Электромагнитная совместимость

ЭДС, наводимая в контуре внешним магнитным полем с напряженностью H, определится в соответствии с законом электромагнитной индукции:

e(t) = S0dH/dt.

В том случае, когда падение напряжения на индуктивности конура от вызванного действия этой ЭДС тока i больше падения напряжения на сопротивление R, т.е. Ldi/iR, изменение тока по времени, а следовательно, и наведенное напряжение на R повторяют изменения влияющего магнитного поля, нормального к плоскости витка. Если, наоборот, основания доля напряжения приходится на сопротивление R, то наведенный ток i(t) = S0dH/dt*(1/R) и соответственно напряжение на R ,будут изменяться пропорционально производной от напряжения влияющего на поля.

Теперь обратимся к рассмотрению влияния квазистатического электрического поля на проводник, расположенный вдоль силовой линии поля (рис.3.2). Будем считать, что вблизи одного из концов проводника расположена перпендикулярно этому проводнику проводящая плоскость, имеющая нулевой потенциал, и нагрузка в виде активного сопротивления R подключена между этим концом и плоскостью. Обозначим: h - длина проводника; C0 - емкость проводника относительно поверхности нулевого потенциала; Jn - диаметр проводника; с = 3*108 - скорость распространения электромагнитных волн. Процесс образования наводки в этой схеме можно представить следующим образом. При увеличении влияющего поля происходит заряд или разряд емкости проводника. Если отсоединить нагрузку от проводника и оставить его изолированным от плоскости нулевого потенциала, то его емкость зарядится до напряжения, равного среднему значению потенциала поля вдоль длины проводника, т.е. до значения Unn = E * h/2.

При подключенной нагрузке через нее потечет ток разряда емкости С0. При больших значениях сопротивления нагрузки, когда падение напряжения на сопротивлении R больше, чем на емкости проводника С0, можно считать, что вся наведенная полем ЭДС

e(t) = E*h/2 (3.2)

выделяется на нагрузке. В этом случае форма импульса наведенного напряжения повторяет форму импульса влияющего поля.

Если сопротивление нагрузки R мало по сравнению с сопротивлением емкости С0, то через нагрузку R будет протекать ток

i(t) = С0*h/2*dE/dt (3.3)

где

С0 = h/(c*Z0), Z0 = 60{ln(2h/dn)-2}.

В этом случае форма импульса напряжения на сопротивление R ,будет пропорциональна производной импульса напряженности влияющего поля.

Из приведенных формул следует, что при малых значениях сопротивления нагрузки скорость изменения магнитного поля мало влияет на величину наведенного тока и на напряжении на R. При большом сопротивлении нагрузки (в режимах близких к холостому ходу) напряжение на нагрузке будет тем больше, чем выше скорость изменения или частота магнитного поля.

При воздействии электрического поля, наоборот, увеличение наведенного напряжения на нагрузке с ростом скорости изменения поля имеет при малых сопротивлениях нагрузки, а в режимах, близких к холостому ходу, эта зависимость слаба.

3.3 Применение экранов для повышения электромагнитной совместимости электронной аппаратуры

Задача экранирования - ослабление электрических, магнитных и электромагнитных полей в тех областях пространства, где их появление может иметь нежелательные последствия. Для аппаратуры автоматики, обработки информации и связи актуальной задачей является экранирование ее электрических схем от внешних электромагнитных полей, возникающих при работе электроэнергетических установок, радиопередающих устройств или при грозовых разрядах.

Экран в простейшем виде представляет собой металлический лист, устанавливаемый между источником поля и защищаемым устройством. Электрическая компонента поля наводит на поверхности экрана заряды, поле которых компенсирует за экраном внешнее поле, а магнитная составляющая индуцирует в теле экрана токи, магнитное поле которых направлено навстречу внешнему полю. На эффективность экранирования влияют: конфигурация и размеры экрана, его электропроводность и магнитная проницаемость, а также частота или скорость изменения поля. Количественно эффективность экрана оценивается коэффициентом экранирования S - отношением амплитуды напряженности поля в определенной точке защищаемого пространства при наличии экрана к амплитуде этого поля в той же точке при отсутствии экрана. Для электростатического экрана, в частности SE = E3 /E1, а для магнитного SH = H3 /H1, где E1 и H1 - напряженности электрического и магнитного поля при отсутствии экрана, а E1 и H1 -при его наличии.

Часто коэффициент экранирования выражают в децибелах. В этом случае

SE= 20*lg(E3 /E1), SH = 20*lg(E3 /E1).

Расчет коэффициентов экранирования даже для простейшей конфигурации экрана - плоской поверхности в общем случае требует рассмотрения процессов отражения электромагнитных волн от внешней поверхности экрана, преломления в экран, затухания волны при прохождении сквозь экран и преломление волны на внутренней поверхности экрана.

Основной характеристикой среды, в которой распространяется электромагнитная волна, является волновое сопротивление среды

ZB = E/H.

Величина, обратная коэффициенту экранирования, называется затуханием поля

A = 20*lg(l/S).

Для плоской электромагнитной волны, движущейся вдали от источника излучения, эту величину можно рассчитывать по формуле

, (3.4)

где - угловая частота поля; и - магнитная и диэлектрическая проницаемость среды; - удельная проводимость среды.

Для воздуха можно пренебречь проводимостью , тогда . Для металла экрана, наоборот, допустимо пренебречь членом j, тогда .

Отражение от первой поверхности плоского экрана, размеры которого по сравнению с длиной волны, дает затухание

Aзат = 20*lg(ZВ/(4*ZЭ)), (3.5)

Где ZЭ - сопротивление экрана.

Подставив в выражение (3.5) формулы для Z воздуха и Z металла, видим, что затухание поля при первом отражении наиболее сильное при высокой проводимости металла экрана и при низкой магнитной проводимости.

Потери на поглощение в металле проводника при толщине экрана d дают затухание

,

где о - магнитная проницаемость вещества экрана; - глубина скин-слоя, определяемая, как расстояние, которое должна пройти электромагнитная волна в металле, чтобы ослабнуть в е раз. Как видно из этой формулы, потери на поглощение растут с увеличением толщины экрана, магнитной проницаемости и удельной проводимости материала экрана, а также частоты помехонесущего поля.

Потери на отражение внутри экрана (от его внутренних поверхностей) можно оценить по формуле

Суммарное затухание поля после прохождения сквозь экран определится суммированием затуханий от всех видов потерь

.

Хотя электрические и магнитные поля отражаются от внешней и от внутренней поверхности экрана по-разному, суммарный эффект после прохождения сквозь экран одинокая для обоих полей. При этом наибольшее отражение имеет место для электрического поля на внешней, а магнитного - на внутренней поверхности экрана.

Приведенные формулы имеют общий характер, однако, в частных случаях можно воспользоваться допущениями, аналогичными сформулированным при рассмотрении величин наводок на проводниках, расположенных во внешнем электромагнитным поле, а именно - считать поля квазистационарными. Это допустимо при двух условий: а) габаритные размеры экрана должны быть существенно меньше длины волны поля; б) - глубина проникновения поля в материал экрана при той частоте, с которой изменяется поле, должна быть намного больше толщины экрана.

При этих условиях оказывается возможным при расчетах влияния поля использовать эквивалентные схемы, составленные из элементов с сосредоточенными параметрами.

Рассмотри в качестве примера важный для практических приложений случай - расчет поля, наводимого во внутренней полости замкнутого экрана внешним квазистационарным электрическим полем. Возьмем экран прямоугольной формы, расположенный на поверхности, имеющей нулевой потенциал (рис3.3,а). Над этой поверхностью



а)

б)

Рис.3.3. Электростатический экран в медленно меняющемся электрическом поле: а) наведенные внешним полем заряды; б) эквивалентная схема для оценки поля, проникающего внутрь экрана.

Имеется однородное электрическое поле, источником которого будем условно считать слой зарядов, расположенных равномерно на некоторой плоскости, параллельной плоскости нулевого потенциала. Пока напряженность влияющего поля не изменяется, экран обеспечивает полное отсутствие поля как в толще самого экрана, так и во внутреннем его объеме, поскольку заряды, наведенные внешним полем, располагаются на его поверхности таким образом, чтобы потенциал всех точек экрана был одинаков.

Однако при изменении внешнего поля будет происходить перенапряжение зарядов по поверхности экрана, т.е. по стенкам экрана потечет ток, создающий напряжение на сопротивлении стенок (при медленных изменениях поля оно будет активный характер). За счет этого появится разность потенциалов между верхней и нижней стенками внутренней полости экрана, следовательно, внутри экрана появится электрическое поле. Эквивалентная схема для расчета наведенного на верхнюю часть экрана потенциала приведена на рис.3.3,б. При расчетах величин емкости верхней части экрана относительно нижней его части, а также сопротивления стенок с учетом распределения тока поверхности экрана рекомендуются формулы, полученные для экрана сферической формы (6):

, ,

где D - высота экрана; d - толщина его стенок; - удельная проводимость материал экрана.

С увеличением скорости изменения внешнего электрического поля растет скорость перемещения наведенных на экран зарядов, а следовательно, возрастает и ток в экране, что увеличивает проникновение поля внутрь экрана. Однако с ростом изменения внешнего поля начинает проявляться скин-эффект, заключающийся в том, что в стенках экрана вытесняется на его наружную поверхность, а поле внутри экрана ослабляется. Толщина скин-слоя в стенках экрана определяется выражением: . Пока толщина стенки экрана меньше толщины скин-слоя, зависимость отношения внутреннего поля к внешнему от частоты имеет вид

.

При d > эта зависимость имеет вид:

.

Эти формулы показывают, что эффективность экранирования поля уменьшается по мере роста частоты до тех пор, пока толщина скин-слоя не станет во много раз меньше толщины стенки экрана. В реальных конструкциях экранов дополнительное снижение качества экранирования с ростом частоты наблюдается из-за наличия различных отверстий и щелей на его поверхности.

Если экран сделан из магнитного материала, то скин-эффект усиливается, и это улучшает эффективность этих материалов обычно ниже электропроводности алюминия электростатических экранов. В ответвленных конструкциях поверхность экрана, из этих же соображений, покрывают тонким слоем золота.

Рассмотрим теперь влияние низкочастотного магнитного поля на прямоугольную тонкостенную камеру из хорошо проводящего материала (рис3.4). При постоянном поле его напряженность внутри камеры будет такой же, как и снаружи, однако это не вызовет индукции или напряжений в проводниках, расположенных внутри экрана, если они неподвижны. При изменении внешнего поля в стенках индуцируются токи, как показано на рисунке. Они частично компенсируют внешнее поле внутри экрана.

На стенке, перпендикулярной линиям поля, соседние петли вихревых токов стремятся скомпенсироваться, поэтому наибольшие токи сосредоточены около краев экрана на стенках, расположенных продольно линиям поля. Они образуют виток с током, магнитное поле которого направлено навстречу внешнему полю. Если бы экран с током скомпенсировало бы внешнее поле внутри экрана. Наличие активного сопротивления у стенок экрана приводит к затуханию наведенного в стенках тока с постоянной времени T = L/R, где L - индуктивность петли тока; R - ее активное сопротивление, из-за чего компенсация внешнего поля внутри экрана оказывается неполной. С помощью эквивалентной схемы, изображенной на рис.3.4.б, можно оценить величину поля, проникающего внутрь экрана. Из рассмотрения этой схемы можно сделать заключение, что с ростом частоты изменения внешнего поля эффективность экранирования магнитного поля возрастает. На низких частотах, когда > d, эффективность экранирования определяется выражением:

.

Рис.3.4. Экран в медленно изменяющемся магнитном поле: а) наведенные внешним полем токи в стенках экрана; б) эквивалентная схема для оценки поля, проникающего внутрь экрана.

Для одновитковой катушки сопротивление определяют по формуле:

,

а последовательная индуктивность

.

На больших частотах , когда глубина скин-слоя меньше толщины стенок: << d, эффективность экранирования дополнительно растет

,

где ; - относительная магнитная проницаемость ферромагнитного материла стенки.

Как показывают расчеты, этими формулами можно пользоваться и для других конфигураций экранов: прямоугольных, эллиптических, цилиндрических и т.д.

Таким образом, в отличии от экранирования электрического поля, эффективность экранирования магнитного поля при низких частотах очень мала и возрастает с увеличением частоты. Однако наличие разного рода отверстий в реальных магнитных экранах приводит к тому, что рост эффективности происходит лишь до некоторого значения частоты, за которым эффект проникновения поля сквозь отверстия начинает доминировать, и внутреннее поле снова усиливается. Поэтому свойства реальных экранов зависит от способа соединения стенок друг с другом, способа выполнения дверок и отверстий в стенках экрана. Во всех случаях желательно обеспечить минимальное омическое сопротивление в местах стыковки отдельных частей экрана, минимальные зазоры между накладными деталями минимальные размеры отверстий в стенках экрана.

3.4 Рекомендации по обеспечению

Электромагнитной совместимости блоков автоматики, управления и связи

Способы борьбы с внешними помехами в цифровой и аналоговой технике включают: правильное, с точки зрения ЭМС, выполнение внешних связей, электромагнитное экранирование, заземление, фильтрацию, резервирование питания.

Термином «земля» обозначают различные по назначению техническому исполнению устройства, фиксирующие нулевой потенциал на «базовых» элементах электрической схемы, на экранах и металлических корпусах аппаратуры. Функционально их подразделяют на следующие группы [1]:

а) проводники, по отношению к которым производится отсчет напряжения питания, а также входных и выходных сигналов;

б) проводники, предназначенные для образования путей обратных сигнальных и питающих токов (с учетом аварийных токов короткого замыкания);

в) поверхности и соединения, предназначенные для электромагнитного экранирования всей аппаратуры или ее частей, восприимчивых к помехам или излучающим помехи;

г) система соединений частей электрической схемы или элементов конструкции аппаратуры, предназначенная для защиты персонала от поражения электрическим током.

Практически выполняемые заземления чаще всего одновременно выполняют несколько из перечисленных функций. Например, нулевой провод четырехпроводной сети питания трехфазным током служит и проводником, относительно которого измеряются фазные напряжения сети, и проводником для протекания токов нулевой последовательности в нормальных и аварийных режимах, а часто используется так же и как средство заземления корпусов аппаратуры для защиты персонала. Ввиду противоречивости требований к различным группам заземлений такое совмещение функций часто приводит к ухудшению эффективности их действия. В частности, основное требование к «базовой» системе проводников, относительно которых измеряются сигналы, - это их эквипотенциальность. Но в случае, когда она одновременно предназначается и для пропускания возвратных токов, на активных и индуктивных сопротивлениях этих проводников возникает падение напряжения от протекания постоянных и переменных токов. Эквипотенциальность заземляющей системы нарушается, во входных и выходных цепях возникают помехи. При протекании аварийных токов эти паразитные сигналы могут достигать значений представляющих опасность для элементов схемы и даже для обслуживающего персонала.

Топология заземляющих проводников может представлять собой сплошную поверхность, магистральную, радиальную или смешанную систему соединенных проводников. Сплошная поверхность обеспечивает наилучшую эквипотенциальность ввиду низких значений активного и индуктивного сопротивлений, Она же наиболее эффективна и как электромагнитный экран. Поэтому заземляющие проводники в виде сплошной поверхности находят широкое применение в многослойных платах печатного монтажа и в экранированных конструкциях (см. рис.3.4). На подстанциях высокого напряжения принцип поверхностного и заземляющего электрода реализуется путем укладки под землёй сетки из металлических стержней, соединённых между собой с вертикальными (заземлителями), число и длина которых определяются, исходя из нормированных значений сопротивления заземления.

Магистральная система заземляющих проводников (рис.3.5) наиболее экономична, но создаёт наибольшие помехи в каналах связи при протекании возвратных токов, в особенности - тока источников питания и токов короткого замыкания питающей сети. Ослабить помехи можно путём размещения наиболее энергоёмких потребителей вблизи от источника питания. В каналах связи большой протяжённости (междугородные кабельные линии связи) приходится для ослабления помех, создаваемых протеканием по экранирующим оболочкам кабеля токов, наведённых внешними источниками, применять частотно - избирательные цепи, пропускающие сигналы звуковой частоты и запирающие сигналы промышленной частоты, а также использовать различные способы кодирования полезного сигнала.

Радиальная система соединения заземляющих проводников (рис.3.6) имеет меньше общих участков для протекания обратных сигнальных токов и токов питающей сети, но требует большей длины заземляющих проводников. На практике приходится применять смешанную систему соединений, при построении которой требуется творчески использовать достоинства каждой их вышеперечисленных. При этом следует избегать возникновения замкнутых контуров (петель) в соединении заземляющих проводников, поскольку в каждой петле внешние импульсные поля наводят токи помех. Другое важное требование заключается в том, чтобы отдельные подлежащие заземлению системы проводников (земля логической части изделия, корпус, т.е. защитноэкранирующая система, а также нейтраль питающей сети) соединялись между собой только в одной точке. Эта точка именуется опорным узлом заземления.



Если аппаратура состоит из нескольких блоков, каждый из которых имеет свой опорный узел, то соединение опорных узлов следует выполнять топологически в виде разветвлённого дерева (без петель). Также полезно знать, в каких случаях не производить защитное заземление, не нарушая при этом техники безопасности. Защитное заземление можно не производить в следующих случаях [2]:

а) Если устройства питается от сети напряжения не выше 500В и не находится при этом в помещении, в котором нет условий повышенной или особой опасности. В таких помещениях относительная влажность не должна превышать 60%, а температура - не более 30С, не должно быть токопроводящих полов, исключена возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землёй устройством или конструкциям, с одно стороны, и к металлическим корпусам незаземлённых устройств - с другой;

б) Если устройства питается от разделяющего или понижающего трансформатора, играющего роль разделяющего. Трансформаторы должны удовлетворять специальным техническим требованиям в отношении повышенной надежности конструкции и повышенных испытательных напряжений. Вторичное напряжение трансформаторов не должно превышать 380 В. Корпус трансформаторов должен быть заземлен;

в) Если устройство питается от сети переменного тока напряжением 38 В и ниже или постоянного тока 110 В и ниже;

г) Если система питания устройств содержит систему защитного отключения, которая обеспечивает автоматическое отключение всех фаз питания устройства с полным временем отключения с момента возникновения однофазного замыкания не более 0,2 с;

д) Если устройство обслуживается с изолированных площадок, которые выполнены таким образом, что прикосновение к представляющим опасность незаземленным частям устройства может быть только с площадки;

е) Если электроприёмники в устройстве, питающиеся от сети переменного тока напряжением более 38 В или постоянного тока напряжением более 110 В, снабжены двойной изоляцией. При этом в электроприёмниках должны быть две независимые и рассчитанные на номинальное напряжение ступени изоляции, выполненные таким образом, что повреждение одной их них не приводит к появлению потенциала на доступных прикосновению металлических частях.

3.5 Схема подключения аппаратуры, не имеющей информационных связей с другими устройствами

Рекомендуемая схема подключения к сети питания и к заземлителю аппаратуры, не имеющей проводных линий связи с другими устройствами, показана на рис. 3.7.

Питание подаётся от распределительного щита РЩ по фицеру питания Ф. Контактор К позволяет отключать три фазы питающей сети (нулевой провод не прерывается). На распределительном щите имеется узел заземления ОУ, соединений с заземлителем здания, в котором он установлен. Заземлетелем может служить сварной каркас здания или подземная водопроводная система, однако, предпочтительнее иметь автономный электрод заземления в виде прута диаметром не менее 15мм, забитого в землю на глубину 3 - 4 м, или в виде закопанного металлического листа площадью 1,5 - 2 м. Длина соединительного проводника от заземлителя до узла заземления не должно превышать 15м, а его сопротивление - 3 Ом. К узлу ОУ РЩ рекомендуется также подсоединить проводом 2 нуль сети (нейтраль). Фидер Ф должен представлять собой экранированный кабель со сплошной или гибкой (плетёной) оболочкой или, что более предпочтительно - быть заключён в жёсткую стальную трубу. Этот экран, с одной стороны, присоединяется проводом металлизации 3 к узлу ОУ РЦ, а с другой проводом металлизации 4 к узлу ОУ на проводящем корпусе аппаратуры. Если кабель имеет только гибкий экран - оплётку, то рекомендуется узлы ОУ дополнительно соединить проводом металлизации 5, 6 и 7 радиальным или магистральным способом подсоединяются проводящие корпуса сетевого фильтра СФ, вторичного источника питания ВИП и логического блока. Если сетевой фильтр расположен вне корпуса аппарата, то кабель между ним и вторичным источником питания также должен быть экранирован. К опорному узлу ВИП проводами металлизации 8 и 9 подсоединяются выходной зажим ВИП «общая шина» и междуобмоточный электростатический экран силового трансформатора Т.

Все проводники металлизации должны иметь возможно меньшее активное и индуктивное сопротивления. При тяжёлой электромагнитной обстановке питания распределительного щита РЩ рекомендуется подводить от отдельного, не имеющего другой нагрузки разделительного трансформатора, установленного не далее 30 м. от РЩ.

3.6 Схема подключения аппаратуры, состоящей из комплекса блоков

В этом параграфе рассматривается схема подключения аппаратуры, представляющей собой набор отдельных блоков, размещенных в пределах одной стойки или в нескольких механических скрепленных между собой стойках таким образом, что линии связи между блоками не выходят за пределы общего корпуса стоек.

Питание аппаратуры подводится так же, как и в предыдущей схеме. Соединения между сетевыми фильтрами, вторичными источниками питания и логическими блоками в каждом устройстве внутри стойки выполняются так же, как и для устройства в одиночном корпусе, за одним исключением: общая шина вторичного питания всей логической системы присоединяется к системе земель только в одном месте. В общем случае это соединение осуществляется в блоке, который имеет наибольшее число проводных каналов связи с другими блоками, например, в блоке процессора. Разводка первичного питания осуществляется шинами, проложенными в специальных экранированных отсеках стойки. В этих же отсеках располагается шина «корпус», присоединяемая к опорному узлу стойки. При наличии нескольких стоек наиболее эффективный способ ослабления взаимных помех между силовыми и сигнальными цепями - укладка каждой из них в специальном, экранированный от соседнего отсека металлического распределительного короба, корпус которого служит одновременно экраном для кабелей и шиной «корпус» для всех блоков аппаратуры.

3.7 Практические рекомендации по выполнению экранирования аппаратуры

Экранирование и защита фильтрами - наиболее эффективные схемно-технические способы борьбы с внешними и внутренними помехами. Эти мероприятия должны применяться одновременно и взаимно координироваться, поскольку каждое из них в отдельности не в состоянии обеспечить достаточную эффективность защиты.

Как устройства аналоговой обработки информации, так и цифровые машины нуждаются в тщательном экранировании своих схем с помощью металлических корпусов - экранов. Следует не выпускать из виду не только основные функциональные узлы устройства, но и другие его части: соединительные кабели, разъёмные соединения, фильтры, пульты, органы управления, устройства отображения информации и т.д. Для эффективного экранирования в широком диапазоне частот элементы каркаса и обшивки корпуса должны быть очищены от декоративной и антикоррозионной окраски в местах их стыковки, а съёмные элементы корпуса должны присоединяться металлизирующими проводниками или конструкциями. На поверхностях стыковки желательно иметь специальное электропроводящее покрытие, обладающее износостойкостью и стойкостью к коррозии, например, слой никеля, покрытый оловом. Крепление стенок к каркасу должно осуществляться винтами с межцентровыми интервалами не более 20 см с применением высокочастотных прокладок. Дверцы должны иметь фиксаторы и контактные ножи из бериллиевой бронзы. Отверстия в пультах и панелях должны быть минимального размера. Следует отдавать предпочтение органам управления и индикаторам, вставляемым в пульт, в металлических, а не пластмассовых корпусах.

Неэкранированные силовые и информационные кабели необходимо разносить на расстоянии не менее 30 см. При отсутствии экранирующего распределительного короба приходится экранировать отдельные линии связи. Экранирующая оплётка или фольга заземляется только в одном месте, чтобы предотвратить протекание по экрану токов, вызванных неэквипотенциальностью точек заземления. Если заземлён только передатчик или только приёмник, то экран линии связи заземляется на опорном узле этого заземлённого устройства. Если заземлены и передатчик, и приёмник, предпочтительнее заземлить экран на опорном узле передатчика. Впрочем, если длина экранированного кабеля превышает 5-10 м, то паразитные ёмкости экрана на землю становятся достаточно малым сопротивлением для этих токов, и заземление в нескольких точках становится допустимым. Электрический экран не следует использовать в качестве обратного провода для сигнальных токов.

Для ослабления влияния внешних полей на линию связи необходимо минимизировать площадь контура, образованного прямым и обратным проводами линии. Если линия представляет собой одиночный провод, а возвратный ток течёт по некоторой заземляющей поверхности, то необходимо максимально приблизить провод к этой поверхности. Если линия образована двумя проводами, то их необходимо скрутить, образовав бифиляр (витую пару). Линии, выполненные из коаксиального кабеля, также отвечают требованию минимизации площади контура линии, однако, при наличии цепи, шунтирующей протекание тока по возвратному проводу линии, восприимчивость к наводкам возрастает, особенно на низких частотах. Поэтому, если обратным проводом является оголённая оплётка коаксиального кабеля, её следует изолировать.

Наилучшую защиту линий связи от электрического и магнитного полей обеспечивают специальные кабели типа экранированного бифиляра, трифиляра (три скрученные вместе провода, один их которых используется в качестве экрана), триаксимального кабеля (изолированного коаксиального кабеля, помещенного в электрический экран), плоского многопроводного кабеля, покрытого с обеих сторон медной фольгой. Для полной реализации защитных свойств таких линий необходимо обращать особое внимание на качество экранирования и коаксиальность концевых разделок и разъёмов в местах стыковки линии с аппаратурой.

3.8 Защита от проникновения мешающих и опасных воздействий по цепи питания

В предыдущих параграфах описаны механизмы возникновения и количественные оценки импульсов помех и перенапряжений, наблюдаемых в распределительной сети 380/220 В переменного тока. Для надёжной работы большей части электронной аппаратуры (осциллографов, измерительных приборов, схем управления и переработки информации, в том числе и ЭВМ, и т.д.) необходимо обеспечить защиту от этих воздействий с помощью специальных устройств защиты, включаемых между распределительным щитом электропитания и сетевыми вводами аппаратуры. В ряде случаев аналогичные устройства защиты подключаются и на вводах кабелей связи. Принцип действия этих устройств защиты заключается либо в ограничении по амплитуде напряжения в защищаемой сети, либо в совместном использовании этих эффектов.

Подавление высокочастотных импульсов помех производится с помощью фильтров низких частот, включаемых последовательно с защищаемой схемой. Фильтры обычно представляют собой Г-, Т-, или П- образные LC- звенья, включаемые в разрыв фазных и нулевого проводов питания. При этом на величину индуктивности накладывается ограничение: падение напряжения на ней от нормального тока нагрузки не должно превышать допустимых значений. В то же время нежелательно и наличие в фильтре больших ёмкостей, поскольку при их включениях и отключеньях могут возникать большие броски тока и скачки напряжения. Эти ограничения совместно с требованиями минимизации габаритов и стоимости фильтров затрудняют обеспечение необходимого снижения нижней границы пропускаемых фильтром частот. Для преодоления этих противоречивых требований в фильтрах применяют так называемые режекторные дроссели. В этих дросселях обмотки индуктивности, включаемые в разные фазы сети питания, располагаются на общем магнитном сердечнике таким образом, что прямой и обратный токи нагрузки создают в нём встречные магнитные потоки. Благодаря этому индуктивное сопротивление рабочему току снижается на один - два порядка. В то же время для токов помех, распространяющихся по каналу нулевой последовательности (фазные провода, как один эквивалентный прямой провод и земляной - как обратный), направление магнитных потоков оказывается согласным и для них дроссель представляется большим индуктивным сопротивлением. При этом важно минимизировать проходную паразитную ёмкость обмоток дросселя и ёмкость между входными и выходными цепями фильтра.

На рис. 3.8.и 3.9. представлены варианты схем трёхфазного и однофазного сетевого фильтров, а на рис. 3.10. - их частотные характеристики. Из рис. 3.10. видно, что в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц фильтры с указанными параметрами обеспечивают затухание сигнала помех не менее, чем на 40 дБ.

Трёхфазный фильтр размещен в металлическом кожухе, разбитом на два экранированных отсека. В сетевом отсеке расположены конденсаторы CI по I мкФ, обеспечивающие ослабление симметричных помех. В нагрузочном отсеке расположены такие же конденсаторы С4, конденсатор малой ёмкости С3 (0,06 мкФ), с нулевого провода на корпус, режекторный дроссель, выполненный на ферритовом кольце без зазора, и зарядные резисторы R. Переход из отсека в отсек выполнен через проходные конденсаторы С2 (0,035 мкФ). Конденсатор С3 служит для ослабления скачков тока в фазах питающей цепи при включении аппаратуры. Сопротивления R снимают заряд с ёмкостей при отключении фильтра от сети.

Помехи могут возникать не только во внешней по отношению к защищаемой аппаратуре сети, но и при коммутациях элементов самой аппаратуры, особенно - электродвигателей и реле. Помимо рассмотренных ранее мер защиты - экранирования, фильтрации, применения искрогасящих цепочек, эти помехи можно ослабить специальными способами коммутации. Первый из них заключается в обеспечении включения нагрузки в момент перехода напряжения через нуль, а в отключения - в момент, когда ток нагрузки равен нулю. Она состоит из последовательно соединённых с нагрузкой Zн диода D1 и контакта P1, зашунтированных контактом Р2. Схема управления контактами обеспечивает замыкание и размыкание контактов Р1 и Р2 в следующей последовательности. Включение нагрузки начинается с замыкания контакта Р1





при положительной полуволне напряжения сети, когда диод находится в запертом состоянии. Ток в нагрузке начинает течь только с момента перехода напряжения с положительной на отрицательную полуволну, когда отпирается диод . Подъём напряжения на нагрузке при включении происходит вследствие этого плавно, без возбуждения колебаний и скачков тока. В течение последующей отрицательной полуволны напряжения производится замыкание контакта P2, шунтирующего. Отключение производится в обратном порядке: в отрицательный полупериод размыкается контакт P2. Ток в нагрузку продолжает поступать через отпёртый диод и контакт P1 до тех пор, пока ток, меняя полярность, не достигнет нулевого значения. В этот момент диод запирается, и ток в нагрузке прекращается. В положительный последующий полупериод напряжения производится размыкание контакта P1. Схема управления действием контактов может быть реализована на аналоговых или логических элементах различными способами. Вместо механических контактов можно использовать бесконтактные переключающие элементы: семисторы, тиристоры и т.п.



Второй способ снижения помех при коммутации - это расположение коммутирующих элементов схемы не перед нагрузкой, а позади нагрузки, как показано на рис. 3.12. В этом случае паразитные ёмкости самих элементов нагрузки и подводящей сети, расположенные в основном со стороны ввода питания, не включаются толчком, создавая колебательный переходный процесс в подводящей линии, а перенапряжения при обрыве индуктивных токов нагрузки проникают во внешнюю сеть ослабленными за счёт фильтрующего действия самой отключаемой индуктивности.

3.9 Защита кабелей связи от токов короткого замыкания в линиях электропередачи

Короткие замыкания в линиях электропередачи сопровождаются протеканием больших несимметричных токов, индуцирующих перенапряжения в соседних линиях связи и линиях электропередачи низких классов напряжения. Перенапряжения могут достигать нескольких киловольт и иметь длительность от сотых долей до нескольких секунд - в зависимости от установок релейной защиты повреждённой линии.

Кроме электромагнитной индукции, перенапряжения могут возникать также и за счёт подъёма потенциала заземлителей и примыкающих к ним участков земли в местах втекания токов короткого замыкания. Оба механизма способны создать в сети, подверженной влиянию, напряжения, опасные для обслуживающего персонала и для подключенной к ней аппаратуры, а в тяжёлых случаях - достаточные для пробоя изоляции, подверженной влиянию сети.

Некоторые меры защиты, описанные в предшествующих параграфах, например, защитные разрядники, способны снизить перенапряжения и опасные токи и, таким образом, уменьшить риск повреждения элементов защищаемой сети. Однако длительный характер этих перенапряжения создаёт риск повреждения самих устройств защиты от перегрева при длительном протекании тока. Поэтому для создания условий стойкости защищаемой сети от влияния токов к.з., помимо перечисленных выше мер, требуются дополнительные меры защиты. Их можно разделить на две группы:

Устройства защиты, которые предотвращают попадания избыточной энергии в уязвимые части системы либо путём её отвода (разрядники), либо путём разрыва цепи (предохранители, токовые реле);

Использование в защищаемой сети оборудования с подходящей электрической прочностью изоляции и достаточной пропускной способностью по току.

К первой группе устройств защиты, как отмечено выше, относятся разрядники, включаемые между проводом линии и землёй или между парой проводов, защищаемой линии. В двухпроводных линиях связи ограничение перенапряжений между проводами особенно важно, поскольку в этом канале происходит передача информации с наибольшей плотностью и с минимальными уровнями напряжения сигнала, что обусловлено большей стойкостью этого канала к внешним помехам. Установка в таких линиях разрядников между проводами двухпроводной линии и землёй связана с опасностью возникновения больших перенапряжений в канале проводов - провод при неодновременном срабатывании разрядников. Можно показать, что для расчёта синфазной помехи в канале провод - провод справедлива эквивалентная схема, показанная на рис. 3.13. при симметрии схемы (когда R1=R2 и R31=R32) напряжение помехи

Рис. 3.14. Схема подключения трехпроводного разрядника.

между проводами остаётся равным нулю при любом напряжении, наведённом между проводами и землёй. Однако, если под действием напряжения провод-земля сработает один из разрядников FS1 или FS2, то симметрия канала провод - провод нарушается, и напряжение между проводами резко возрастает. Срабатывание второго разрядника затрудняется подъёмом напряжения на заземляющем проводнике вследствие срабатывания первого разрядника и протекания тока по сопротивлению R12.

Список литературы

1.Совместимость технических средств измерения, контроля и управления промышленными процессами электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам. Общие положения. ГОСТ 29073-91, М.: Госстандарт, 1992.

2. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Технические требования и методы испытаний. ГОСТ 29191-91 (МЭК 801-2-91), М.: Госстандарт, 1992.

3. Вернадский В. И. Научная мысль как планетное явление. Под ред. А. Л. Яншина, М.: Наука, 1991, 271 с.

4. Вернадский В. И. Несколько слов о ноосфере. Успехи современной биологии, 1944, №18. Вып. 2. С. 113-120.

5. Казимировский Э. С. Планета в космической плазме, Л.: Гидрометеоиздат, 1990, 181 с.

6. Бургсдорф В. В., Якобс А. И. Заземляющие устройства электроустановок, М.: Энергоатомиздат, 1987, 400 с.

7. Правила устройства электроустановок. Изд. 6-е, М.: Энергоатомиздат, 1985, 640 с.

8. Костенко М. В., Богатенков И. М., Михайлов Ю. А., Халилов Ф. Х. Заземление в сетях высокого напряжения и средства защиты от перенапряжений. Учеб. пособие, Л.: ЛПИ, 1983, 22 с.

9. Тиходеев Н. Н. Отчет НИИПТ по НИР «Исследование по проблеме «электромагнитная экология» за 1994 г. ОЭЭП РАН, СПб, 1995, 65 с.

10. Техника высоких напряжений. Под ред. М. В. Костенко.

Высшая школа, 1973. 590 с.

11. Правила защиты устройств проводной связи, железнодорожной сигнализации и телемеханики от опасного и имеющего влияния линий электропередачи. Ч. 1. М.: Энергия 1966. 38 с. Ч. П. М.: Связь, 1972, 54с.

12. Carson J.R. Wave Propagation in overhead Wires with ground Return. //The System Techn. Journ. 1926, Vol.5, Pp 539-554.

13. Костенко М. В. Взаимные сопротивления между воздушными линиями с учетом поверхности эффекта в земле// Электричество, 1965, № 10. С. 29-34.

14. Костенко М. В. Влияние электрических сетей высокого напряжения на техно и биосферу. Учебное пособие. Л.: ЛПИ. 1981. 55 с.

15. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М.: Энергоатомиздат, 1995, 405 с.

16. ГОСТ 12.1.038-82. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов.

17. ГОСТ 12.1.030-81. Электробезопасность. Защитное заземление.

18. Коструба С. И. Измерения электрических параметров земли и заземляющихся устройств. 2-е изд., перераб. и доп. Энергоатомиздат, 1983.

19. Целебровский Ю. В. Заземляющие устройства электроустановок высокого напряжения. Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во Новосибирского электротехнических института. 1987.

20. Михайлов Е. В. Помехозащищенность информационно-измерительных систем. - М.: Энергия, 1975. 104 с.

21. Гурвич И. С. Защита ЭВМ от внешних помех. М.: энергоатомиздат, 1984. 224 с.

22. Вэнс Э. Ф. Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели. - М.: Радио и связь, 1982. 118 с.

23. Рикетс Л. У. Бриджес Дж. Ж., Кайлетта Дж. Электромагнитные импульс и методы защиты. - М.: Атомиздат, 1979. 327 с.

24. Мыров Л. А., Чепиженко А.З. Обеспечение стойкости связи и ионизирующим и ионизирующим и электромагнитным излучением. М.: Радио и связь, 1988. 295 с.

Размещено на Allbest.ru