Elektromagnetická kompatibilita pro každého

Elektromagnetická kompatibilita (EMC) je v očích netechnické, ale i technické veřejnosti záhadný pojem. Málokdo si totiž dokáže představit, co to vlastně je a i když se přímo setkal s přímými projevy elektromagnetické kompatibility, nebo spíše nekompatibility. Někoho překvapí, že se nejedná o "výmysl Bruselu" za účelem tahání peněz výrobců za zbytečné zkoušky, ale o nepříjemnou realitu.

Elektromagnetická kompatibilita je známa jako samostatný vědecký obor ze 70. let 20. století. Vznikla v tehdy technicky nejvyspělejší zemi - USA, a to v oblasti vojenské a kosmické techniky. Největší potíže se projevily právě v těchto oblastech, protože armáda měla vždy nejvyspělejší technologie, které byly umístěny v malých prostorech raket, letadel apod. Protože elektronika se stala běžnou součástí civilního života, potíže, které měli kdysi vojáci, mají i civilisté.

Pro ilustraci uvádím některé zkrácené příklady zajímavých událostí, jak byly popsány v literatuře; jedná se především o NASA ve spolupráci s FAA (Federální úřad pro letectví USA) a FDA (Federální úřad pro kontrolu potravin a léčiv USA). Tyto instituce zpracovávají rozsáhlé databáze incidentů, které dále vyhodnocují.

Následuje výběr ze zajímavých událostí [1]:

• V polovině 70. let vyvinula automobilka Volkswagen počítačem řízený systém vstřikování paliva. V Evropě fungoval naprosto spolehlivě, ale v Severní Americe se na něm velmi často projevovaly naprosto nepochopitelné závady. Důvodem bylo použití zesilovačů amatérských radiostanic, které interferovaly s řídicí jednotkou vstřikovače.
  
  
• V roce 1967 na letadlové lodi USS Forrestal u Vietnamu došlo vlivem radarového signálu k samovolnému spuštění palubních zbraní letadla na palubě. Důsledkem byla smrt 134 námořníků.
  
  
• V roce 1982 zahynulo 22 členů posádek celkem pěti (!) vrtulníků UH-60 Blackhawk při pádu strojů po selhání elektroniky v blízkostí vysílače místní radiostanice.
  
  
• Zničení stíhačky NATO typu Tornado. Příčinou katastrofy bylo rušení elektronického řídicího systému letadla elektromagnetickým vlněním. Šestého července 1984 letadlo letělo ve výšce 230 m rychlostí 800 km/h nad vysílačem velkého výkonu v Holkirchenu u Mnichova. V důsledku selhání automatického systému řízení se letadlo zřítilo.
  
  
• Havárie v hutích na východním pobřeží v USA v letech 1983. Příčinou bylo rušení příruční vysokofrekvenční vysílačkou mikroprocesorového systému řízení jeřábu přenášejícího licí pánev s tekutou ocelí. Licí pánev se předčasně převrhla a rozžhavený kov zabil na místě jednoho dělníka a vážně zranil další čtyři.
  
  
• V roce 1985 na orbitální stanici Spacelab posádka při zapnutí vysavače způsobila napěťový impulz, který vyřadil z provozu systém dálkového přenosu dat. Pikantní bylo to, že použitý vysavač nebyl testován na EMC, a přesto se ocitl na palubě.
  
  
• Potopení britského křižníku Sheffield během falklandské války. Příčinou byla neadekvátní EMC mezi detekčním systémem letadla, radarem a palubním vysílačem lodi. Detekční systém letadla byl zahlcen rádiovým rušením (jam) od silného signálu vysílaného vysílačem lodi. Výsledkem bylo samovolné odpálení rakety Argentine Exocet z letadla, která potopila křižník. Dvacet lidí přišlo o život.
  
  
• Meteorologické satelity NOAA-11 a NOAA-12 v roce 1991 byly vlivem vysokofrekvenčního rušení napadeny a řízeny (phantom commands) falešnými příkazy, které vážně narušily jejich úkoly. Satelit NOAA-12 byl prakticky nefunkční při přeletu nad Evropou, která vyzařuje silné vysokofrekvenční pole. Naštěstí se řídicímu středisku podařilo falešné řídicí pokyny eliminovat.
  
  
• Havárie rakety Persching II v SRN v důsledku elektrostatického výboje. Při převozu byla raketa neúmyslně odpálena elektrostatickou elektřinou. Tento případ byl šokujícím pro odborníky i proto, že právě tento typ rakety byl při speciálních zkouškách testován na odolnost vůči účinkům blesku s proudovými pulzy až do 200 kA.
  
  
• 17. června 1996 se nedaleko pobřeží zřítil do oceánu Boeing 747-131, let č. 800, s 230 cestujícími na palubě. Jedna z hypotéz o příčině zřícení bylo použití rakety země-vzduch nějakou teroristickou organizací. Vyšetřováním se zjistilo, že příčinou výbuchu byl elektrostatický výboj v palivové nádrži. Vlivem nešťastné shody okolností, především použitím klimatizace po dobu dvou hodin stání letadla na letišti, které způsobilo zvýšení teploty v palivových nádržích, a tím zvýšený vznik výbušných par a náhodného elektrostatického výboje na jedné z neuzemněných částí centrální palivové nádrže na křídle, došlo k výbuchu a zničení letadla. Nepřežilo všech 230 cestujících.

Federální úřad pro letectví USA (FAA) v dubnu 1997 zveřejnil závěry sledování příčin explozí palivových nádrží v nebojových podmínkách [2]. Od roku 1959 elektrostatický výboj způsobil prokazatelně čtyři ze 14 nehod v civilní oblasti.

Jsou to tyto případy:

1. V roce 1964 došlo k explozi palivové nádrže při čerpání paliva do letadla B727. Paradoxně k výbuchu došlo při smíšení CO₂ a výparů paliva. Elektrostatický výboj zcela ignoroval fakt, že se plyn CO₂ používá právě k zabránění výbuchu. Jeden pracovník byl usmrcen.
   
   
2. V roce 1968 další letadlo B727 utrpělo drobné poškození křídla při menším výbuchu palivových par. Elektrostatický výboj byl způsoben příliš velkou rychlostí proudění přečerpávaného paliva.
   
   
3. Podobný případ se stal v roce 1971, kdy byl elektrostatický výboj způsoben příliš rychlou výměnou nářadí a zařízení určených pro čerpání paliva.
   
   
4. Ironií osudu může být případ z roku 1989, kde Beechjet 400 byl mírně poškozen výbuchem palivových par způsobených elektrostatickým výbojem v palivové nádrži. Elektrostatický výboj vznikl na polyuretanové pěně, která se umisťuje do palivových nádrží pro snížení rizika výbuchu.

Zcela samostatnou kapitolou jsou přístroje donesené cestujícími na paluby letedel. Od roku 1986 do roku 1993 zaznamenal Federální úřad pro letectví USA (FAA) 46 798 událostí týkajících se letové bezpečnosti. Toto číslo vypadá hrozivě, ale zahrnuje události od incidentů s opilými cestujícími až k haváriím. Zcela prokazatelně došlo k 29 událostem způsobeným problémy s EMC donesených zařízení a s palubními systémy. Některé z nich byli velmi vážné.

Následující tabulka ukazuje podrobnosti:

Další příklady jsou domácího původu:

• Havarijní stav v důsledku velké poruchovosti a výpadků pohonů odstředivek během cukrovarnické kampaně v cukrovaru Mělník. V cukrovaru byly v rámci modernizace instalovány odstředivky obsahující tyristorové měniče o výkonu 200 kW místo klasických rotačních pohonů. Po připojení pohonů přes transformátory 22/0,4 kV na napájecí síť 22 kV došlo k takovému kolísání a deformacím napájecího napětí, že nastal skupinový výpadek měničů ochranou ztráty napětí. Přitom toto prudké zhoršení kvality napájecí sítě vyvolaly vlastně samy měniče, které podle dosavadních zvyklostí byly připojeny na síť přímo bez potřebné filtrace a kompenzace.
  
  
• Ztráta rádiového spojení mezi vysílači a přijímači na lodích (remorkérech) Labské plavby a v dolech na Ostravsku. Zde docházelo k velmi intenzivnímu rušení, které naprosto znemožňovalo příjem a vysílání. Kromě toho, v dolech narušilo i funkci automatického havarijního vypínání kombajnu. Zdrojem rušení v dolech byl tyristorový měnič (střídač), který je částí pohonu kombajnu, a na lodích mikroprocesorový řídicí systém obsahující tranzistorové výkonové napáječe.
  
  
• Rušení elektrokardiografu. V poliklinice ve středu Prahy ručička zapisovače EKG občas dostávala tak silné škubání, že to zcela znemožňovalo natočení záznamu EKG. Po zatlumení přístroje odrušovacími prostředky byl natočen záznam morseovky. Z volací značky se ukázalo, že je to krátkovlnné vysílání ministerstva dopravy, které mělo anténu 150 m od polikliniky. Nerušený záznam byl dosažen až po kompletním odstínění místnosti EKG a použití jiného elektrokardiografu, odolného proti vf rušení.
  
  
• Impulzní rušení v nemocnici. V nemocnici v Praze na jednotce intenzivní péče měla souprava neustále monitorovat dech, tep a teplotu připojených pacientů, avšak spínání okolních výkonových spotřebičů vyvolávalo v kardioskopu přídavné pulzy, které se vyhodnocovaly jako nesynchronní tep srdce. Navíc vadný startér zářivkového svítidla poblíž jednotky, který spínal každou sekundu, vyvolával trvale hlášení překročení meze tepů a blokoval měření. Celá věc skončila tím, že souprava vzhledem k její naprosté neodolnosti vůči rušení musela být vyměněna za systém od jiného výrobce.

Prostředí nemocnic je také velmi zajímavé, zde se totiž nacházejí velmi citlivé přístroje. Od roku 1979 do 1993 FDA zaznamenal prokazatelných 91 vážných událostí způsobených nedostatečnou EMC lékařských přístrojů [1]. Z toho šest případů skončilo smrtí pacienta. Za velmi smutný lze považovat případ pacienta s infarktem, který zemřel při převozu do nemocnice, protože vysílačka v sanitním voze způsobila výpadek monitoru-defibrilátoru.

V České republice se množí případy osob s kardiostimulátory, které mají bolestivé problémy a pociťují změny chodu kardiostimulátoru v blízkosti mobilních telefonů. K těmto jevům dochází zejména v městské hromadné dopravě, kde se v tlačenici mobilní telefony jiných cestujících dostávají do blízkosti lékařských implantátů. Tento problém je zajímavý ze dvou důvodů:

• Míra citlivosti na vnější elektromagnetické pole je dána především konfigurací elektrod v těle (smyčky), což může ovlivnit operující lékař. Potíž je v tom, že lékaři jsou většinou prakticky elektrotechnicky a technicky negramotní, takže lze pochybovat o tom, že by něco věděli o zásadách EMC... (Upozorňuji, že tím nenapadám medicínskou odbornost lékařů).
  
  
• Potíže pacientů jsou zpochybňovány a úřady se nechtějí zabývat tímto problémem, protože "dosud nedošlo k prokazatelnému úmrtí způsobeného EMC". Tento postoj nepřekvapuje, u nás je totiž pacient stále druhořadý občan.

Naštěstí vznikla občanská iniciativa, která se snaží (s dílčími úspěchy) tento problém řešit. Kdo se chce dozvědět více, může se informovat u autora tohoto článku.

Velice zajímavý je pohled na problémy EMC z hlediska hospodářského - vlády států za velké peníze prodaly kmitočtové spektrum nadnárodním společnostem, ale neposkytly odpovídající ochranu občanům. Velkým problémem jsou tak mobilní telefony, které zamořují elektromagnetické prostředí - dokážete si představit, jak mobilní operátoři a výrobci mobilních přístrojů budou snižovat vysílací výkony a měnit konstrukci přístrojů? Je to představa stejně naivní, jako je například snížení průmyslových emisí a zastavení kácení deštných pralesů.

Až někdy bude váš život záviset na elektronických zařízeních, například v nemocnici nebo při jízdě vlakem, vzpomeňte si na elektromagnetickou kompatibilitu. Je všude kolem nás a stále čeká na příležitost.

Literatura:

[1] Electronic System Failures and Anomalies Attributed to Electromagnetic Interference, R. D. Leach, M. B. Alexander, NASA Reference Publication 1374, July 1995
[2] ESD in the Sky: Keeping Static Grounded, Stan Abrams, Compliance Engineering, September/October 1997