Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Заземление и электромагнитная защита

Заземление, зануление, масса

Виды заземления

Типы заземления

Способы заземления

Грунты для заземления

Помехи, побочные электромагнитные излучения и наводки

Блуждающие токи

Молниезащита

Глава 2. Постановка задачи

Результат анализа

Глава 3. Решение проблемы

Теоретические основы решения

Глава 4. Процесс исследования

Анализ

Оценка

Заключение

Список использованной литературы



ВВЕДЕНИЕ

заземление электромагнитный радиотехнический коммутации

В настоящее время, в связи со стремительным развитием телекоммуникационных технологий, а так же электронных и радиоэлектронных систем, появляются новые трудные и интересные задачи в разных сферах деятельности человека. Так, в частности, в теле- и кинопроизводстве, а так же в сферах теле- и радиовещания возникает необходимость работы в разнообразных сложных полевых условиях. В подобных ситуациях требуется использование мобильных передвижных электронных комплексов, способных работать при экстремальных нагрузках в разных точках мира и оперативно решать поставленные задачи.

Помимо разработки, проектирования и интеграции передовых технологий в современное теле- и радиовещание возникает необходимость жесткого соблюдения стандартов ЭМС и заземления, а так же инструкций по эксплуатации сложных электронных комплексов. Подобные требования, как правило, сопряжены с условиями эксплуатации и проявляются в момент непосредственного решения поставленной задачи. К сложнейшим видам деятельности специалистов по обеспечению функционирования радиотехнических комплексов (РК), можно отнести:

1) предварительное обеспечение аппаратной базы;

2) компоновку модулей РК;

3) коммутацию модулей и систем между собой;

4) заземление всех модулей и элементов;

5) оперативное обслуживание и ремонт.

Актуальность выбранной темы выпускной квалификационной работы обусловлена тем, что в нынешнее время проблемы компоновки и заземления элементов и систем РК в сфере теле- и радиовещания в России существенно неразвита, так как данная область производства менее интересна ученым и специалистам электронного приборостроения и ЭМС. Тем не менее, вопросы заземления и компоновки данных систем очень актуальны с практической точки зрения и непременно важны из принципов безопасности.

Заземление - одна из наиболее сложных проблем. Среди других видов обеспечения РК она больше всех влияет на передачу сигнала и коммутацию между отдельными модулями. В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), при питании установок электроприемников от автономных источников питания должно выполняться защитное заземление.

Актуальность темы выпускной квалификационной работы так же объясняется тем, что в Российской Федерации до сих пор нету ни одного четкого документа регламентирующего порядок заземления систем состоящих из установок электроприемников и автономных источников питания в сфере теле- и радиовещания.

Заземление радиотехнических комплексов представляет значительную трудность. Это связано с тем, что обеспечение заземления РК осуществляется на месте, каждый раз в разных условиях и при различной компоновки модулей. Не следует забывать, что специфика работы в сфере теле- и радиовещания может формировать совершенно различные задачи, которые должны быть выполнены максимально оперативным и качественным образом.

Таким образом, объектом исследования выпускной квалификационной работы являются радиотехнические комплексы.

Предмет исследования - заземление РК.

Цель данной работы - рассмотрение различных способов заземления радиотехнических комплексов в разных условиях эксплуатации и способы защиты от наводок и внешних электромагнитных воздействий на системы коммутации и оборудование.

В выпускной квалификационной работе широко используются такие методы исследования, как: сравнительный анализ, статистический метод, метод структурного анализа (для того, чтобы выявить структуру проблемы), анализ данных, полученных экспериментальным путем, метод комплексной экспертной оценки.

В процессе написания выпускной квалификационной работы нами проведен анализ нормативно-правовых актов РФ, в частности, ПУЭ, ГОСТ, ГОСТ Р, МЭК, СНиП, РД, УДК, а так же нормативно правовых актов США и Евросоюза, FCC, NEC, 29 CFR, IEC, IEEE, ITU-T, OSHA, DIN, TIA и прочих, а также научной литературы, методических разработок, материалов периодики и пособий, а также экспериментальных данных.

Теоретическую основу выпускной квалификационной работы составляют труды российских и зарубежных ученых таких как Карякин, Йоффе, Лок, Оллендорф, Дуайт и др.

На пути к достижению поставленной цели представляется целесообразным решить следующие задачи:

· Изучить теоретические аспекты, связанные с заземлением и ЭМС;

· Провести исследование в области электромагнитной защиты радиотехнических комплексов и определить возможности его реализации в различных условиях эксплуатации;

· Провести исследование понятия заземления и определить возможности его реализации в различных условиях эксплуатации;

· Дать характеристику проблемам, связанным с использованием оборудования, в системах РК;

· Получить теоретические выводы и практические рекомендации.

Структура выпускной квалификационной работы обуславливается целями, задачами и предметом исследования. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, включающего в себя выводы и рекомендации.

Введение определяет степень научной разработки темы, цель исследования и раскрывает актуальность, а также теоретическую и практическую значимость работы.

Первая глава включает теоритические основы заземления и электромагнитной защиты, в ней даны основные понятия и положения о заземление, электромагнитных наводках, помехах и прочих явлениях. Во второй главе детально представлены результаты анализа существующих трудностей заземления и электромагнитной защиты радиотехнических комплексов, формируются задачи по решению данных проблем. В третьей главе уделяется большое внимание теоретическим решениям поставленных задач. В четвертой главе речь идет о заземление, коммутации и защите оборудования от электромагнитных наводок и внешних воздействий. Производится анализ полученных данных. Результаты сопоставляются с международными и российскими стандартами и регламентами.

Заключение содержит основные выводы выпускной квалификационной работы и рекомендации по заземлению и защите от наводок радиотехнических комплексов в полевых условиях эксплуатации.



ГЛАВА 1. ЗАЗЕМЛЕНИЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЗАЩИТА

Заземление, зануление, масса

Согласно ПУЭ 7:

«Заземление - преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством» [42].

«Защитное заземление - заземление, выполняемое в целях электробезопасности» [42].

«Рабочее (функциональное) заземление - заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности)» [42].

«Защитное зануление в электроустановках напряжением до 1 кВ - преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности» [42].

Масса - нейтральный провод, нулевой проводник, по которому протекает обратный ток электроустановок. В схемотехнике в понятие масса подразумевают общую систему для опорного потенциала, относительно которой можно измерить узловые напряжения цепи. Потенциал массы не может быть равным потенциалу земли, но, как правило, она заземлена, имея соединение в одном месте с защитным проводником. Заземление массы не оказывает никакого влияния на работу схемы в целом.

Масса может использоваться как в сильноточных так и в слаботочных цепях. Масса и земля, хоть и связаны гальванически в одной точке, однако имеют большое различие.

Существенные различия можно наблюдать в (Таблица 1) следующих параметрах:

Таблица 1

№	Земля	Масса
1	Защитный провод	Нейтральный провод
2	заземление	Масса схемы
3	Защитное заземление	Нулевая точка
4	Нулевой провод заземления	Сигнальная масса
5	Провод заземленной системы опорного потенциала	Измерительная земля
6	Заземленный корпус	Нулевое напряжение (0 В)

Виды заземления

Естественное заземление.

Естественное заземление существует у конструкций и строений, которые постоянно находятся в земле. Так как сопротивление данных конструкций ничем не регулируется и к нему не предъявляется никаких требований, то данные конструкции не используют для заземления электроустановок. Примером естественного заземления может служить железобетонный фундамент строения.

Искусственное заземление.

Искусственным заземлением называют электрическое соединение узла электросети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством (ЗУ).

ЗУ включает в себя проводящую часть или комплекс проводящих частей, которые находятся в электрическом контакте с землей через проводящую среду (заземлитель) и заземляющий проводник, который соединяет заземляемый элемент с заземлителем. Зачастую заземлителем является металлический стержень или специальная заземлительная конструкция.

Системы искусственного заземления

Все электроустановки разделяются на следующие типы:

- «Электроустановки с напряжением больше 1кВ в сетях с глухозаземленной/эффективно заземленной нейтралью» [17];

- «Электроустановки с напряжением больше 1 кВ в сетях с изолированной/заземленной с помощью дугогасящий реактор/резистор нейтралью» [17];

- «Электроустановки с напряжением меньше 1 кВ в сетях с глухозаземленной нейтралью» [17];

- «Электроустановки с напряжением меньше 1 кВ в сетях с изолированной нейтриалью» [17].

Классификация типов систем заземления используется в качестве основной характеристики электрической сети [17]. Выделяются следующие системы заземления:

Для электроустановок с напряжением меньше 1 кВ:

TN-система, в которой глухо заземлена нейтраль источника питания, а проводящие открытые части электроустановки соединены с глухозаземленной нейтралью источника с помощью защитных нулевых проводников;

TN-C-система, в которой защитный и рабочий нулевые проводники совмещены на всем протяжение в один проводник (Рисунок 1);

Рисунок 1

TN-S-система, в которой защитный и рабочий нулевые проводники на всем протяжение разделены (Рисунок 2);

Рисунок 2

TN-C-S-система, в которой функции защитного и рабочего нулевых проводников, начиная от источника питания, совмещены в одном проводнике или ее части (Рисунок 3);

Рисунок 3

IT-система, в которой изолирована от земли или заземлена с помощью приборов или устройств с большим сопротивлением, нейтраль источника. Открытые части электроустановки тоже заземлены (Рисунок 4);

Рисунок 4

TT-система, в которой глухо заземлена нейтраль источника питания, а проводящие открытые части электроустановки заземлены при помощи ЗУ, которое электрически независимо от глухозаземленной нейтрали (Рисунки 5 и 6).

Рисунок 5 Рисунок 6

В этих названиях первая буква обозначается какая нейтраль в отношении источника питания и земли: T - заземленная, I - изолированная.

Второй буквой обозначают отношение состояние открытых проводящих частей к земле: T - независимо от отношения открытых проводящих частей к земле, они заземлены; N - они присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания.

Все последующие буквы обозначают совмещение или разделение функций нулевых рабочего и защитного проводников в одном: S - проводник нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (PE) разделены; в другом C - функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике (PEN); N - нулевой рабочий (нейтральный) проводник; PE - защитный проводник (защитный проводник системы уравнивания потенциалов);

Типы заземления

Сигнальная земля

Сигнальная земля служит для упрощения электрической схемы и для снижения расходов на систему и устройства автоматики. Если в качестве общего провода для разных цепей используется сигнальная земля, то появляется возможность применения для всей электрической цепи одного общего источника питания. Возможно обоюдостронее преобразование электрических цепей с общим проводом (без земли).

Сигнальную землю делят на цифровую землю и аналоговую землю. Аналоговую землю можно также разделить на землю аналоговых входов и аналоговых выходов.

Сигнальные земли подразделяются в зависимости от целей применения на базовые и экранные.

Базовая сигнальная земля используется для отсчета и передачи сигнала в электронной цепи, а также для привязки потенциала изолированной части электрической цепи к земле системы автоматики.

Экранная земля используется для заземления экранов кабелей, экранирующих перегородок, корпусов приборов и снятия статических зарядов с трущихся частей транстпортерных лент, ремней электропривода и т.п.

Силовая земля

Общий провод в системе называют силовой землей если он соединен с защитной землей и по нему протекает больший ток в сравнении с током передачи сигнала.

Фундаментальный принцип подобного деления земель базируется на различии уровней чувствительности к помехам как аналоговых и цифровых цепей, так сигнальных и силовых.

Плавающая земля

Образование "плавающей" земли происходит, если общий провод небольшой части системы электрически не соединяется с шиной защитного заземления. Примеры таких систем служит автоматика: автомобиля, самолета или космического корабля. Получить "плавающую" землю можно с помощью DC-DC или AC-DC преобразователей, при условии, что вывод вторичного источника питания в них не заземлен.

Защитное заземление

В основе защитного заземления лежат два принципа:

1. Уменьшение разности потенциалов между заземляемым предметом и другими проводящими предметами, с естественным заземлением, до безопасного значения.

2. Отвод утечки тока при контакте заземляемого проводящего предмета с фазным проводом или при попадании фазного потенциала на заземленную поверхность. Иными словами, происходит срабатывание предохранителя /устройства защитного отключения (УЗО).

Следовательно, чтобы получить эффективность от заземления необходимо использовать УЗО. Тогда при нарушении изоляции потенциал на заземленных предметах не превысит безопасных величин, а неисправный участок сети будет отключен в максимально короткие сроки.

Важно помнить, что защитное заземление не является защитным занулением (Рисунок 7) [42].

Рисунок 7 Параметры питания и заземления бортовой сети РЛС

Система электропитания состоит из дизельной электростанции и щита распределения питания, установленного в аппаратной кабине.

В составе электростанции входят два агрегата электропитания, разделительный трансформатор 380/220 В, коммутационное и другое оборудование. Питание аппаратуры осуществляется трехфазным напряжением 220 В, 50 Гц с изолированной нейтралью. Напряжение внешней сети может быть 380В 50 Гц с заземленной или изолированной нейтралью. Питание автоматизированного рабочего места выполняется через источники бесперебойного питания.

Если объект измерения и измерительный преобразователь заземлены в различных точках (например, при использовании двух различных силовых розеток), то заземленные концы объединяются между собой по земляной шине, сопротивление которой, примерно 0,1 Ом/м.

Термин «заземление» используют, когда хотят к земле провести электрическое подключение е какой-либо цепи или оборудования. Заземление применяется для выведения и поддержания потенциала подключенной цепи или оборудования максимально близким к потенциалу земли. Заземленная цепь образуется проводником и зажимом, благодаря этому зажиму проводник подключен к электроду, который установлен в грунт.

Заземление переносное

Заземления переносные предназначаются для защиты людей, работающих на отключенных токоведущих частях оборудования или электроустановки, от поражения электрическим током в случае ошибочной подачи напряжения на отключенный участок или при появлении на нем наведенного напряжения (Рисунок 8). Переносные заземления применяются в тех частях электроустановки, в которых нет стационарных заземляющих ножей.

По способу применения переносные заземления подразделяются на заземления для применения на воздушных линиях электропередачи (ВЛ) и в распределительных устройствах (РУ)

Рисунок 8

Способы заземления

При организации заземления чаще всего применяются вертикальные заземляющие электроды. В качества вертикальных электродов почти всегда выбирают стальные трубы, штыри/стержни, уголки и т.п. стандартную прокатную продукцию, имеющую большую длину при сравнительно малых поперечных размерах. Этот выбор связан с возможностью легкого заглубления таких элементов в грунт.

Несколько коротких электродов

При таком подходе в качестве заземляющих электродов применяются небольшие (2-3 метра) стальные уголки/штыри. Для создания заземлителя они соединяются вместе около поверхности грунта стальной полосой путем приваривания её к этим элементам электро- или газосваркой (Рисунок 9).

Большая площадь контакта заземлителя с грунтом достигается большим количеством электродов (многоэлектродный заземлитель).

Рисунок 9 Одиночный глубинный электрод (“обсадная труба”).

При таком подходе заземлителем является глубокий электрод (чаще всего одиночный) в виде стальной трубы, размещенной в пробуриваемом в грунте отверстии (Рисунок 10).

Электролитическое заземление

Электрод такого типа представляет собой трубу небольшой длины (обычно 2-3 метра) из нержавеющей стали, имеющей почти по всей длине перфорацию. Внутри этой трубы находятся гранулы смеси солей (Рисунок 11).

Рисунок 10 Рисунок 11

Грунты для заземления

Факторы, влияющие на качество заземления

Сопротивление в основном зависит от двух условий:

· площадь (S) электрического контакта заземлителя с грунтом

· электрическое сопротивление (R) самого грунта, в котором находятся электроды

Площадь контакта заземлителя с грунтом.

Чем больше будет площадь соприкосновения заземлителя с грунтом, тем больше площадь для перехода тока от этого заземлителя в грунт.

Увеличить площадь контакта заземлителя с грунтом можно либо увеличив количество электродов, соединив их вместе, либо увеличив размер электродов.

Электрическое сопротивление грунта (удельное).

Данная величина, определяет -- как хорошо грунт проводит ток через себя. Чем меньшее сопротивление будет иметь грунт, тем эффективнее/легче он будет впитывать в себя ток от заземлителя.

Примерами грунтов, хорошо проводящих ток, является солончаки или сильно увлажненная глина. Идеальная природная среда для пропускания тока -- морская вода.

Примером “плохого” для заземления грунта является сухой песок.

Существующие нормы сопротивления заземления.

Так как идеала (нулевого сопротивления растеканию) достигнуть невозможно, все электрооборудование и электронные устройства создаются исходя из некоторых нормированных величин сопротивления заземления, приведенных в ПУЭ 1.7 [42].

Сопротивление заземляющего электрода.

На Рисунке 12 показан заземляющий штырь. Его сопротивление определяется следующими компонентами:

· (А) сопротивление металла штыря и сопротивление контакта проводника со штырем;

· (Б) сопротивление контакта штыря с грунтом;

· (В) сопротивление поверхности земли протекающему току, иначе говоря, сопротивление земли, которое часто является самым важным из перечисленных слагаемых.

Рисунок 12

- (А) Сопротивление штыря и его контакт с проводником. Так как заземляющий штырь делается из хорошо проводящего металла, этим сопротивление можно пренебречь.

- (Б) Сопротивление контакта электрода с грунтом. При условии, что электрод плотно вбит и на его поверхности нет краски, масла и подобных веществ, то этим сопротивлением также можно пренебречь.

- (В) Сопротивление поверхности грунта. Допустим электрод окружен концентрическими слоями грунта одинаковой толщины. Ближний к электроду слой имеет наименьшую поверхность, но наибольшее сопротивление. Следовательно, по мере удаления от электрода поверхность слоя увеличивается, а его сопротивление уменьшается. В итоге сопротивление становится незначительным. Та область, за пределами которой сопротивлением слоев земли можно пренебречь, называется областью эффективного сопротивления. Ее размер зависит от глубины погружения электрода в грунт.

Влияние размеров электрода и глубины его заземления.

Рисунок 13

Влияние размера: при увеличении диаметра штыря происходит незначительное снижение сопротивления, что хорошо заметно на Рисунке 13.

Минимальный диаметр стального штыря равен 1,59 см, а медного или покрытого медью стального штыря - равен 1,27 см [60].

На практике минимальный диаметр 3 м штыря заземления равен:

· 1,27 см для обычного грунта,

· 1,59 см для сырого грунта,

· 1,91 см для твердого грунта или для штыря длиннее 10 футов.

Влияние глубины заземления штыря: сопротивление заземления уменьшается с увеличением глубины. Согласно стандарту NEC [60] штырь нужно заземлять минимум на 2,4 м, чтобы обеспечить хороший контакт с землей (Рисунок 14). На практике штырь, заземляют на 3м.

Рисунок 14

Влияние удельного сопротивления грунта на сопротивление заземления электрода

Главным фактором в определении необходимой глубины заземления штыря является удельное сопротивление грунта. Оно сильно изменяется в зависимости от времени года и местности. Это происходит в значительной степени из-за зависимости от содержания в почве электропроводящих минералов и электролитов, которые представлены водой с растворенными в ней солями.

Помехи, побочные электромагнитные излучения и наводки

Помехи от высоковольтного и силового оборудования

Повреждение интерфейсов цепей и оболочек кабелей, связывающих аппаратуру на объекте с удаленнои? аппаратурой. Если цепи питания выходят за пределы объекта -- повреждение блоков питания (Рисунок 15).

Рисунок 15 Разности потенциалов между различными частями ЗУ

Повреждение интерфейсных элементов аппаратуры и оболочек кабелей, не выходящих за пределы объекта (Рисунок 16).

Рисунок 16 Искажение изображения на дисплеях (ЭЛТ)

Низкочастотные помехи в каналах связи.?

Грозовые потенциалы на элементах ЗУ.

Повреждение интерфейсов цепей и оболочек кабелей (как выходящих, так и не выходящих за пределы объекта). Повреждение блоков питания (Рисунок 17).

Рисунок 17 Поля и наводки от грозовых разрядов.

Наводки в цепях кабелей ? действуют примерно так же, как и помехи из-за грозовых потенциалов. Возможно непосредственное воздействие полей на аппаратуру (в основном ? устройства на базе ЭЛТ).

Рисунок 18. Стандартный грозовой импульс

Заземление молниеотводов вблизи от трасс кабелей

Плохое заземление молниеотводов ?

Возможен вынос потенциала по цепям питания. Помехи от низковольтного оборудования.

Помехи при коммутации реле и работе щеточных двигателей.

Ложные срабатывания, сбои и «зависания» цифровой аппаратуры. ?Кратковременное ухудшение качества каналов связи (Рисунок 19).

Рисунок 19 Низкое качество и прерывания напряжения питания.

В цепях питания происходят низкочастотные возмущения, основными источниками являются:

1. Резкие колебания нагрузки.

2. Нештатные режимы работы энергосистем.

Рисунок 20. Влияние резкого изменения нагрузки на остальных потребителей

Нелинейные элементы в сетях электропитания.

Наличие в сети питания нелинейных элементов способно значительно искажать формы кривых тока и напряжения. К таким элементам относятся сердечники трансформаторов, работающие в режиме, близком к насыщению, импульсные блоки питания аппаратуры, силовые полупроводниковые преобразователи и т.п.

Радиосредства.

Электромагнитное поле дифференцируется исходя из диапазона частот, на низкочастотные и радиочастотные. Границей между ними обычно выступает частота 150 кГц.

Их источниками выступают радио и ТВ передатчики, а также радары. Так же источниками могут выступать любые электрические приборы.

Зачастую общий уровень помех в радиочастотном диапазоне увеличивается за счет атмосферных и космических радиошумов, шумов от корон, а также радиочастотных шумов различной аппаратуры.

Эти помехи несут опасность для высокочувствительных приемников, однако уровни совпадения рабочих частот крайне редки. И основные сбои в работе подобной аппаратуры связаны с неудовлетворительными экранирующими свойствами ее корпуса или неправильной схемой заземления.

Электростатическии? разряд.

Электростатическии? разряд (ЭСР)? перераспределение заряда между телами, имеющими различный электростатический потенциал. Аккумуляция заряда создается при электризации трением; величины же зарядов зависят от размеров, формы и электрических свойств, взаимодействующих тел. Также нельзя сбрасывать со счетов влияние окружающей среды, особенно влажности.

Воздействие с аппаратурой происходит посредством попадания ЭСР на металлические части аппаратуры. За счет того, что спектр импульса содержит очень высокие частоты (длительность фронта ? около 1 нс, следовательно, частоты ? порядка гигагерц), оказывается значительное воздействие на внутренние узлы аппаратуры.

Действие на аппаратуру:

- сбои в работе высокоскоростных цифровых узлов, а также цифровых интерфейсных элементов;

- при подаче на разъемы, клавиатуры, элементы индикации и т.п. возможно физическое повреждение интерфейсных элементов.

Рисунок 21. Влияние ЭСР на отказ биполярных БИС (серия 1005)

Перекрёстные помехи в кабельных соединениях.

Электромагнитное влияние неэкранированных витых пар друг на друга (работающих параллельно) приводит к образованию перекрестных помех в структурированных кабельных (Рисунок 22).

- Перекрёстные помехи на ближнем конце (NEXT) - это помехи двух пар кабеля, измеряемые на том же конце кабеля, что и передатчик.

- Перекрёстные помехи на дальнем конце (FEXT) - это помехи двух пар кабеля, измеряемые на противоположном от передатчика конце кабеля.

- Внешние перекрёстные помехи (AXT) - это помехи, вызванные другими кабелями, проложенными близко к рассматриваемому кабелю.

Рисунок 22 Низкочастотные и высокочастотные излучения технических средств.

Источниками излучений чаще всего являются токопроводящие цепи, содержащие статические или динамические заряды. Носители информации могут попадать в цепи непосредственно в процессе обработки информации, а также через паразитные связи.

Вид излучения и характер распространения ЭМ-поля зависят от частоты колебания поля и вида излучателя. Различают низкочастотные и высокочастотные опасные излучения.

Низкочастотными считаются излучения звукового диапазона, источниками которых являются цепи и устройства звукоусилительной аппаратуры.

К высокочастотным опасным излучениям относятся электромагнитные поля, излучаемые цепями радиоэлектронных средств, по которым распространяются высокочастотные сигналы, содержащие защищаемую информацию

Паразитные связи и наводки.

Выделяют три вида паразитной связи:

емкостная - образуется в результате воздействия электрического поля;

индуктивная - образуется в результате воздействия магнитного поля;

гальваническая - через общее активное сопротивление.

Емкостная паразитная связь возникает между любыми двумя элементами схемы: радиоэлементами схемы и корпусом, проводами. При этом она пропорциональна диэлектрической проницаемости среды, диаметру провода и обратно пропорциональна расстоянию между проводами.

Переменный ток, протекающий по цепи А, создает магнитное поле, которое достигает проводников цепи B и наводят на них ЭДС. Эта ЭДС создает в сети В ток, а ток в свою очередь вызывает на нагрузке напряжение наводки - U_Н. При этом отношение = U_a/U_H называется коэффициентом паразитной индуктивной связи.

Взаимная индуктивность двух цепей зависит от их конфигурации и взаимного расположения. Естественно, она пропорциональна магнитному полю одной цепи, силовые линии которого пронизывают другую цепь.

Гальваническая паразитная связь образуется посредством общего сопротивления для нескольких цепей. Отношение _r = U_И/U_H называется коэффициентом паразитной гальванической связи.

Блуждающие токи

Блуждающие токи -- токи, возникающие в земле при её использовании в качестве токопроводящей среды. Они образуются на территории прокладки трамвайных и электрифицированных железнодорожных путей, обслуживание которых происходит ненадлежащим образом. В редких случаях они являются следствием аварийной утечки с линий электропередач (Рисунок 23).

Блуждающие ток вызывают коррозию металлических предметов, находящихся под землёй или соприкасающихся с поверхностью земли.

Рисунок 23

Молниезащита

Во время разрядов молнии появляется сильное магнитное и электростатическое поле, а также резко повышается потенциал земли в области заземления молниеотвода при ударе молнии. Все эти явления приводят к возникновению опасных для аппаратуры напряжений на кабелях промышленных сетей и цепей питания, а так же огромное количество электромагнитных наводок и помех. Наибольшая величина наводки получается при ударе молнии в близко расположенный молниеотвод.



ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Результат анализа

Детальный анализ правовых документов и регламентов, которые относятся к исследуемой области, позволяет нам найти определенные проблемы с возможностями заземления и обеспечения электромагнитной защиты радиотехнических комплексов, работающих в полевых условиях в среде теле- и радиовещания.

Тщательно изучив характер проблем, и применив их к автономным источникам питания, работающим в комплексе с оборудованием теле- и радиовещания можно выделить следующие, наиболее характерные и часто встречающиеся проблемы:

- проблема выбора универсальных видов и типов заземления в различных полевых условиях с разной погодой, влажностью и большим перечнем динамично меняющихся внешних факторов, которые влияют как на весь комплекс в целом, так и на каждый из компонентов оборудования в отдельности;

- проблема выбора универсальных средств заземления, в связи с широким спектром различных типов грунта в областях работы подобных комплексов;

- проблема выбора универсальных средств защиты от электромагнитных влияний, таких как: помехи, наводки, блуждающие токи, как естественные так и искусственные, разряды молний, электростатические заряды, паразитные связи и других;

- проблема обеспечения стабильной и правильной коммутации электрооборудования;

- проблема использования одних и тех же видов средств заземления и коммутации в различных температурных и погодных условиях.

Таким образом мы поставили перед собой задачу по составлению универсальных рекомендаций в данном направление, основываясь на правовых документах и регламентах, которые используются на практике как у нас в Российской Федерации, так и в других странах за рубежом.

В качестве правовой базы, в течение долгого изучения, были выбраны следующие документы, регламентирующие порядок заземления и защиты электронных средств:

- DIN EN 60747-5-2 (VDE 0884)/DIN EN 60747-5-5

- TIA-942

- UL 1577

- ГОСТ 9.602-2005

- ГОСТ 12.2.007.0-75

- ГОСТ 13109-97

- ГОСТ Р 50007-92

- ГОСТ Р 50397-92 (аутентичен ГОСТ 30372-95)

- ГОСТ Р 50571 (МЭК-364)

- ГОСТ Р 50648-94 (МЭК 1000-4-8-93)

- ГОСТ Р 51317.4.2-99 (МЭК 61000-4-2-95)

- ГОСТ Р 51317.4.3-99 (МЭК 61000-4-3-95)

- ГОСТ Р 51317.4.7-2008 (МЭК 61000-4-7:2002)

- ГОСТ Р 51350-99

- ГОСТ Р 52319-2005 (МЭК 61010-1:2001)

- ГОСТ Р МЭК 60950-2002

- ГОСТ Р ИСО/МЭК 50-2002

- МЭК 62305

- ПУЭ 7-е издание

- СНиП 3.05.06-85

- СО 153-34.21.122-2003

- РД 34.21 122-87

- УДК 004.056.53

Основываясь на данный перечень, и проверяя рекомендации научно-практическим путем, мы собираемся составить ряд реальных практических рекомендаций в области заземления и электромагнитной защиты радиотехнических комплексов, находящихся в полевых условиях.

Опираясь на базовые рекомендации по строительству заземлителей стандарта РД 34.21 122-87, а также на типизацию различных видов электроустановок, представленных в ПУЭ, можно активно пробовать различные виды заземлителей в комбинациях с электроустановками в каждой из возможных рабочих сред, где гипотетически возможна работа в области теле- и радиовещания.



ГЛАВА 3. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Теоретические основы решения

Защита от излученных и наведенных помех.

Проблема защиты от воздействия мощных электромагнитных помех состоит в подавление возмущения в источнике ЭМИ (при наличии такой возможности), повышении стойкости рецептора помех, и/или воспрепятствовании воздействия источника помех на объект через среду распространения электромагнитной энергии. Когда источник не управляем (например, молния, передатчики и т.д.), то основным путем решения задачи защиты становиться управление свойствами рецептора или изменения свойств среды распространения электромагнитной энергии.

Одним из общих подходов защиты состоит в установке некоторого электромагнитного барьера между источником и рецептором помех. Для источников вне системы, барьер может применяться на уровне систем. Для источников внутри системы, чтобы управлять эмиссией, и один в рецепторе, чтобы управлять восприимчивостью.

Устройства защиты интерфейсов используются для ослабления кондуктивных электромагнитных возмущений от окружающей среды в цепи внутренней (относительно экрана) области, и наоборот, ограничивают кондуктивную помехоэмиссию от внутренних источников помех, в окружающую среду. Это предполагает, что необходимо применять двунаправленные устройства защиты. Таким образом, только совместное применения экранов и устройств защиты интерфейсов могут обеспечить электромагнитную совместимость ТС и их защиту.

Основным требованием, предъявляемым к защитному элементу, является обеспечение его минимального влияния на работу защищаемой цепи (устройства, аппаратуры) при отсутствии ЭМИ.

Защита от воздействия ЭМИ организуется по ступенчатому принципу: грубая защита снижает уровень мешающих напряжений в цепях ТС до определенных значений, последующая ступень снижает уровень помех до приемлемого уровня.

Защита от помех, проникающих через входящие и исходящие интерфейсы, может быть достигнута за счет ограничения по амплитуде путем короткого замыкания пути проникновения помех на экран (устройства защиты напряжений), с помощью ограничения по диапазону рабочих частот (фильтров) или комбинацией обоих методов защиты.

Защита от воздействия ЭМИ строится по ступенчатому принципу: 1 ступень - снижение амплитуды помехи до 1 кВ и менее (экраны, разрядники, ВОЛС); 2 ступень - снижение амплитуды помехи до 100 В и менее, увеличение длительности фронта (фильтры); 3 ступень - снижение амплитуды помехи до 0,1 В и менее (высокочастотные диоды и т.п.).

Структурно-функциональные методы защиты заключаются в изменении функциональных принципов построении устройства или их отдельных частей и структуры используемых сигналов для повышения стойкости к воздействию ЭМИ за счет используемой модуляции или кодирования сигнала, применения алгоритмических методов и датчиков, фиксирующих начало действия ЭМИ, сигнал с которых является командой для блокировании нежелательных эффектов, возникающих в устройстве.

Плавкие ограничители не рекомендуется для применения при защите от мощного ЭМИ.

Ограничитель на основе нелинейного сопротивления рекомендуются для защиты от мощного ЭМИ.

Для защиты цепей питания применяются развязывающие трансформаторы, стабилизаторы напряжения и источники бесперебойного питания. В развязывающем трансформаторе создаётся разрыв для синфазной помехи в контуре заземления сигнального или силового кабеля. Индуктивная связь допускает нормальную передачу дифференциального напряжения, в то время как гальваническая изоляция препятствует прохождению синфазного напряжения через трансформатор. Особенное внимание следует уделять качеству заземления трансформатора: если соединение с шиной опорного напряжения отсутствует, то защитные свойства трансформатора полностью теряются.

Сигнальные трансформаторы применяют, когда нужно обеспечить развязку от постоянного тока до десятков мегагерц, передать низкоуровневые (менее 10 мВ) аналоговые сигналы с минимальными искажениями и потерями, при наличии помех общего вида на сигнальной линии связи.

Решением задач ЭМС, вызванных колебаниями, пульсациями напряжения или даже прерыванием питания в линии с переменным током, является применение стабилизаторов напряжения и источников бесперебойного питания.

На силовом входе оборудования, телефонных линиях или на других внешних вводах рекомендуется использовать варисторы, при условии, что предшествует более мощный ограничитель для того, чтобы снизить энергию мощных импульсов.

Варисторы на основе окиси металла (МОВ) всегда двунаправленные и удобны для использования как основные и вторичные элементы защиты на силовых сетях переменного тока. Максимальный пиковый ток варисторов должен определяться для одиночных импульсов 8/20 и 10/1000 мкс. При установке варисторов следует минимизировать индуктивность проводников, соединяющих варистор с остальными элементами.

Газоразрядные трубки устанавливаются параллельно нагрузке, защищая ее от мощных кондуктивных помех. Высокое сопротивление и низкая емкость (обычно менее 3 пФ) в непроводящем состоянии и высокая токопроводящая способность (несколько кА) в проводящем состоянии при относительно малых размерах и стоимости - отличительная черта данного типа ограничителей. Максимальное импульсное напряжение зажигания разряда определяется при скорости изменения напряжения 100 кв/мкс и 1 кВ/нс или выше.

Для применения в высокочастотных цепях применение нашли искровые разрядники и четвертьволновый закорачивающий шлейф в коаксиальном исполнении. Применение подобных устройств требует тщательного согласования условий применения, качества передачи полезного сигнала и воздействующих помеховых сигналов. Относительно малые размеры отмеченных типов ограничителей позволяют применять их в малогабаритной аппаратуре. При выборе типа коаксиального ограничителя надо учитывать остаточное напряжение и его токонесущую способность.

Эффективную защиту обеспечивает комбинация ограничителей (разрядников) с нелинейными резисторами. Разрядники обеспечивают высокое сопротивление изоляции в закрытом состоянии, а нелинейные резисторы ограничивают ток.

Таблица 2 - Характеристики различных ограничителей напряжения

Параметр	Газоразрядная лампа	Варистор	Супрессор
Ток утечки	Минимум (пикоамперы)	Небольшой (микроамперы)	Небольшой (микроамперы)
Остаточное напряжение	Высокое при зажигании, низкое при ограничении	Низкое/среднее	Низкое
Ток	Большой (десятки килоампер)	Большой (порядка 10 кА)	Низкий (порядка 100 А)
Время отклика	Среднее/медленное (0,1-1 мкс)	Относительно быстрое (<25 нс)	Быстрое (<1 нс)
Сопровождающий ток	Есть	Нет	Нет
Проходная емкость	Низкая (1 пФ)	Средняя/высокая (500 пФ)	Высокая (1000 пФ)
Характер потери свойств	Незамкнутая цепь	Короткое замыкание	Короткое замыкание

Комбинированные схемы защиты состоят из основного и вторичного защитного элемента или фильтра и содержат, по крайней мере, один последовательный элемент для развязки основного и вторичного компонента. Первичный элемент играет роль защиты от перегрузок, а вторичный - ограничивает напряжение.

Согласно требованиям (МЭК 1000-5-5) защитные устройства должны тестироваться на воздействие разрядного тока импульсом 8/20 и 10/1000 мкс. Для зашиты от молнии обычно используются 300 импульсов 10/1000 мкс, для мощного ЭМИ более применимы 30 импульсов 10/1000 мкс. Импульсы для тестирования первичного элемента должны также применяться для тестирования комбинированных схем зашиты.

Выбор концепции защиты зависит в основном от важности защиты для данной группы установок или оборудования и уровня стойкости оборудования в конкретных установках.

С топологической точки зрения могут рассматриваться два возможных подхода: глобальная защита одних или нескольких ТС, основанная на топологических концепциях экранирования и распределенная защиты каждого ТС или каждого устройства одной установки, которая включает приемы повышении стойкости на уровне оборудовании.

Помимо сетевых помех возможны также электромагнитные наводки от стоящих рядом мощных радиоустановок, телевизоров, радаров или диатермического оборудования. Шунтирования входов и выходов усилителя специальными небольшими емкостями, которые представляют большое сопротивление для ЭКГ-сигналов и малое сопротивление (цепь замыкается накоротко) для радиочастотных сигналов.

Витая пара - изолированные проводники, которые для уменьшения перекрестных наводок между проводниками попарно свиты между собой. Подобный кабель, в отличие от параллельной пары проводов, состоит обычно из маленького количества витых пар (иногда даже двух), отличается меньшим затуханием сигнала при передаче на высоких частотах и малой чувствительностью к электромагнитным наводкам.



Блуждающие токи, защита

Катодная защита -- представляет собой электрохимическую защиту от коррозии, основанную на наложении отрицательного потенциала на защищаемую деталь. Эту защиту обычно используют в комплексе с нанесением защитных покрытий.

Сдвиг потенциала защищаемого металлического объекта производится при помощи внешнего источника постоянного тока (станции катодной защиты) или путем соединения с протекторным анодом, изготовленным из более электроотрицательного металла чем защищаемый объект. Тогда на всех участках начинает протекать исключительно катодный процесс, в следствии того что поверхность защищаемого образца (детали конструкции) становится эквипотенциальной. А определяющий коррозию анодный процесс перенесётся на вспомогательные электроды (Рисунок 23).

Рисунок 23

Электрический дренаж

Электрический дренаж состоит в отводе блуждающих токов от металлических оболочек кабелей к источнику этих токов.

Методы экранирования.

Из преподнесенного выше материал, о путях прохождения помехи, исходят методы экранирования сигнального. Для ликвидации паразитной емкостной связи и электростатических зарядов применяют электростатический экран в виде проводящей трубки, охватывающей экранируемые провода, а для того чтобы защититься от магнитного поля применяют экран из материала с высокой магнитной проницаемостью.

При условии, что точки заземления концов кабеля разнесены на большое расстояние, между ними может существовать разность потенциалов, характеризующаяся блуждающими токами в земле или помехами в шине заземления.

Рисунок 24. Правильное заземление экрана. Конденсатор используется для ослабления высокочастотных помех

Рисунок 25. Заземление экрана длинного кабеля на высоких частотах

Заземление оплетки кабеля необходимо со стороны источника сигнала, только так путь для прохождения тока помехи отсутствует. В ином случае, то есть заземление со стороны приемника, ток помехи будет течь по пути, представленному на штриховой линии, иными словами он будет проходить через емкость между жилами кабеля, создавая на ней и, следовательно, между дифференциальными входами, напряжение помехи.

Когда источник сигнала не заземлен (например, термопара), то экран можно заземлять с любой стороны, по причине того, что не образуется замкнутый контур для тока помехи.

При частотах более 1 МГц увеличивается индуктивное сопротивление экрана и токи емкостной наводки приводят к значительному падению напряжения, которое может передаваться на внутренние жилы через емкость между оплеткой и жилами. Помимо всего прочего, при длине кабеля, сопоставимой с длиной волны помехи (длина волны помехи при частоте 1 МГц равна 300 м, на частоте 10 МГц - 30 м) возрастает сопротивление оплетки, что резко повышает напряжение помехи на оплетке. Из всего вышеизложенного следует необходимость заземления кабеля не только с обеих сторон, но и в нескольких местах. Подобные точки выбираются исходя из расстояниями 1/10 длины волны помехи между одной и другой. Часть тока при этом будет течь по оплетке кабеля.

Рисунок 26. Двойное экранирование длинного кабеля

В широком спектре частот используют двойной экран, так как он позволяет более эффективен. Тогда внутренний экран заземляют со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение емкостной помехи по механизму, а внешний экран уменьшает высокочастотный наводки.

Однако во всех случаях экран должен быть изолирован, чтобы предотвратить случайные его контакты с металлическими предметами и землей.

Экраны кабелей для защиты от молнии

От магнитного поля молнии используют сигнальные кабели, проходящие по открытой местности, они должны быть проложены в металлических трубах из ферромагнитного материала, например, стали, не не нержавеющую. Эти трубы играют роль магнитного экрана. Их прокладывают под землей, а в случае наземного расположения их заземляют через каждые 3 метра. Так же необходимо экранировать кабель и заземлить экран. Причем заземление экрана должно быть произведено с минимальным сопротивлением на землю.

Радикальным решением проблемы защиты от молнии в зданиях является использование оптоволоконного кабеля.

Заземление при дифференциальных измерениях

Рисунок 27. Заземление аналоговых входов через сопротивления для уменьшения синфазной помехи

Как можно видеть из Рисунка 27 при отсутствии сопротивления у источника сигнала при дифференциальном измерении образуется "плавающий вход". Это чревато тем, что на плавающий вход может наводиться статический заряд от атмосферного электричества или входного тока утечки операционного усилителя. Эту проблему позволяют решить резисторы с сопротивлением от 1 МОм до 20 МОм модулей аналогового ввода, соединяющие аналоговые входы с землей. Однако при высоком уровне помех или большом сопротивлении источника сигнала сопротивление 20 МОм может оказаться недостаточным, в следствии чего возникает необходимость использовать дополнительные внешние резисторы с сопротивлением до 1 МОм или конденсаторы с таким же сопротивлением на частоте помехи (Рисунок 27).



Молниезащита и защита от перенапряжений

Молниезащита должна соответствовать РД 34.21.122-87 "Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений" [45], а для радиообъектов - инструкции.

Основными факторами, оказывающими опасные влияния при ударе молнии, являются бросок потенциала земли, возникновение высокой разности потенциалов между токопроводящими частями, электромагнитное излучение.

Защитой от этих факторов служат, соответственно:

- возможно более низкое сопротивление растеканию тока молнии молниезащитного заземления;

- эквипотенциальное соединение;

- экранирование конструкциями, представляющими из себя СОПП.

Молниезащита может быть улучшена посредством проводящих покрытий крыши, соединенных с ОСС, применения металлических покрытий фасадов.

Требования к системе уравнивания потенциалов

В связи с тем, что разработка главы 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» ПУЭ 7 издания задерживается[42], ассоциация "РОСЭЛЕКТРО-МОНТАЖ" разработала технический циркуляр, утвержденный Госэнергонадзором [50].

В соответствии с циркуляром:

«2.5.1. В каждой электроустановке здания должна быть выполнена главная система уравнивания потенциалов, соединяющая между собой следующие проводящие части:

- защитный проводник (РЕ- или PEN- проводник) питающей линии;

- заземляющий проводник, присоединенный к естественному или искусственному заземлителю; металлические трубы коммуникаций, входящих в здание;

- металлические части централизованных систем вентиляции и кондиционирования;

- при наличии децентрализованных систем вентиляции и кондиционирования металлические воздуховоды следует присоединять к шине РЕ шкафов питания кондиционеров и вентиляторов;

- система молниезащиты;

- заземляющий проводник функционального (рабочего) заземления, если такое имеется, и отсутствуют ограничения на присоединение цепей функционального заземления к заземляющему устройству защитного заземления.» [50]

Соединение указанных проводящих цепей между собой следует выполнять при помощи главной заземляющей шины.

«2.5.2. Главная заземляющая шина может быть выполнена внутри вводного устройства или отдельно от него. Внутри вводного устройства в качестве заземляющей шины следует использовать шину РЕ. При отдельной установке главная заземляющая шина должна быть расположена в доступном, удобном для обслуживания месте, вблизи вводного устройства электроустановки здания. РЕ- проводник (PEN- проводник) питающей линии должен быть подключен к шине РЕ заземляющего устройства, которая соединяется с главной заземляющей шиной при помощи проводника, проводимость которого должна быть не менее проводимости РЕ (PEN) проводника питающей линии. При выполнении главной заземляющей шины как внутри вводного устройства, так и при отдельной установке, ее проводимость должна быть не менее проводимости PEN- проводника питающей линии.

2.5.3. Главная заземляющая должна быть как правило медной. Допускается выполнение главных заземляющих шин из стали. Применение главных заземляющих шин из алюминия не допускается.

2.5.4. Если здание имеет несколько обособленных вводов, главная заземляющая шина должна быть выполнена для каждого вводного устройства. При наличии одной или нескольких встроенных ТП главная заземляющая шина должна устанавливаться возле каждой подстанции. Эти шины должны быть соединены между собой при помощи проводника системы уравнивания потенциалов, проводимость которого должна быть не менее половины проводимости наибольшего PEN-проводника линий, питающих здание.

Для соединения могут быть использованы так же сторонние проводящие части, обеспечивающие непрерывность цепи и обеспечивающие необходимую проводимость.

2.5.5. Замечания автора: на объектах связи целесообразно применять главную заземляющую шину, конструктивно выполненную отдельно от вводного устройства; технические требования к системе уравнивания потенциалов должны быть повышены (см. 3.1, 3.2); относительно нескольких вводов (см. 3.4)» [50].

Устройства защитного отключения

Попадание фазного напряжения на металлический корпус в следствии нарушения изоляции является стандартным случаем неисправности электрооборудования. Следующие варианты возможны в зависимости от реализованных защитных мер: