4. Автономное заземление

К системе защитного заземления промышленного объекта могут быть подключены силовые установки, поставляющие большой ток помехи в провод заземления. Поэтому для точных измерений может потребоваться отдельная земля, выполненная по технологии искусственного заземления в грунт. Такое заземление соединено с общим заземлением здания только в одной точке для целей выравнивания потенциала между разными землями, что важно при ударе молнии.

Второй вариант автономной, чистой земли можно получить с помощью изолированного провода, который нигде не соединяется с металлическими конструкциями здания, но соединяется с основной клеммой заземления у ввода нейтрали питающего фидера в здание. Такое заземление делают из медной шины с поперечным сечением не менее 13 мм².

5. Заземляющие проводники

Проводники, соединяющие оборудование с заземлителем, должны быть по возможности короткими, чтобы снизить их активное и индуктивное сопротивление. Для эффективного заземления на частотах более 1 МГц проводник должен быть короче 1/20 , а лучше 1/50 длины волны самой высокочастотной гармоники в спектре помехи ( п. ххх1.2.6). При частоте помехи 10 МГц (длина волны 30 м) и длине проводника 7,5 м (1/4 от длины волны) модуль его полного сопротивления на частоте помехи равен бесконечности, т.е. такой проводник можно использовать в качестве изолятора на частоте помехи, но не для заземления.

При наличии фильтров в СА за максимальную частоту влияющей помехи можно принимать верхнюю граничную частоту фильтра.

Чтобы снизить падение напряжения на заземлителе, надо уменьшать его длину. Индуктивное сопротивление провода заземления на частоте помехи f равно X_L = 2πfLa, где L в типовых случаях равно примерно 0,8 мкГн/м (погонная индуктивность провода), a - длина провода.

Если провода заземления располагаются близко один от другого, то между ними передается помеха через взаимную индуктивность. Это особенно существенно на высоких частотах.

Заземляющий проводник не должен касаться других металлических предметов, поскольку такие случайные нестабильные контакты могут быть источником дополнительных помех.

6. Модель земли

Электрическая модель системы заземления, показана на рис.ххх1.14. При составлении модели предполагалось, что система заземления состоит из заземляющих электродов, соединенных между собой сплошной шиной заземления, к которой приварена пластина (клемма) заземления. К клемме заземления подсоединяются, к примеру, две шины (проводника) заземления, к которым в разных местах подключается заземляемое оборудование.

Если шины заземления или заземляющие проводники проходят близко один от другого, то между ними существует магнитная связь с коэф-том взаимной индукции (рис. ххх1.14). Каждый участок проводника (шины) системы заземления имеет индуктивность и сопротивление, и в нем через э-м индукцию наводится э.д.с. помехи E_пом. На разных участках шины к ней подсоединено оборудование автоматики, поставляющее в нее ток помехи, вызванный указанными причинами, и ток цепей питания, возвращающийся к источнику питания по шине земли. На рис. ххх1.14 изображено также сопротивление между заземляющими электродами и ток помехи, протекающий по земле, например, при ударах молнии или при к.з. на землю мощного оборудования.

Рис. ххх1.14. Электрическая модель системы заземления

Если шина сигнального заземления используется одновременно для питания СА (чего следует избегать), то необходимо учитывать ее сопротивление. Сопротивление медного провода длиной 1 м и диаметром 1 мм составляет 0,022 Ом. В ПА при расположении датчиков на большой площади (например в элеваторе), длина заземляющего проводника может достигать 100 м и более и его сопротивление составит 2,2 Ом. При количестве СА, питаемых от одного источника, равном 20 и типовом токе потребления одного модуля 0.1А падение напряжения на сопротивлении заземляющего проводника составит 4.4 В.

При частоте помехи более 1 МГц возрастает роль индуктивного сопротивления цепи заземления, а также емкостной и индуктивной связи между участками цепей заземления. Провода заземления начинают излучать э-м волны и сами становятся источниками помех.

Н

Рис.1.15. Зависимость модуля полного комплексного сопротивления заземляющего проводника от длины провода

а высоких частотах проводник заземления или экран кабеля, проложенный параллельно полу или стене здания, образует совместно с заземленными металлическими конструкциями здания длинную линию с волновым сопротивление порядка 500...1000 Ом, к.з. на конце. Поэтому сопротивление проводника для высокочастотных помех определяется не только его индуктивностью, но и явлениями, связанными с интерференцией между падающей волной помехи и отраженной от заземленного конца провода

Зависимость модуля полного комплексного сопротивления между точкой подключения проводника к заземляемому оборудованию и ближайшей точкой железобетонной конструкции здания можно приблизительно описать закономерностью для 2-проводной воздушной линии передачи:

Z_BX ≈ R_В tg(2πL/λ), (1.8)

где R_B - волновое сопротивление, L - длина проводника заземления; λ - длина волны помехи; λ ≈ с/f, с - скорость света в вакууме (300 тыс. км/с); f - частота помехи.

График, построенный по приведенной закономерности для типового проводника заземления (экрана) диаметром 3 мм при расстоянии до ближайшего прута железобетонной арматуры здания 50 см (при этом волновое сопротивление составляет 630 Ом), приведен на рис.ххх1.15. Видно, что когда длина проводника приближается к 1/4 длины волны помехи, его сопротивление резко возрастает.

Таким образом, шина земли является в общем случае «грязной землей», источником помех, имеет активное и индуктивное сопротивление. Она является эквипотенциальной только по защите от поражения электрическим током, но не по передаче сигнала. Поэтому если в контур, включающий источник и приемник сигнала, входит участок «грязной земли», то напряжение помехи будет складываться с напряжением источника сигнала и прикладываться ко входу приемника.