje i normy w poszczególnych krajach, w tym i w
Polsce, jak dotąd nie uwzględniają bezpieczeństwa funkcjonalnego ze względu na EMC. Prowadzi to do zwiększonego
ryzyka sytuacji niebezpiecznych dla użytkowników (i ewentualnie osób trzecich) oraz ryzyka strat finansowych i utraty
rynku dla dostawców sprzętu przy awariach i wystąpieniach
o odszkodowania. Zagadnienie zostało systematycznie
podjęte w Wielkiej Brytanii przez Stowarzyszenie Inżynierów Elektryków IEE, które przygotowało obszerne opracowanie, rodzaj memorandum, dostępne bezpłatnie w internecie [21] oraz w USA, gdzie Stowarzyszenie IEEE
powołało Sekcję Inżynierii Bezpieczeństwa Wyrobów, [23],
(http://ewh.ieee.org/soc/pses/)
Sprawa jest trudna. Wbudowanie w urządzenia i systemy odpowiedniej odporności na zjawiska elektromagnetyczne, zapewniającej bezpieczeństwo funkcjonalne, sporo
kosztuje, a producenci nie zawsze mają pełną świadomość
tego, że jest to konieczne i nie zawsze są skłonni ponosić
zwiększone koszty. Wygląda, że dopiero obowiązujące
przepisy oraz normy i ich egzekwowanie skłonią ich do
tego. Sytuacja jest dobrze opisana w artykule K. Armstronga [24], skąd wzięty został rys 3, obrazujący rosnące
problemy.
Sporym utrudnieniem jest fakt, że dla specjalistów
zajmujących się „tradycyjnym” bezpieczeństwem narażenia
elektromagnetyczne i EMC stanowią zupełnie nowy problem, z którym wcześniej się nie stykali. Prowadzi to do
pewnego niedoceniania w tych kręgach znaczenia braku
EMC i potrzebna jest stała współpraca specjalistów EMC,
którzy muszą wczuć się w problematykę bezpieczeństwa i
specjalistów bezpieczeństwa, którzy muszą przyswoić sobie
pewną wiedzę w zakresie EMC.
Warto w tym miejscu też wspomnieć kwestię personelu
zajmującego się instalacją, konserwacją i naprawami. Zwykle nie są to fachowcy od bezpieczeństwa funkcjonalnego
oraz EMC i mogą być im obce istotne problemy właściwego
docisku ekranów, specjalnych uziemień, które na pierwszy
rzut oka mogą wydawać się zbędne, właściwego łączenia
ekranów kabli itd., itd. Niewłaściwe postępowanie po prostu
może zniweczyć dobrze zaprojektowane przez producenta
bezpieczeństwo funkcjonalne.
Rys. 3. Rosnące problemy bezpieczeństwa funkcjonalnego ze względu na EMC [wg 24]
7
Podsumowanie
Coraz szersze stosowanie urządzeń i systemów elektronicznych w różnych dziedzinach naszego życia, także w
energetyce, powoduje, że kompatybilność elektromagnetyczna stała się bardzo poważnym problemem. Zapewnienie stanu kompatybilności w zakresie m.cz. i w.cz. wręcz
warunkuje możliwości dalszego rozwoju. Stąd istotna jest
normalizacja skoordynowana w skali światowej, tym bardziej niezbędna w obliczu procesów globalizacyjnych. Ramy takiej normalizacji są stworzone i proces trwa.
Na zakończenie warto dodać, że jednym z zagadnień
EMC stał się problem terroryzmu elektromagnetycznego
[25]. – problem dawniej nieznany, kiedy nie zależeliśmy w
sposób tak istotny od tylu urządzeń i systemów elektronicznych. Przykładami prawie całkowitej naszej zależności
od prawidłowego działania elektroniki mogą być banki,
energetyka, transport, szpitale.
Atakowanie elektromagnetyczne tych systemów przez
generowanie silnego impulsu jest obecnie technicznie możliwe już bez odwoływania się do wybuchu jądrowego w atmosferze [26] i zagrożenie jest realne, a najbardziej odpowiednimi specjalistami do zajęcia się sprawą metod ochrony są eksperci EMC, którzy mają odpowiednie doświadczenie w rozpatrywaniu niepożądanych zjawisk elektromagnetycznych, obojętne niecelowych (przypadkowych) czy też
generowanych celowo.
Zagadnienie jest ważne i problematyką tą zajmuje się
podkomitet IEC/SC77C „Zjawiska przejściowe dużej mocy”.
Przygotowuje on odpowiednie normy, które są także przyjmowane przez CENELEC. Szereg tych norm już uznano za
Polskie Normy, a następne są w trakcie przygotowania w
KT104 PKN.
Odrębną sprawą jest zagadnienie broni elektromagnetycznych, nad którymi systematycznie się pracuje [27], ale
ten temat wykracza poza ramy referatu.
Autor pragnie podziękować prof. Andrzejowi Piłatowiczowi,
który zechciał przejrzeć wstępny tekst referatu i podzielić się
swoimi uwagami.
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
LITERATURA
[1] W. Moroń, Kompatybilność elektromagnetyczna, Część I. Co
to jest i dlaczego jest ona ważna?, Normalizacja, 71(2003),
n.7, Część II. Działalność normalizacyjna, n.8
[2] ITU Radio Regulations, Edition 2001
[3] Dinger, Radio Frequency Interference Measurements and
Standards, Proc. IRE, No 2, 1984
[4] DOD Directive No 3222.3, Section III, July 21, 1967
[5] IEC 60050-161 (1990-09), International Electrotechnical
Vocabulary, Chapter 161: Electromagnetic Compatibility
[6] IEC Technical Information: Electromagnetic Compatibility,
1997
[24]
[25]
[26]
[27]
IEC Guide 108: The relationship between technical committees with horizontal functions and product committees and
the use of basic publications, 1994-09
IEC SMB/2727/R, TC77 Strategic Policy Statement, 2003
IEC SMB/2729/R, CISPR Strategic Policy Statement, 2003
PN-T-01030:1996/A1, 01.1999, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Terminologia (zmiana A1). [opracowane na
podstawie IEC Publication 61000, Part 1: General, Section 1:
Application and interpretation of fundamental definitions and
terms
IEC CA/2143, 2001-11-30, Terms of Reference, Composition,
Working Methods and Rules of Procedures of the Advisory
Committee on Electromagnetic Compatibility
CENELEC Guide no 13, 01.2001, IEC – CENELEC Agreement on Common planning of new work and parallel voting
EU Directive 89/336/EEC of 3 May 1989 on the Approximation of the Laws of the Member States Relating to Electromagnetic Compatibility, amended by Directives 91/263/EEC,
92/31/EEC, 93/68/EEC, 93/97/EEC
CENELEC Guide no 25, 07.2001, Guide on the use of Standards for the implementation of the EMC Directive
Guidelines on the application of the Directive 89/336/EEC,
European Commission, DG Enterprise, 2003
COM(2002)759 final, 23.12.2002, Proposal for a Directive of
the Council on the approximation of the laws of the Member
States relating to electromagnetic compatibility
Cost Benefit Analysis on the Draft Amendment of the EC
Directive on EMC, Final Report prepared for EC DG Enterprise, Risk % Policy Analysts Ltd, 01.2002
CENELEC Report R10-009 (11.2001), Operation, composition and terms of reference of Standards Overview Group of
CLC/TC210 “EMC”
IEC 61508, Functional safety of electrical, electronic, programmable electronic safety-related systems, Part 1 – 7
White D. et al., Taming EMI in microprocessor systems, IEEE
Spectrum, December 1985
IEE Guidance Document on EMC and Functional Safety,
(dostępne pod adresem www.iee.org/Policy/Areas/Electro/ )
Electronic Systems Failures and Anomalies Attributed to
Electromagnetic Interference, Nasa Reference Publication
1374, July 1995
Armstrong K., EMC-related functional safety,
artykuł dostępny pod adresem:
www.compliance-club.com/KeithArmstrongPortfolio.htm
Poulson T. , Society No. 38: Product Safety Engineering,
IEEE, The Institute, 28 March 2004
Gardner R.L., EM terrorism – A Real Danger (Plenary paper),
th
14 Wroclaw Symposium and Exhibition on EMC, June 1998
Electromagnetic Terrorism and Adverse Effects of High
th
Power EM (HPE) Environments, Workshop W4, 13 Zurich
Symposium and Exhibition on EMC, February 1999
Abrams M., Dawn of the E-bomb, IEEE Spectrum, 40 (2003),
n.11, 24-30
________________
Autor: mgr inż. Władysław Moroń, doradca, Urząd Regulacji Telekomunikacji i Poczty, ul. Kasprzaka 18/20, 01-211 Warszawa,
E-mail: [email protected]
8