- •Классификация электромагнитной обстановки и степени жесткости испытаний объектов на помехоустойчивость
- •Общие положения
- •1.2 Воспроизведение электромагнитных помех при испытаниях автоматических и автоматизированных систем технологического управления электротехническими объектами
- •2 Каналы передачи электромагнитных помех и способы их ослабления
- •Моделирование механизмов связи
- •2.2 Упрощенные модели передачи электромагнитных помех и методы их снижения
- •2.2.1 Связь через общее полное сопротивление
- •2.2.2 Магнитная связь
- •2.2.4 Связь излучением
- •2.2.3 Емкостная связь
- •3 Особенности практической реализации методов снижения помех и оценка вероятных уровней помех
- •3.1 Общие положения
- •3.2 Основные концепции выполнения заземления и прокладки кабелей
- •3.3 Фильтры
- •3.4 Устройства защиты от перенапряжений
- •3.5 Ограничение уровней гармоник напряжений и токов
- •4 Ограничения коммутационных электромагнитных помех в цепях управления с индуктивными элементами
- •4.1 Физические процессы при коммутациях в индуктивных цепях
- •4.2 Критерии оценки схем защиты от помех
- •4.3 Схемы защиты от помех для устройств постоянного тока
- •4.4 Схемы защиты от помех для устройств переменного тока
- •4.5 Схемы защиты от помех для трехфазных установок
- •4.6 Схемы защиты от помех для люминесцентных ламп
- •5 Подавление помех
- •Грозозащита — концепция грозозащитных зон
- •5.2 Проблемы эмс в лабораториях высоких напряжений и в электрофизических установках
- •5.3 Измерения дифференциальными усилителями
- •6 Экспериментальное определение помехоустойчивости
- •6.1 Имитация помех, поступающих по проводам
- •6.1.1 Имитация низкочастотных помех и миллисекундных импульсов в сетях низкого напряжения
- •6.1.2 Имитация широкополосных низкоэнергетических помех в виде пачек импульсов коммутационных перенапряжений
- •6.1.3 Имитация широкополосных мощных перенапряжений (гибридный генератор)
- •6.1.4 Имитаторы разрядов статического электричества
- •6.1.5 Имитация узкополосных помех
- •6.1.6 Серийные приборы
- •6.2 Имитация квазистатических полей и электромагнитных волн
- •6.2.1 Имитация узкополосных полей помех
- •6.2.2 Имитация широкополосных волновых электромагнитных полей
- •6.2.3 Имитация квазистатических полей и электромагнитных волн при помощи генератора тока
- •7 Измерение параметров средств защиты от помех
- •7.1 Экранирующее действие оболочек кабелей
- •7.1.1 Экранирование квазистатических магнитных полей оболочки
- •7.1.2 Экранирование квазистатических электрических полей
- •7.1.3 Экранирование электромагнитных волн
- •7.2 Экранирующие корпусы приборов и стенки помещений
- •7.3 Коэффициент затухания материалов экрана
- •7.4 Коэффициент затухания уплотнений
- •7.5 Коэффициент затухания, обусловленный поглощающими стенами
- •7.6 Коэффициент затухания фильтра
- •8 Некоторые общие проблемы электромагнитной совместимости
- •8.1 Подавление помех, вызываемых выключением катушек
- •8.2. Подавление помех, создаваемых универсальными коллекторными двигателями
- •8.3 Разряды статического электричества
- •8.4 Защита сети электропитания
2.2.2 Магнитная связь
Магнитная (индуктивность) связь (наряду со связью через общее полное сопротивление), является наиболее часто встречающимся видом проникновения помех. Данная связь имеет место в любом случае, когда две цепи имеют общий магнитный поток. Обычно таким случаем является ситуация, когда земля является частью обеих цепей и, по крайней мере, по одному проводнику протекает ток.
В простейшем случае, приведенном на рисунке 2.5, связь образуется между двумя параллельными проводниками, расположенными над поверхностью земли, которая служит обратным проводом для обоих контуров.
Рисунок 2.5 – Индуктивная связь
Предположим,
что цепь
является
источником возмущения, цепь
-
приемником, а полезный сигнал
(ток) в этой цепи много меньше, чем ток
цепи, создающий
помеху, вследствие чего его влиянием
на вторую цепь можно
пренебречь. Темная зона представляет
собой площадь, пронизываемую общим
магнитным потоком и определяющую, таким
образом,
величину взаимной индуктивности
между
двумя контурами.
Решение
уравнений, описывающих данную цепь,
показывает, что
напряжение
является
суммой напряжения полезного сигнала
и индуцированного напряжения помехи
.
Если
два контура расположены вблизи друг от
друга, то величина
М
приближается
к значению
,
что
при сравнении выражения на рисунке
2.5 с выражением на рисунке 2.2 позволяет
утверждать, что величина
играет здесь ту же роль, что и
.
Этот
факт
говорит о
том, что механизмы связи через общее
полное сопротивление и посредством
взаимной индуктивности иногда трудно
различимы.
На
самом же деле, различие является
искусственным и связано с
особенностями теории цепей. Сложность
при использовании теории
цепей состоит в том, что применение
второго закона Кирхгофа
вместо
подразумевает,
что выражение
заменяется
на
.
Отсюда вытекает требование о том, что индуктивность L может быть определена только для замкнутого контура (то есть цепи), сцепленного с магнитным потоком Ф.
Данное утверждение приводит к следующим важным выводам:
падение напряжения между двумя точками в пространстве нельзя определить однозначно, так как оно зависит от пути, используемого для проведения измерений;
наведенные напряжения не могут быть сосредоточены в какой-либо части обмотки (исключением является падение напряжения между выводами катушки индуктивности, так как считается, что магнитный поток внутри сердечника много больше внешнего потока);
индуктивность свойственна только замкнутой петле.
Однако, можно однозначно наделить индуктивностью часть петли. В действительности же, основным понятием, о котором следует помнить, имея дело с понятиями собственной или взаимной индуктивности цепи, является отношение магнитного потока, создаваемого цепью или сцепленного с ней, к току. Понятие магнитного потока универсально и не связано ни с какими упрощенными теориями. Данное понятие может быть применено вне зависимости от частоты колебаний поля и размеров цепи.
Однако, сделав подобные выводы, можем задаться вопросом: а правомерно ли говорить об индуктивности одиночного провода?
Падение напряжение между двумя точками цепи зависит от пути измерения. Пусть имеется труба и три цепи измерения падения напряжения на ней (рисунок 2.6).
Рисунок 2.6 – Падение напряжение между двумя точками цепи
Контур измерения 1. Измеряются сумма падений напряжений на активном сопротивлении трубы и ЭДС, наведенная во внешней петле.
Контур
измерения 2. Измеряется только резистивное
падение напряжения
(на
внешней поверхности трубы), увеличивающееся
на высоких частотах вследствие
поверхностного эффекта.
Контур
измерения 3. Измеряется падение напряжение
на внутренней поверхности трубы
,
так как с увеличением частоты ток
вытесняется
на поверхность трубы, то падение
напряжения
также
уменьшается. Вследствие того, что
магнитное поле не проникает
внутрь трубы, отсутствует наведенная
(как в первом случае)
ЭДС.
В литературе часто встречаются значения погонной индуктивности одиночного провода — 1-2 мкГн/м. Что под этим подразумевается?
Чтобы разобраться с этим вопросом, необходимо обратиться к формуле для расчета погонной индуктивности двух бесконечно длинных параллельных проводников.
Индуктивность бесконечно длинного провода радиусом r, расположенного на высоте h над абсолютно проводящей поверхностью земли, может быть рассчитана как
.
Принимая радиус провода равным 5 мм и варьируя высоту провода над поверхностью земли в диапазоне от 25 см до 25 м (что эквивалентно размещению обратного провода (отражения проводника в земле) на расстоянии от 0,5 до 50 м), получим, что при m=m0 величина индуктивности петли находится в диапазоне от 0,9 до 1,8 мкГн/м.
На практике это означает следующее. При рассмотрении вопросов ЭМС в случае, когда обратный провод находится на расстоянии, много большем радиуса проводника (или эквивалентного радиуса - при рассмотрении кабеля), можно говорить об индуктивности (в действительности о собственной индуктивности) величиной 1 мкГн/м.
Вернемся к первоначальной теме изложения — проблеме магнитной связи и рассмотрим возможные пути ее ослабления.
Использование симметричных цепей и уменьшение площади петли (стратегия разомкнутой цепи). Устранение общих обратных проводов и уменьшение площади петли может быть достигнуто посредством симметрирования контура 1 по отношению к земле (рисунок 2.7), то есть созданием симметричной цепи.
Рисунок 2.7 – Ослабление индуктивной связи созданием симметричной цепи
Напряжения, создаваемые между проводниками симметричной цепи, относятся к противофазным напряжениям, иногда называемым напряжением дифференциального типа, нормального типа, в отличие от синфазных напряжений, возникающих между проводниками и землей, которые иногда называют напряжениями общего вида, продольными напряжениями.
Отношение напряжения помехи в цепи с отдельным обратным проводом к напряжению помехи, наводимому в цепи с общим обратным проводом, выраженное в децибелах, в литературе по системам связи носит название коэффициента продольных потерь на преобразование, а в теории цепей - коэффициента снижения помехи общего вида. Количественно он сильно зависит от несимметричности цепи (линии и оконечного оборудования) по отношению к земле.
Наилучшим методом для симметрирования цепи является применение витых пар. В этом случае ЭДС, наводимые в каждой петле, компенсируют друг друга (смотри рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 – Дополнительное ослабление индуктивной связи при помощи витой пары
Эффект ослабления помехи от применения витой пары (по отношению к обычным проводам) растет с увеличением числа витков на единицу длины и с увеличением длины кабеля, и падает при увеличении сопротивления нагрузки.
На низких частотах возможно снижение уровня помех более, чем в 100 раз (на 40 дБ), при расстоянии между двумя последовательными перестановками проводов 5 см. Большее снижение помех становится затруднительным вследствие небольшой асимметрии внутри самого кабеля и на его концах. Более того, при частотах более 100 кГц польза от использования витой пары уменьшается и почти совсем пропадает при частотах выше нескольких МГц. Что касается численных значений коэффициента ослабления, то они варьируются (для одиночной витой пары) от 90 дБ на низких частотах до 30 дБ на частоте 1 МГц.
Экранирование. Другим способом ослабления индуктивной связи между контурами 1 и 2 является прокладка около первого проводника (или, как будет видно далее, около второго проводника) короткозамкнутого контура 3, сцепленного с магнитным потоком, как можно более близким к магнитному потоку контура 1 (или 2) (смотри рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 – Экранирование магнитного поля при помощи заземленного проводника
Контур 3 взаимодействует с магнитным потоком подобно короткозамкнутой вторичной обмотке трансформатора. В соответствии с законом Ленца ток в третьем контуре I3 вызывает появление магнитного потока той же величины, что и вызвавший его поток, но противоположного знака, и, таким образом, компенсирует его.
Единственный способ удостовериться, что потоки, охватываемые контурами 1 и 3 (или 2 и 3), одинаковы, это использовать в качестве третьего проводника трубку, окружающую проводник 1 или 2. Таким образом, получается экран, заземленный на обоих концах (рисунок 2.10).
Рисунок 2.10 – Экранирующее действие трубчатого проводника, окружающего цепь приемника
Экранирование
цепи приемника помехи. Рассмотрим
более детально
эффективность такого экранирования,
для чего получим решение
уравнений цепи, изображенной на рисунке
2.9 для схемы рисунок
2.10. Для простоты предположим, что
и
,
то есть током
по сравнению с
и
можно пренебречь:
(2.1)
(2.2)
Здесь
Если проводник 3 расположен очень близко к проводнику 1, то магнитные потоки, сцепленные с обеими цепями, почти одинаковы. Отсюда следует, что М12=М32 и Z12=Z32.
Из (2.2) следует
(2.3)
или
(2.4)
Пусть
и
- магнитные потоки, сцепленные с контуром
экрана и проводника 1 соответственно,
созданные током в экране
.
Тогда
;
.
Если
экран представляет собой совершенный
цилиндр, то внутри
него магнитный поток отсутствует, и
тогда
.
В
реальных условиях, когда экран выполнен
из фольги, сплетен
из проволоки и т.д., ток в экране создает
некоторую продольную или радиальную
составляющую магнитного потока, не
сцепленную
с первым контуром. Тогда разность
не равна нулю
и называется передаточной индуктивностью
(обычно передаточная
индуктивность выражается на единицу
длины, и, таким образом,
должна быть умножена на длину l
цепи, которая должна быть
много меньшей длины волны).
Подобно
погонному сопротивлению, величина
называется
передаточным сопротивлением экрана
или сопротивлением
связи, через общий проводник (то есть
экран) и является характерным свойством
кабеля, поэтому выражение для расчета
наведенного в контуре 1 напряжения
принимает
вид:
, (2.5)
где
(2.6)
В этом выражении:
- напряжение
помехи
(продольная наведенная ЭДС), появляющееся
на нагрузке цепи
l,
если экран отсутствует;
- коэффициенты
ослабления. Он представляет собой
отношение напряжения
помехи, измеренного при наличии
заземленного экрана, к этому
же напряжению в отсутствие экрана.
Выраженный в дБ, он носит
название коэффициента эффективности
экранирования или
коэффициента экранирования S).
.
В
формулах (2.5) и (2.6)
- активное сопротивление пути возврата
тока экрана через землю, то есть удвоенное
сопротивление заземления
одного из концов (при допущении о том,
что
поровну
разделено на обе стороны экрана).
Таким образом, для получения возможно большего эффекта снижения помехи необходимо, чтобы передаточное сопротивление было много меньше полного сопротивления экранирующей цепи (включая путь возврата через землю).
Факторы,
влияющие на коэффициент экранирования.
Причина,
по
которой индуктивность
должна оставаться большой, это
необходимость иметь возможно более
тесно связанные контуры 1 и 3 для
достижения равенства потоков
.
Наиболее
действенный ограничивающий фактор в
деле снижения
напряжения помехи обусловлен сопротивлением
экрана
(при высоких частотах
).
Заметим, что величина присутствующая одновременно в числителе и в знаменателе выражения для определения , не является в нем определяющей. Очевидно, что увеличение приводит к росту падения напряжения на контуре заземления и, соответственно, продольного напряжения помехи (связь через общее сопротивление).
Более сложным является понимание того факта, что увеличение также ведет к уменьшению (т.е. улучшению) коэффициента ослабления к.
Необходимо рассмотреть два возможных случая:
а) чисто индуктивная связь
В этом случае:
Наведенная
ЭДС
делится на сопротивлениях
и
Отсюда следует, что чем больше величина сопротивления , тем меньше падение напряжения на сопротивлении то есть будет присутствовать напряжение помехи U1.
б) связь частично индуктивная, частично через общее сопротивление (рисунки 2.9 и 2.10).
В этом случае:
,
.
При сильном росте сопротивления RG значение тока будет стремиться к значению тока и может превысить допустимую токовую нагрузку на экран. Поэтому в большинстве случаев стараются, чтобы сопротивление было как можно меньшим.
В любом случае не столь важно присоединить экран к заземлителю, как присоединить его к заземленному корпусу оборудования (смотри рисунок 2.11) для того, чтобы сильно уменьшить площади А и В на рисунке 2.10.
Эти
площади соответствуют той части
магнитного потока, созданного
контуром 2 (источником), которая сцеплена
с контуром 1 (приемником) и не сцеплена
с контуром 3 (экраном). Отношение этого
потока к току
является ни чем иным, как, так называемой,
собственной индуктивностью заземляющих
выводов экрана
(величиной
около 1 мкГн/м).
Так
как она проявляется в разности
,
то
она должна быть добавлена к величине
,
откуда следует обобщенное выражение
для коэффициента ослабления к:
(2.7)
В идеальном случае экран кабеля должен быть продолжением корпуса оборудования, к которому он присоединен для коэффициента ослабления к:
Приведем практический пример того, как низкокачественно выполненное заземление экрана может снизить эффективность экранирования.
Качественный экран обычно имеет передаточное сопротивление на частоте 1 МГц на уровне 10 мОм/м. Это означает, что для кабеля длиной 20 м величина Z1 l будет составлять менее 0,2 Ом.
Допустим, что кабель по обоим концам заземлен проводниками длиной 20 см. Вследствие этого на частоте 1 МГц на обоих концах кабеля получим индуктивное сопротивление величиной более 1 Ом (принимая LG=1 мкГн/м). Таким образом, необходимо добавить к передаточному сопротивлению кабеля величиной 0,2 Ом дополнительно около 2 Ом.
Зная,
что индуктивное сопротивление
подобного кабеля на частоте 1 МГц
составляет приблизительно 100 Ом (принимая
мкГн/м),
получим ухудшение коэффициента ослабления
с величины 0,2/100 до 2,2/100 или увеличение
амплитуды помехи на порядок.
Наилучшее с точки зрения помехозащищенности заземление экрана должно включать в себя заземление экрана по всей его окружности. Рекомендуется использовать данное подключение экрана во всех случаях, когда кабели выходят из металлического корпуса оборудования.
Заземления экранов кабеля следует осуществлять, как показано на рисунке. 2.11.
Рисунок 2.11 – Различие между заземлением экрана отдельным проводом и заземлением экрана через корпус
Экранирование
как метод ослабления связи через общее
сопротивление.
Следует
отметить, что коэффициент ослабления
к
экрана
кабеля
может применяться вне зависимости от
происхождения напряжения
помехи
,
другими словами, напряжение
может
быть вызвано чисто магнитной связью
ЭДС
определяется как
однако
ее появление может
быть
вызвано повышением потенциала заземлителя
(через гальваническую
связь) -
или,
в общем случае,
.
Таким
образом, несущественно, чем вызвано
появление напряжения
помехи
-
активной составляющей заземляющего
проводника или индуктивной.
Однако в дальнейшем увидим, что эффективность экранирования на низких частотах очень мала и экранирование практически бесполезно для ослабления связи через общее сопротивление на низкой частоте.
Эффективность экранирования на низких частотах. Коэффициент ослабления уменьшается с ростом частоты и при частоте 50/60 Гц может быть оценен по выражению:
(2.8)
Из
этого выражения следует, что для снижения
к
необходимо
либо
уменьшить сопротивление Rз
(то есть увеличить поперечное сечение
экрана, использовать медные или
алюминиевые экраны (оболочки) вместо
свинцовых, практиковать заземление
неиспользуемых
проводников в кабеле) или увеличить
индуктивность цепи
с обратным проводом через землю
посредством использования
магнитных материалов (стальной брони,
ферромагнетиков
и т.д.).
Подобным
образом величина индуктивного
сопротивления
может
быть увеличена в 7 раз (с 0.7 Ом/км до 5
Ом/км). Однако
при использовании ферромагнитных
материалов следует помнить
о возможности их насыщения. Оно происходит
в тех случаях,
когда напряженность магнитного поля
достигает величины 10А/см(1000А/м).
Обозначим
через
,
,
продольную ЭДС, вызываемый ею ток и
напряженность магнитного поля в экране,
получим:
,
где
– радиус экрана;
,
где
-
полное сопротивление кабеля с землей
в качестве обратного провода.
Отсюда
Однако
при
А/м,
см и
Ом/км
получим, что в бронированном
кабеле (без достижения насыщения) на
частоте 50/60
Гц может быть наведено максимальное
допустимое напряжение
В/км.
Такие низкие значения очень часто превышаются при КЗ на высоковольтных электростанциях и подстанциях высокого напряжения.
Эффективность
экранирования на высоких частотах или
при большой
длине кабеля. В
этой ситуации сопротивление проводника
начинает превалировать над сопротивлением
нагрузки и становится одного порядка
с сопротивлением экрана
.
Тогда выражение для коэффициента ослабления (2.6) может быть записано в виде:
(2.9)
Для согласованной цепи
,
где
- волновое сопротивление кабеля.
Отсюда
(2.10)
Последнее выражение, хотя и очень простое и зависит только от характеристик кабеля, должно использоваться осторожно, так как в нем не учитывается волновой эффект, считается, что резонанс отсутствует и ток синусоидальный.
Иногда
приводят более общее выражение для
коэффициента экранирования, учитывающее
волновое сопротивление линии жила/экран
и линии экран/земля
:
.
При подстановке в данное выражение волновых сопротивлений, равных 50 Ом, получим классическое выражение для коэффициента эффективности экранирования:
.
В случае, если длина кабеля сравнима с половиной длины воздействующей волны напряжения, то при расчетах требуется учитывать эффект распространения, что, в свою очередь, требует применения численных методов.
Однако, введя допущение о том, что оба проводника и экран включены на согласованное сопротивление, а затухание пренебрежимо мало, можно показать, что выражение (2.10) принимает следующий вид:
(2.11)
Коэффициент
при
низких частотах равен единице, а
огибающая зависимости от частоты
имеет вид гиперболы
при значениях
частоты выше
или
(где
и
- скорость распространения электромагнитной
волны по цепям 1 и 3) в зависимости от
того, течет ли ток помехи от нагрузки
или к нагрузке
соответственно.
Максимальные значения коэффициента могут изменяться при явлении возможного резонанса в цепи, если проводники или экран не согласованы на своих концах.
Экранирование цепи источника помехи. Для снижения помехи вместо цепи приемника помехи можно экранировать цепь ее источника (рисунок 2.12).
Рисунок 2.12 – Экранирующее действие трубчатого проводника, окружающего источник помехи
Идея метода состоит в уменьшении магнитного потока источника. Кроме того, при таком исполнении в случае КЗ на землю в силовой сети сопротивление обратного провода будет меньше, чем в случае протекания тока КЗ через землю или через сеть заземления, а также исключается протекание опасных токов (вызванных КЗ) через экраны защищаемых кабелей. Такой подход ослабляет связь через общее сопротивление (принцип магнитной развязки).
Выражение
для коэффициента ослабления может быть
снова получено
из общего выражения (2.2), с учетом того,
что теперь
.
Отсюда
(2.12)
По
причинам, указанным ранее, мы имеем
и
,
вследствие чего, выражение для к
принимает
тот же вид, что и
при экранировании цепи приемника.
Коэффициент
ослабления силового кабеля иногда
дается в виде
эквивалентного выражения, т.е. в виде
отношения тока в земле
к току КЗ
.
В
действительности, используя выражение
(2.1) можно показать, что отношение
эквивалентно
выражению
На частоте 50/60 Гц коэффициент к может достигать 0,1, если
экран обладает малым активным сопротивлением и представляет магнитные материалы (стальные листы), не насыщенные магнитным потоком (насыщение достигается при превышении током значения 2000 А).
При экранировании одновременно источника и приемника помех достигается большее ослабление помех, чем при экранировании одной из цепей, однако коэффициент ослабления меньше, чем произведение отдельных коэффициентов:
,
здесь
и
- передаточные сопротивления экрана
цепи источника
помех и экрана цепи приемника помех
соответственно;
и
- сопротивления этих же цепей в сумме с
сопротивлением пути возврата через
землю;
- полное взаимное сопротивление
между указанными цепями с учетом цепи
возврата через
землю.
Во многих случаях заметный эффект ослабления может быть достигнут без применения экранирования, посредством прокладки кабелей в непосредственной близости от металлоконструкций с многократным заземлением, например, кабельных каналов, лотков, стеллажей, проводников заземления, экранов других кабелей и т.п.
Совместное действие симметрирования и экранирования. Основной эффект от экранирования достигается, в основном, на высоких частотах (>10 кГц) и его действие направлено на напряжения, возникающие между проводниками и землей (синфазное напряжение), тогда как применение симметрирования более эффективно на низких частотах (< 100 кГц) и воздействует на напряжения между проводниками (противофазные напряжения). Очевидно, что применение обоих методов дает наилучшие результаты. Напряжения общего вида частично преобразуются в противофазные напряжения из-за некоторой несимметрии кабелей и различий в сопротивлениях нагрузки, что делает весьма сложной задачу их предсказания. В частности, проведенные исследования показали, что передаточное сопротивление для противофазной помехи не всегда соотносится с передаточным сопротивлением для синфазной помехи.
Передаточное сопротивление и проводимость экрана кабеля. При рассмотрении вопросов ЭМС кабель рассматривают как набор из 2-х взаимосвязанных контуров жила-экран и экран-земля (подробнее смотри главу 4).
На рисунке 2.13 представлен коаксиальный кабель (т.е. экранированный проводник), расположенный над проводящей плоскостью нулевого потенциала.
При рассмотрении вопросов ЭМС данный кабель может быть рассмотрен как набор из двух взаимосвязанных контуров.
Первый контур состоит из внутреннего проводника (жилы) и внешнего проводника (экрана) кабеля, в то время как второй включает в себя внешний проводник (экран) кабеля и плоскость земли.
Обозначим
токи, протекающие в контурах жила/экран
и экран/земля
через
и
,
а напряжения между жилой и экраном и
между экраном и землей через
и
.
Для
рассматриваемой системы
запишем систему линейных дифференциальных
уравнений:
где
,
,
и
- удельные
сопротивления и проводимости обеих
линий;
и
- сопротивление
и проводимость связи через общий
проводник (экран).
Рисунке 2.13 – Коаксиальный кабель, расположенный над плоскостью нулевого потенциала
Сопротивление отличается от сопротивления , так как в его состав входит сопротивление земли. Более того, вследствие поверхностного эффекта при высоких частотах происходит частичная естественная развязка контуров и полностью изменяется зависимость обоих сопротивлений от частоты.
Получим выражения для сопротивления и проводимости связи:
Первый
параметр
представляет
собой отношение разности напряжений
между проводником и экраном на концах
бесконечно малого
элемента коаксиального кабеля
к
току, протекающему в экране;
при этом в жиле ток отсутствует (измерения
при разомкнутой
цепи) — рисунке 2.14 а).
Эквивалентное выражение для элемента конечной длины (Ах вместо dx), обычно используемое для практических измерений, приведено на рисунке 2.14б.
Обычно для частот, меньших нескольких МГц, Ах может быть выбрано равным 1 м.
Рисунок 2.14 – Передаточное сопротивление экрана
Сопротивление связи представляет собой сумму активной и реактивной составляющей. Активная составляющая - это ни что иное, как активное сопротивление экрана (по крайней мере, на низких частотах). Реактивная составляющая определяется изменением магнитного потока, созданного током Is между внутренним и внешним проводником.
Для совершенно однородной трубки этот поток равен нулю, если же в экране имеются отверстия или разрывы или путь протекания тока не параллелен оси кабеля (например, для спирально намотанных лент или проволоки), он не равен нулю (смотри, например, рисунок 2.14).
При сравнении полученных выражений с формулами, приведенными ранее, видно, что они эквивалентны друг другу (IS=I3 , R1=R3), причем подход к их выводу, приведенный здесь, является более строгим.
Таким
образом, выражение
представляет
собой упрощенное
выражение для передаточного сопротивления
экрана. Оно напрямую (по крайней мере,
для коротких по сравнению с длиной
волны кабелей) характеризует уровень
напряжения синфазной
помехи общего вида, наведенного в кабеле
(между жилами и
экраном) при протекании по экрану тока
помехи.
По аналогии с Z1 , Y1 является передаточной проводимостью, которая определяется напряжением между экраном и землей. В отличие от Z,, которое определяется связью через общее сопротивление и индуктивной связью, Y1 отражает влияние емкостных токов, проникающих в кабель через разрывы в экране под влиянием приложенного к нему напряжения (или электрического поля). Передаточная проводимость представляет меньший практический интерес, чем передаточное сопротивление, и будет рассмотрена далее.
Значимость передаточного сопротивления. Передаточная функция является основным понятием, необходимым для решения любого типа вопросов, связанных с механизмами передачи помех. Среди всех возможных типов передаточных функций, одним из важнейших является передаточное сопротивление экрана кабеля, так как:
оно является характерным внутренним параметром каждого кабеля, хорошо изучено и может быть измерено и указано в спецификации;
кабельная система любой установки играет важную роль в реализации механизмов передачи помех;
знание передаточного сопротивления кабеля позволяет (в некоторой степени) разбить общую проблему взаимосвязи на две части, которые, как правило, раздельно решаются легче.
Первая часть, иногда называемая внешней, включает в себя определение значения тока, протекающего по кабельному экрану при воздействии на него ЭМ поля.
Вторая часть, так называемая, внутренняя, состоит в определении напряжения помехи общего вида на концах экранированного кабеля.
Последняя часть весьма проста, если длина цепи много меньше наименьшего значения длины волны. В этом случае U=Z1lI. Если это условие не выполняется, задача усложняется. В этой ситуации необходимо найти зависимость вида U=f(Z1 , l , I...), либо обратиться к численным методам (смотри главу 4).
Примеры помех, передаваемых магнитной связью:
помехи при коммутациях на подстанциях с ОРУ;
помехи, создаваемые магнитными полями, установками промышленной частоты;
помехи при близких ударах молнии, то есть ударах в непосредственной близости от цепей автоматических и автоматизированных систем технологического управления электротехническими объектами;
помехи, вызванные разрядами статического электричества вблизи оборудования.
