Н.А. МАЛКОВ, А.П. ПУДОВКИН

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ

СОВМЕСТИМОСТЬ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Н.А. Малков, А.П. Пудовкин

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ

СОВМЕСТИМОСТЬ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Утверждено Ученым советом университета в качестве учебного пособия для студентов 4 и 5 курсов специальностей 210303 и 210201 Тамбов Издательство ТГТУ УДК 621.396.6(075) ББК 844- М Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор В.А. Федоров Кандидат технических наук, профессор Ю.А. Брусенцов Малков, Н.А.

М194 Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств :

учеб. пособие / Н.А. Малков, А.П. Пудовкин. – Тамбов : Изд-во Тамб.

гос. техн. ун-та, 2007. – 88 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0659-2.

Рассматриваются методы оценки электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств, требования ЭМС и стойкости РЭС.

Определяются паразитные электромагнитные связи источников. Материал представлен в виде инженерных методик с конкретными рекомендациями.

Предназначено для студентов 4 и 5 курсов специальностей 210303, 210201.

УДК 621.396.6(075) ББК 844- ГОУ ВПО «Тамбовский государственный ISBN 978-5-8265-0659- технический университет» (ТГТУ), Учебное издание

МАЛКОВ НИКОЛАЙ АРКАДЬЕВИЧ,

ПУДОВКИН АНАТОЛИЙ ПЕТРОВИЧ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ

СОВМЕСТИМОСТЬ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Учебное пособие Редактор З.Г. Ч е р н о в а Инженер по компьютерному макетированию Т.Ю. З о т о в а Подписано в печать 07.12. Формат 60 84 / 16. 5,11 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. Введение Международное сообщество пришло к пониманию необходимости ужесточить требования электромагнитной совместимости (ЭМС) и распространить регулирование в этой области на технические средства всех видов и назначений, подверженных воздействию электромагнитных помех и являющиеся их источниками.

Необходимость этих изменений была вызвана тем, что во все отрасли экономики и разные сферы жизни общества возрастающими темпами стали внедряться микроэлектроника, оборудование информационных технологий и средства радиосвязи, обладающие повышенной восприимчивостью к электромагнитным помехам. Этот процесс обусловлен развитием научно-технического прогресса, причем нет оснований полагать, что в обозримом будущем такое положение дел может измениться.

Обеспечение электромагнитной совместимости, т.е. достижение такого состояния, когда электротехнические, электронные и радиоэлектронные аппараты, системы и установки будут пригодны к выполнению функций по назначению при воздействии помех, создаваемых электротехническими изделиями и вызываемых природными явлениями, стало необходимым условием научно-технического прогресса, а следовательно, и устойчивого развития экономики, общества и государства.

Любые электрические и электронные изделия, включая аппараты, системы и стационарные и подвижные установки, способные создавать электромагнитные помехи и (или) восприимчивые к их воздействию, должны быть изготовлены таким образом, чтобы:

создаваемые ими электромагнитные помехи не превышали уровня, обеспечивающего функционирование радио- и телекоммуникационного оборудования и других изделий в соответствии с их назначением;

изделия имели достаточный уровень собственной устойчивости к электромагнитным помехам, обеспечивающий их функционирование в соответствии с назначением.

В качестве российских государственных стандартов были введены наиболее важные международные и европейские стандарты в области ЭМС, разработанные ТК 77 МЭК, СИСПР, другие ТК МЭК, СЕНЭЛЕК, ЕТСИ. В них были установлены требования устойчивости к электромагнитным помехам, требования по обеспечению качества электрической энергии в электрических сетях и новые методы испытаний, что дало возможность ориентировать отечественную промышленность на выполнение современных требований ЭМС, без чего невозможен выпуск продукции, конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынках. Все новые российские стандарты в области ЭМС были введены также в странах СНГ, т.е. приняты в качестве межгосударственных стандартов.

В результате усилий Госстандарта и Ростехрегулирования в России созданы условия для присоединения к принципам технического регулирования в области ЭМС, введенным в новой Директиве 2004/108/ЕС, принятой Европейским Парламентом и Европейским Советом (введена в действие с 20.07.2007). Действуют гармонизированные национальные стандарты ЭМС, функционирует испытательная инфраструктура, отечественная промышленность подготовлена к введению ЭМС на законодательном уровне. Сформировалось единодушное мнение отечественных ученых, производственников и испытателей о необходимости введения в стране европейской системы технического регулирования в области ЭМС.

1. ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Понятие электромагнитной совместимости возникло еще в начале развития радиотехники и имело узкое смысловое значение – выбор частотного диапазона. В настоящее время МЭК определяет ЭМС, как способность оборудования или системы удовлетворительно работать в данной электромагнитной обстановке без внесения в нее какого-либо недопустимого электромагнитного возмущения. Электромагнитная совместимость нарушается, если уровень помех слишком высок, помехоустойчивость оборудования недостаточна.

Над проблемой ЭМС долгое время не задумывались, пока не были зарегистрированы сбои в банковских системах при воздействии помех. Сегодня человек настолько зависит от используемой электро- и радиотехники, что проблема обеспечения ЭМС стала для него жизненно важной.

Условно все помехи можно разделить на два класса: естественного и искусственного происхождения.

Помехи искусственного происхождения возникают в процессе человеческой деятельности. Помехи естественного происхождения не связаны с процессами жизнедеятельности человека и существуют, не зависимо от них.

Помехи искусственного происхождения, в свою очередь, делятся на непреднамеренные и организованные.

Непреднамеренные помехи возникают в процессе использования человеком различного рода устройств, генерация помех которыми является естественным следствием их функционирования.

Организованные помехи создаются искусственно с целью ухудшения функционирования или вывода из строя радиоэлектронных средств (РЭС). Организованные помехи в теории обеспечения требования ЭМС РЭС не рассматриваются. Тем не менее на практике они имеют место, и по характеру своего воздействия на элементы РЭС во многом идентичны мощным непреднамеренным электромагнитным помехам, особенно с точки зрения влияния на нормальное функционирование РЭС предполагаемой неблагоприятной ЭМC, в которой могут оказаться эти средства. Поэтому, чтобы выдержать основные, сложившиеся в практике обеспечения требований ЭМС РЭС аспекты, в классификации они объединены в единую группу с непреднамеренными помехами.

Основными источниками мощных электромагнитных помех являются: грозовые разряды, радиоэлектронные средства (мощные радиопередающие средства и радиолокационные станции), высоковольтные линии передачи, контактная сеть железных дорог, а также высоковольтные установки для научных исследований и технологических целей.

Практическое решение проблем ЭМС упрощенно сводится к двум моментам: знанию электромагнитной обстановки и помехоустойчивости оборудования и в приведении их в соответствие друг другу. Уже проведена огромная исследовательская и практическая работа, которая нашла отражение, прежде всего, в создании нормативной базы в области ЭМС в таких международных организациях, как МЭК, СИСПР и др. В настоящее время продолжается интенсивно вестись исследовательская работа. Расширяется методическая база, и создаются все более совершенные средства защиты от электромагнитных возмущений.

Большое значение имеют экранирующие свойства зданий и сооружений, длины и расположение кабелей, взаимное расположение оборудования и, в первую очередь, правильно выполненные системы заземления и выравнивания потенциалов.

Во времени проведения проектных и монтажных работ, а также эксплуатации объекта при проведении мероприятий по защите от импульсных перенапряжений нельзя рассматривать различные типы оборудования, различные системы и коммуникации отдельно друг от друга.

Возникновение импульсных перенапряжений и помех, вызываемых электромагнитными воздействиями (грозовыми, коммутационными, радиочастотными и другими) на низковольтные сети, приводит не только к выходу из строя электроустановок, кабелей, распределительных щитов, но также и к повреждению оконечного оборудования и сбоям в его работе. Это связано, в первую очередь, с насыщенностью современных зданий и сооружений информационной, телекоммуникационной и другой цифровой техникой, имеющей очень низкий уровень защиты от импульсных перенапряжений и помех. Все это вызывает необходимость проведения соответствующих защитных мероприятий.

Опыт эксплуатации показывает, что без применения специальных защитных устройств (ограничителей импульсных перенапряжений) невозможна надежная эксплуатация устройств электропитания.

В России формально, согласно официальной статистике (например, той, которую ведет в энергетике фирма ОРГРЭС), практические проблемы ЭМС отсутствуют. В то же время проведенный анализ показал, что из-за несоблюдения требований ЭМС при проектировании, монтаже и эксплуатации объектов энергетики, связи и другого назначения имеют место случаи нарушения в работе этих объектов с серьезными экономическими последствиями.

Проведенное тестирование качества Московской городской телефонной связи показало, что около 30 % соединений признано неудовлетворительными по качеству из-за электромагнитных помех.

На объектах промышленности, в административных и жилых зданиях нередко имеет место неудовлетворительное качество электропитания, происходит повреждение электронной техники, а также наблюдается ускоренная электрохимическая коррозия трубопроводов из-за неправильного выполнения системы заземления – зануления.

Неудовлетворительное состояние дел в части выполнения требований ЭМС на объектах России обусловлено следующими факторами.

1. Большинство нормативных документов, регламентирующих проектирование, монтаж и эксплуатацию электроустановок, объектов связи и промышленности явно устарели и не соответствуют современным международным требованиям в области ЭМС. При практическом проектировании не используются современные методы численного анализа.

2. В настоящее время в России больше проводится реконструкция старых объектов, чем строится новых. В этих случаях чрезвычайно важно знать электромагнитную обстановку на объекте, подлежащем реконструкции. Методы и средства определения ЭМО на действующих объектах отсутствуют.

3. В процессе эксплуатации необходимо периодически проводить контроль ЭМО на объекте. Методики и нормы эксплуатационного контроля ЭМО в настоящее время не разработаны.

Применение в технологических процессах систем контроля, управления и сигнализации на базе современных электронных и микропроцессорных устройств обуславливает жесткие требования в обеспечении ЭМС на объектах. В связи с этим решаемые в данной работе задачи по разработке методов и средств диагностики ЭМО и практических мероприятий по обеспечению ЭМС в настоящее время, несомненно, актуальны.

ЕГО ВИДЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ

На практике при характеристике электромагнитной обстановки используют термины «электрическое поле», «магнитное поле», «электромагнитное поле». Коротко поясним, что это означает и какая связь существует между ними. Электрическое поле создается зарядами. Например, во всех известных школьных опытах по электризации эбонита присутствует как раз электрическое поле. Магнитное поле создается при движении электрических зарядов по проводнику (рис. 1).

Для характеристики величины электрического поля используется понятие напряженности электрического поля, обозначение Е, единица измерения В/м (Вольт-на-метр). Величина магнитного поля характеризуется напряженностью магнитного поля Н, единица А/м (Ампер-на-метр). При измерении сверхнизких и крайне низких частот часто также используется понятие магнитной индукции В, единица Тл (Тесла), одна миллионная часть Тл соответствует 1,25 А/м.

По определению, электромагнитное поле – это особая форма материи, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами. Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н – вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. Электромагнитное поле (ЭМП) неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц ЭМП «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне).

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны, обозначение – (лямбда). Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуется частотой – f.

Важная особенность ЭМП – это деление его на так называемую «ближнюю» и «дальнюю» зоны. В «ближней» зоне, или зоне индукции, на расстоянии от источника r < ЭМП можно считать квазистатическим. Здесь оно быстро убывает с расстоянием, обратно пропорционально квадрату r 2 или кубу r 3 расстояния. В «ближней» зоне излучения электромагнитная волна еще не сформирована. Для характеристики ЭМП измерения переменного электрического поля Е и переменного магнитного поля Н производятся раздельно. Поле в зоне индукции служит для формирования бегущей составляющей полей (электромагнитной волны), ответственных за излучение.

«Дальняя» зона – это зона сформировавшейся электромагнитной волны, начинается с расстояния r > 3. В «дальней»

зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника r. В «дальней» зоне излучения есть связь между Е и Н: Е = 377 Н, где 377 – волновое сопротивление вакуума, Ом. Поэтому измеряется, как правило, только Е.

В России на частотах выше 300 МГц обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии (ППЭ), или вектор Пойтинга. Обозначается как S, единица измерения Вт/м2. ППЭ характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны.

1.2. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Среди основных источников ЭМП можно перечислить:

• электротранспорт (трамваи, троллейбусы, поезда, …);

• линии электропередач (городского освещения, высоковольтные, …);

• электропроводка (внутри зданий, телекоммуникации, …);

• бытовые электроприборы;

• теле- и радиостанции (транслирующие антенны);

• спутниковая и сотовая связь (транслирующие антенны);

• персональные компьютеры.

Электротранспорт. Транспорт на электрической тяге – электропоезда (в том числе поезда метрополитена), троллейбусы, трамваи и т.п. – является относительно мощным источником магнитного поля в диапазоне частот 0…1000 Гц. Максимальные значения плотности потока магнитной индукции В в пригородных электричках достигают 75 мкТл при среднем значении 20 мкТл. Среднее значение В на транспорте с электроприводом постоянного тока зафиксировано на уровне мкТл.

Линии электропередач (ЛЭП). Провода работающей ЛЭП создают в прилегающем пространстве электрическое и магнитное поля промышленной частоты. Расстояние, на которое распространяются эти поля от проводов линии, достигает десятков метров. Дальность распространения электрического поля зависит от класса напряжения ЛЭП (цифра, обозначающая класс напряжения стоит в названии ЛЭП – например ЛЭП 220 кВ), чем выше напряжение – тем больше зона повышенного уровня электрического поля, при этом размеры зоны не изменяются в течение времени работы ЛЭП. Дальность распространения магнитного поля зависит от величины протекающего тока или от нагрузки линии. Поскольку нагрузка ЛЭП может неоднократно изменяться как в течение суток, так и с изменением сезонов года, размеры зоны повышенного уровня магнитного поля также меняются.

Биологическое действие. Электрические и магнитные поля являются очень сильными факторами влияния на состояние всех биологических объектов, попадающих в зону их воздействия. Например, в районе действия электрического поля ЛЭП у насекомых проявляются изменения в поведении: так у пчел фиксируется повышенная агрессивность, беспокойство, снижение работоспособности и продуктивности, склонность к потере маток; у жуков, комаров, бабочек и других летающих насекомых наблюдается изменение поведенческих реакций, в том числе изменение направления движения в сторону с меньшим уровнем поля. У растений распространены аномалии развития – часто меняются формы и размеры цветков, листьев, стеблей, появляются лишние лепестки. Здоровый человек страдает от относительно длительного пребывания в поле ЛЭП. Кратковременное облучение (минуты) способно привести к негативной реакции только у гиперчувствительных людей или у больных некоторыми видами аллергии.

В последние годы в числе отдаленных последствий часто называются онкологические заболевания.

Санитарные нормы, несмотря на то что магнитное поле во всем мире сейчас считается наиболее опасным для здоровья, предельно допустимая величина магнитного поля для населения в России не нормируется. Большая часть ЛЭП строилась без учета этой опасности. На основании массовых эпидемиологических обследований населения, проживающего в условиях облучения магнитными полями ЛЭП как безопасный или «нормальный» уровень для условий продолжительного облучения, не приводящий к онкологическим заболеваниям, независимо друг от друга шведскими и американскими специалистами рекомендована величина плотности потока магнитной индукции 0,2…0,3 мкТл. Основной принцип защиты здоровья населения от электромагнитного поля ЛЭП состоит в установлении санитарно-защитных зон для линий электропередачи и снижением напряженности электрического поля в жилых зданиях и в местах возможного продолжительного пребывания людей путем применения защитных экранов, границы санитарно-защитных зон для ЛЭП которых на действующих линиях определяются по критерию напряженности электрического поля – 1 кВ/м (см. табл. 1.2 – 1.4).

К размещению высоковольтных линий (ВЛ) ультравысоких напряжений (750 и 1150 кВ) предъявляются дополнительные требования по условиям воздействия электрического поля на население. Так, ближайшее расстояние от оси проектируемых ВЛ 750 и 1150 кВ до границ населенных пунктов должно быть, как правило, не менее 250 и 300 м, соответственно. Как определить класс напряжения ЛЭП? Лучше всего обратиться в местное энергетическое предприятие, но можно попробовать визуально, хотя не специалисту это сложно: 330 кВ – два провода, 500 кВ – три провода, 750 кВ – четыре провода; ниже кВ – по одному проводу на фазу, определить можно только приблизительно по числу изоляторов в гирлянде: 220 кВ – 10 … шт., 110 кВ – 6 … 8 шт., 35 кВ – 3 … 5 шт., 10 кВ и ниже – 1 шт.

Компьютер как источник переменного электромагнитного поля. Основными составляющими частями персонального компьютера (ПК) являются: системный блок (процессор) и разнообразные устройства ввода/вывода информации: клавиатура, дисковые накопители, принтер, сканер и т.п. Каждый персональный компьютер включает средство визуального отображения информации, называемое по-разному – монитор, дисплей. Как правило, в его основе – устройство на основе электронно-лучевой трубки. ПК часто оснащают сетевыми фильтрами (например, типа «Pilot»), источниками бесперебойного питания и другим вспомогательным электрооборудованием. Все эти элементы при работе ПК формируют сложную электромагнитную обстановку на рабочем месте пользователя.

Источник; диапазон частот (первая гармоника); монитор, сетевой трансформатор блока питания 50 Гц, статический преобразователь напряжения в импульсном блоке питания 20…100 кГц; блок кадровой развертки и синхронизации 48… Гц; блок строчной развертки и синхронизации 15 110 кГц; ускоряющее анодное напряжение монитора (только для мониторов с ЭЛТ) 0 Гц (электростатика); системный блок (процессор) 50 Гц…1000 МГц; устройства ввода/вывода информации 0…50 Гц; источники бесперебойного питания 50 Гц, 20…100 кГц. Электромагнитное поле, создаваемое персональным компьютером, имеет сложный спектральный состав в диапазоне частот 0…1000 МГц (табл. 1.8). Электромагнитное поле имеет электрическую (Е) и магнитную (Н) составляющие, причем взаимосвязь их достаточно сложна, поэтому оценка Е и Н производится раздельно.

В части электромагнитных полей стандарту MPR II соответствуют российские санитарные нормы СанПиН 2.2.2.542– «Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислитель-ным машинам и организации работ».

Средства защиты пользователей от ЭМП. В основном из средств защиты предлагаются защитные фильтры для экранов мониторов. Они используются для ограничения действия на пользователя вредных факторов со стороны экрана монитора.

2. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА

Грозовые разряды (молнии) – это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных помех естественного происхождения [1, 5]. По приближенным подсчетам в земную поверхность ежесекундно ударяют около ста молний. На окружающие предметы, электротехнические сооружения, средства связи, РЭС, живую природу молнии оказывают неблагоприятные воздействия:

электростатическое;

электромагнитное;

динамическое;

термическое;

биологическое.

Удары молнии нередко приводят к гибели людей и наносят большой материальный ущерб.

Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров. Источником молнии является грозовое облако, несущее в себе скопление объемных положительных и отрицательных зарядов. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих воздушных потоков.

В природе различают три основных типа грозовых разрядов:

1. Линейная молния – имеет вид узкой полосы между облаком и землей, между облаками или между отдельными скоплениями объемных зарядов внутри облака.

2. Шаровая молния – ярко светящийся, подвижный, выпуклый, относительно устойчивый сгусток плазмы, возникающий и исчезающий по мало изученным в настоящее время причинам.

3. Тихие разряды – корона, возникающая в местах резкой неоднородности напряженности электрического поля на выступающих заземленных предметах в предгрозовой период и во время грозы.

Линейная молния (в дальнейшем молния) встречается в природе наиболее часто и является, по сравнению с другими видами грозовых разрядов, самым распространенным источником мощных электромагнитных помех.

Грозовой разряд развивается по различным путям. Внутриоблачные разряды чаще всего бывают во время гроз, возникающих высоко над землей. В таких условиях молнии легче развиваться от нижней части заряженного облака к верхней или наоборот, чем пройти долгий путь от основания облака, т.е. ближайшей к земле кромке, до земли. Внутриоблачные разряды нередко наблюдаются в засушливых районах, где облака выше над поверхностью земли, чем в районах с влажным климатом.

Для средних широт РФ, где облака располагаются на высоте около 1…3 км, число внутриоблачных разрядов и разрядов между облаками и землей почти одинаково.

Поляризация облака в процессе разделения зарядов происходит не одинаково. В 75…85 % всех случаев основание облака несет отрицательный заряд, и в процессе разряда именно заряд этой полярности передается земле. При этом амплитудное значение тока молнии при отрицательной ее полярности в среднем в 1,5…2 раза ниже, чем при положительной.

Механизм образования линейной молнии связан с постепенным накоплением разнополярных электрических зарядов на верхней и нижней частях облака и образованием вокруг него электрического поля возрастающей напряженности. Когда градиент потенциала в какой-либо точке облака достигает критического для воздуха значения (при нормальном атмосферном давлении около 3 · 106 В/м), в этом месте возникает молния, которая начинается лидерной стадией и завершается обратным (главным) разрядом. Главная стадия грозового разряда и является источником МЭМП. Ввиду того, что в облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов, молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути. Средняя продолжительность главного разряда 20…50 мкс;

число повторных разрядов может колебаться от 2 до 10 и более; интервал времени между повторными разрядами 0,001…0, с. Как показывают измерения, разрядный ток молнии представляет собой импульс с быстрым нарастанием тока от нуля до максимума (фронт волны) и сравнительно медленным спадом (хвост волны).

При осуществлении мер защиты и определения электромагнитной обстановки (ЭМО) в той или иной области в качестве расчетных могут быть приняты следующие значения основных величин характеристики молнии:

Наибольшие значения амплитуд в спектре излучения молнии соответствуют частотам 300…20 000 Гц.

2.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОБСТАНОВКА

В конечном итоге для обеспечения требований ЭМС и стойкости РЭС к воздействию МЭМП источники помех в основном интересуют разработчиков с точки зрения создания областей с неблагоприятными условиями для функционирования РЭС. Для грозовых разрядов можно выделить две такие области.

С одной стороны, это область близких грозовых разрядов, для которой характерно либо прямое воздействие токов молнии на РЭС, либо электромагнитное влияние излучения грозового разряда в ближней, соизмеримой с длиной его канала, зоне. Как правило, граница этой области определяется расстоянием до 3…5 км от канала молнии. С другой стороны, молния является источником электромагнитных полей, распространяющихся на большое расстояние от места разряда, которые также оказывают неблагоприятное влияние на РЭС в своей дальней (волновой) зоне на излучения. Эта зона – вторая область электромагнитного воздействия МЭМП грозовых разрядов на РЭС. В дальнейшем для удобства изложения первую область будем условно определять как область индукционного влияния, а вторую – как область электромагнитного влияния грозовых разрядов.

Так грозовой разряд в процессе своего формирования проходит три стадии – лидерную, обратного разряда и стадию после свечения, то и электромагнитные поля в окружающем пространстве будут соответствовать этим трем стадиям, поочередно сменяя друг друга. Наибольшее электромагнитное влияние молния оказывает во время обратного разряда. При этом выделяют две области формирования ЭМО: над поверхностью земли и ниже ее уровня.

Область близких грозовых разрядов. Большой вклад в исследование полей излучения молний внес Д.В. Разевиг. Им на основе вычисления скалярного и векторного электродинамических потенциалов излучения молнии были получены значения напряженностей электрических полей в окружающем канал разряда пространстве в виде суммы собственно электрической составляющей поля Еэ и напряженности электрического поля, созданного изменением во времени магнитного поля канала молнии, Ем:

где для точек, лежащих на расстоянии l ф от канала молнии, параметры Еэ и Ем принимают значения:

В (2.1) и (2.2) использованы следующие обозначения: h – длина канала молнии, м; l – расстояние от канала молнии до точки наблюдения, м; численный коэффициент 60 имеет размерность сопротивления Ом; Iм – амплитуда тока молнии, А; – коэффициент, связывающий амплитуду тока и скорость его разряда, численные значения которого приведены в табл. 2.1.

Примечание: с – скорость света.

Для расстояний l/h 1, где происходит формирование ЭМО, соответствующей первой области МЭМП, электрическая составляющая напряженности поля значительно превышает его магнитную составляющую. Тогда после введения замены r = l/h.

Для значений = 0,1…0,3, которые практически охватывают весь диапазон изменения скоростей обратного разряда, встречающихся на практике, нетрудно получить выражение для напряженности электрического поля и интересующей области Аналогично напряженность магнитного поля в окружающем канал молнии пространстве В (2.3) и (2.4) приняты обозначения, соответствующие формулам (2.1) и (2.2).

Выражения (2.3) и (2.4) описывают ЭМО, созданную каналом молнии в области существования МЭМП над поверхностью земли.

Воздействию грозовых разрядов или созданных ими МЭМП подвержены не только объекты РЭС, находящиеся над землей или на ее поверхности, но и расположенные непосредственно в грунте. При этом земля, обладающая полупроводящими свойствами, оказывает существенное влия-ние на формирование характеристик электромагнитных полей в ее толще.

Как и для РЭС, находящихся над землей или на ее поверхности, заглубленные средства могут быть подвержены как непосредственному воздействию токов молнии, так и их электромагнитному влиянию.

При ударе молнии в землю ее ток растекается от места удара во все стороны. При наличии участков с повышенной по отношению к земле проводимостью (например, подземных грунтовых вод, кабелей связи в металлической оболочке) поблизости от места удара молнии большая часть или весь ток молнии может попасть в эту область, стремясь распространиться далее по пути с наименьшим электрическим сопротивлением (например по оболочке кабеля). В этом случае имеет место непосредственное воздействие тока молнии на заглубленные РЭС.

Если расстояние от места удара молнии в землю до объекта с повышенной электрической проводимостью таково, что не возникает дуга и не происходит непосредственное стекание тока молнии, то эти области находятся в зоне действия повышенного потенциала, значение которого может быть приближенно определено по формуле точечного заземлителя где Iм – амплитуда тока молнии, А; r – расстояние от места удара молнии до рассматриваемой точки, м; з – удельная проводимость земли, см/м.

Воздействие токов молнии или повышенных потенциалов на заглубленные РЭС наблюдаются в непосредственной близости от места удара молнии или стекания в землю ее токов с пораженных объектов.

Область волновой зоны излучения грозовых разрядов. По мере удаления от места грозового разряда электромагнитные поля его излучения затухают по амплитуде со скоростью, обратно пропорциональной расстоянию, изменяясь по своей качественной структуре, и для расстояний l/h >> 1 существенно отличаются от ранее описанных.

В дальнем поле излучения грозового разряда, его электрическая и магнитная составляющие начинают взаимодействовать друг с другом, образуя плоскую электромагнитную волну с соотношением электрической и магнитной компонент поля Геометрия формирования плоской электромагнитной волны излучения при грозовых разрядах между облаками и на землю показана на рис. 2.1. При этом возникающие поля излучения молний могут охватывать значительные районы. Разряды в облаке и в воздухе порождают довольно сложные излучения, отличающиеся по своей структуре от излучений при грозовых зарядах на землю. Они не дают типичных импульсов, так как не имеют обратного разряда и в основном проявляются на частотах 100 кГц … 10 МГц.

На практике при определении создаваемой молнией ЭМО и ее характеристик выделяют две основные зоны – над землей и ниже ее поверхности. Отражение от земли существенно влияет на характеристики полей излучения молнии. Над землей, в результате отражения от ее поверхности, существует прямая и отраженная волны, суперпозиция которых друг с другом будет производить или к усилению, или к подавлению части спектра МЭМП и, естественно, к изменению их амплитудно-временных характеристик.

Большая часть энергии поля отражается реальными почвами практически при всех углах падения. Для описания отраженной от поверхности земли волны можно воспользоваться известными из теории распространения радиоволн выражениями для коэффициентов отражения для вертикальной и горизонтальной поляризацией волн:

где k = + з / ( j 0 ) ; – угол скольжения падающей волны, рад.

Процессы отражения электромагнитных волн от поверхности земли интересны рядом особенностей. Так, для вертикально-поляризованной волны существенным является случай ее падения под углом скольжения, близким к углу Брюстера.

Для тангенциального же (горизонтального) электрического поля (особенно для высокопроводящих грунтов) характерно обращение фазы отраженной волны, что приводит к существенному ослаблению суммарного поля над землей и у ее поверхности. Формирование ЭМО на поверхности земли и в ее толще связано с двумя процессами: отражением и преломлением электромагнитных волн на поверхности земли и потерями в проводящем грунте.

Для характеристики полей ниже поверхности земли наиболее характерными являются два случая. Во-первых, когда волна падает нормально или почти нормально к поверхности земли (электрическое и магнитное поля поляризованы горизонтально).

Для отдельных гармоник нормально падающей, горизонтально-поляризованной волны где Z 2 = [ µ / (1 + з / ( j))] 1 2 ; = j{ µ [ (1 + ( з / j))] } 1 2 ; µ – магнитная проницаемость земли, Гн / м; – диэлектрическая проницаемость земли, Ф/м; d – глубина грунта, м.

Для типичных почв 0 >> Z2, поэтому напряженность магнитного поля удваивается на поверхности земли, в то время как значение напряженности электрического поля составляет 0,01…0,1 значения напряженности электрического поля в свободном пространстве.

В случае вертикально-поляризованного электрического поля по мере роста угла амплитудное значение преломленной волны увеличивается и при угле 0 известном как угол Брюстера, достигает максимума. При этом происходит максимальная передача электромагнитной энергии в землю и минимальное отражение ее от поверхности. Это надо учитывать при определении характеристик ЭМО в земле и на ее поверхности.

Значение угла Брюстера может быть определено из соотношения Напряженность вертикально-поляризованного электрического поля в земле и у ее поверхности для отдельных гармоник определяется через характеристики грунта и угол скольжения:

При этом необходимо отметить одно важное обстоятельство: плотность одинаковых амплитуд у преломленной в землю волны будет всегда параллельна плоскости раздела сред, что свидетельствует об убывании по мере углубления в почву напряженности электрического поля преломленной волны с увеличением глубины проникновения независимо от горизонтальной координаты.

В типичных условиях высокочастотные компоненты ослабляются почвой в два раза или более на глубине 10 м по сравнению со значением на поверхности.

Грозовой разряд (молния) представляет собой разновидность искрового разряда в электрическом поле атмосферы при длине искры в несколько километров. Причиной возникновения молний является образование большого объемного электрического заряда. Обычным источником молний являются грозовые тучи, несущие в себе скопление положительных и отрицательных электрических зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака большие электрические поля. Хотя и возможны другие причины.

Образование объемных зарядов различной полярности в облаке связано с конденсацией вследствие охлаждения и возникновении при этом положительных и отрицательных ионов и последующее разделение заряженных капелек под воздействием тепловых воздушных потоков.

Когда градиент потенциала в какой-либо точке облака достигает критического для изоляционных свойств воздуха значения, в этом месте начинает зарождаться молния. Так как в облаке, как правило, образуется несколько изолированных друг от друга скоплений одноименных зарядов, то большинство грозовых разрядов представляет собой серию отдельных импульсов.

Очень упрощенно грозовое электрическое поле можно представить в виде статического поля и поля излучения (в свою очередь, состоящую из индукционной и радиационной составляющих).

При изменении расстояния статическая составляющая изменяется обратно пропорционально кубу расстояния, а составляющие поля излучения – обратно квадрату расстояния (индукционная) и линейно – обратно расстоянию (радиационная).

Поэтому при расстоянии до молнии ближе 20…30 км преобладает статическая составляющая, а при больших расстояниях (100 км и более) – в основном поле излучения.

Мерой защиты служит исключение влияния статического заряда. Это достаточно просто сделать, учитывая достаточно медленный характер нарастания уровня напряженности электрического поля (50…300 м с). Для этого достаточно поставить резистор для стекания токов параллельно входу приемника или еще лучше дроссель. Причем величину индуктивности дросселя необходимо выбирать минимально возможной (для обеспечения стекания статистически наведенных токов, имеющих максимальную скорость нарастания), но достаточную для прохождения контролируемых сигналов.

Поле излучения в наиболее простом случае можно представить в виде короткого импульса тока, в общем случае имеющего колебательный характер, то есть короткого радиоимпульса. За счет малой длительности такого импульса (30…150 м с), спектр такого излучения очень широк, а в пределе, если рассматривать его как дельта-функцию, имеет вообще бесконечно широкий равномерный энергетический спектр.

Помимо грозовых импульсов в реальных условиях эксплуатации электронного оборудования в его цепях могут возникнуть различные виды электрических перегрузок, создаваемые электромагнитными импульсами искусственного происхождения (за счет излучения радиопередающих устройств, высоковольтных линий передачи, сетей электрифицированных железных дорог и тому подобное), а также за счет внутренних переходных процессов в оборудовании при ее функционировании (например, при переключениях индуктивных нагрузок) и электростатических разрядов ЭСР.

Рассмотрим основные причины выхода оборудования из строя во время грозы.

1. Образование статического электричества на кабелях и аппаратуре в результате влияния неподвижных зарядов, накопленных в грозовом облаке.

Наиболее подвержены влиянию статических зарядов воздушные линии. Причем значительный заряд может также накапливаться в сухую погоду зимой и летом во время так называемых «песчаных метелей».

Основной метод защиты – обеспечение отвода статического электричества с помощью заземления экрана и (или) проводящей траверсы и установки на обоих концах кабеля разрядников. Здесь на первое место выходит правильность выполнения заземления и надежность разрядников, к которым предъявляются высокие требования по отводу значительного тока.

2. Наведение в кабельной системе импульсов высокого напряжения, которые возникают в результате воздействия мощного электрического поля, порожденного грозовыми разрядами.

Если применяемая линия высокого напряжения (ЛВН) не экранирована, в результате воздействия мощной электромагнитной волны на каждом шаге скрутки наводится небольшое напряжение, в пределах нескольких милливольт. Если ЛВН изготовлена идеально и площадь контуров одинакова, суммарная наведенная ЭДС близка к нулю. Реально же шаг скрутки далеко не одинаков, поэтому полной взаимной компенсации элементарных ЭДС не происходит, и чем длиннее кабель, тем выше может быть напряжение между проводниками одной пары в результате электромагнитного импульса, создаваемого молнией. Это напряжение может до-стигать нескольких сотен вольт.

Основной метод защиты – экранирование, установка на концах кабеля устройств защиты выравнивающих потенциалы, при которых максимальное напряжение между любыми двумя проводами в кабеле не превышает 7...10 В. Потенциал, превышающий сотни вольт относительно земли, снижает разрядник.

3. Броски напряжения питающей сети. Это довольно часто встречающаяся причина выхода из строя оборудования «целиком». В сети 220 В нередко происходят броски напряжения до нескольких тысяч вольт. Причины тому – срабатывание предохранителей на подстанции, разряд молнии, помеха от других мощных потребителей энергии.

Традиционные методы защиты – повышение надежности штатных источников питания, применение источников бесперебойного питания и устройств защиты от повышения напряжения в сети.

4. Изменение потенциала заземляющих устройств. Оно возникает при близком разряде молнии в поверхность земли.

Основная причина выхода из строя аппаратуры – большая разность потенциалов на заземляющих шинах оборудования, установленного на значительном расстоянии друг от друга. В этом случае по кабельным линиям в целях входов/выходов протекает очень большой уравнивающий ток, который разрушает электронное или электрическое оборудование. Минимизировать потери в этом случае можно, строго соблюдая правило монтажа заземляющих устройств.

Для защиты цепей оборудования от воздействия электрических перегрузок могут использоваться разнообразные методы, основными из которых являются: конструкционные, структурно-функциональные, схемотехнические.

Конструкционные способы защиты включают в себя: рациональное расположение и монтаж компонентов, экранирование, заземление и др.

Группа структурно-функциональных методов включает в себя: рациональный выбор принципа действия оборудования и выбор используемых стандартов передачи сигналов и др.

Схемотехнические методы включают в себя пассивную и активную защиту. Наиболее эффективным средством защиты оборудования от воздействия ЭМИ является активная защита.

Основным элементом схем активной защиты являются разрядники, металоокисные варисторы, TVS (transient voltage supressor) – тиристоры и TVS – диоды, называемые в отечественной литературе «супрессорами», «полупроводниковыми ограничителями напряжения» (ПОН) или «диодами для подавления переходных процессов» (ППН) (табл. 3.1).

ПОДХОДИТ ДЛЯ

ПОВЕРХНОСТНОГО

Для защиты оборудования используют модуль грозозащиты (ГЗ), который ограничивает амплитуду воздействующего импульса и тем самым предотвращает в большинстве случаев выход из строя сетевого оборудования.

Многие производители устройств грозозащиты для подавления импульса синфазной помехи используют только искровые разрядники, снижая тем самым себестоимость продукции. Однако при этом снижается надежность работы оборудования.

Причины следующие:

напряжение срабатывания разрядника зависит от длительности приложенного к нему напряжения. Чем короче импульс, тем выше пробивное напряжение разрядника, на постоянном и импульсном токе может превышать 300 %;

время срабатывания сравнимо с фронтом грозового импульса, следовательно, при срабатывании разрядника на оборудование проходит короткий импульс, длительностью порядка одной микросекунды;

наблюдается временная нестабильность разрядных характеристик в ходе эксплуатации разрядников вследствие эрозии электродов, частичной потери вакуума;

при срабатывании разрядников возникают значительные перенапряжения в расположенных поблизости индуктивных элементах (согласующих трансформаторах, дросселях и прочее).

Одна из проблем, с которой приходится сталкиваться разработчикам локальных компьютерных сетей, – обеспечение стойкости сетевого оборудования к различным внешним воздействиям.

В период грозовой активности на электрические локальные сети (ЭЛС) оказывают свое влияние электрические поля, поля незавершенных облачных разрядов, электромагнитные наводки, связанные с током канала молнии и ее ответвлений, токи, растекающиеся в земле через систему заземлений и попадающие в цепи локальных сетей.

Грозовой разряд действует как мощный радиопередатчик, порождающий сильное электромагнитное излучение. Спектральный состав этого излучения лежит в диапазоне от нескольких герц до десятков килогерц, наибольшая плотность которого находится в районе 5 … кГц. По этой причине трансформаторная развязка устройств от информационных линий, выполненных витой парой, нередко оказывается бессильной. Помеха огромной мощности проходит через развязывающий трансформатор, не разрушая его, но повреждая электронику.

Длительность таких импульсов может составлять 1…500 мкс и более, а напряжение – от сотен до десятков киловольт. В результате длительных исследований различными лабораториями мира были получены усредненные параметры импульсов грозовых разрядов. На линиях электропередачи и телефонии длиной измеряемой километрами возможны импульсы напряжения до 20…25 кВ и тока до 10 кА. В более коротких линиях, длиной в сотни метров, наводятся импульсы напряжения до кВ и тока до 5 кА, а в линиях, проходящих внутри зданий, – до 6 кВ и до 500 А.

Основными видами воздействий грозовых импульсов на сетевое оборудование локальных сетей являются:

• электростатическое – связано с влиянием электростатических полей предгрозового периода и незавершенного облачного грозового разряда;

• электромагнитное – связано с индукционным влиянием канала молнии на сетевые кабели при расстояниях, соизмеримых с длиной канала;

• гальваническое – связано с растеканием в земле токов молнии и частичным их ответвлением в цепи локальных сетей через систему заземления;

• ток молнии – связано с прямым попаданием молнии в кабель.

По статистике, процент «выживания» оборудования, которое подключено к воздушным линиям, выполненным неэкранированной витой парой, составляет всего 59 %.

Выход из строя аппаратуры, подключенной к линиям из коаксиального кабеля, не редкость даже внутри кирпичных зданий. На подобных воздушных линиях оборудование без специальных мер защиты практически «не живет».

Стопроцентной защиты от подобного рода воздействий не существует, но минимизировать потери, исходя из разумного компромисса между стоимостью, сложностью и эффективностью устройств защиты, несомненно, можно. Конечно, неплохо использовать «классические» методы: переход на оптоволоконные кабели, отказ от открытых линий, экранирование кабельной системы, но порой все это сказывается недоступно для мелких и средних сетей вследствие высокой стоимости и сложности монтажа.

Помехоустойчивость существующих электрических сетей недостаточная, а переход к оптическим сетям сдерживается экономическими причинами. Поэтому требуются дополнительные устройства защиты электрических сетей.

Если закоротить центральную жилу и экран коаксиального кабеля и подать на них импульс аналогичный возникающему при грозовом разряде, то на другом конце за счет меньшей индуктивности сначала образуется импульс такой же амплитуды, но меньшей длительности на экранирующем проводнике, а затем импульс приблизительно половинной амплитуды, но большей длительности на центральной жиле. При этом энергия каждого импульса приблизительно равна половине энергии входного импульса, а дифференциальное напряжение между центральной жилой и экраном в начальный момент может даже превысить амплитуду входного импульса.

Аналогичные процессы происходят при грозовых разрядах в кабеле снижения от антенны к приемопередающей аппаратуре. При большой длине кабеля напряжения между центральной жилой и экраном могут до-стигать величин достаточных для вывода из строя любой аппаратуры, этим и продиктована необходимость применения специальных защитных устройств.

Из описания процесса следует также, что антенны, замкнутые по постоянному току при подключении коротким кабелем, не требуют грозозащиты.

Для защиты антенных кабелей снижения от грозовых разрядов и электромагнитных импульсов ядерного взрыва применяют так называемые устройства грозозащиты (УГЗ).

Основным требованием к УГЗ является волновое сопротивление, его стандартные значения 50 или 75 Ом. Другое производится и поставляется только на заказ.

У большинства серийных УГЗ быстродействие достаточное, но для некоторых специальных применений требуется повышенное быстродействие.

В частотном диапазоне существуют два больших класса УГЗ:

– широкодиапазонные;

– настроенные на определенный диапазон фильтры.

Большая часть энергии грозового разряда лежит в диапазоне низких частот 0…1 МГц. С повышением частоты энергия разряда резко убывает.

Если в аппаратуре скомпенсированы несколько передатчиков, необходимо это обязательно учитывать. Газоразрядные устройства имеют определенное напряжение срабатывания, а несколько передатчиков, работающих на один кабель, могут значительно увеличить проходящее через УГЗ напряжение, вплоть до напряжения разряда газоразрядной колбы, Два передаваемых 100 Вт сигнала дают суммарную мощность 200 Вт, но суммарное напряжение будет иметь пики эквивалентные Вт сигналу. Поэтому многоканальные передающие системы с комбайнерами или дуплексерами должны рассчитываться на большее напряжение срабатывания и пиковые значения ВЧ токов. Такие расчеты не требуются при использовании УГЗ на основе фильтров (не газоразрядных).

По окончанию грозового разряда или ЭМИ УГЗ должно выключится, а не оставаться в режиме разряда под действием рабочей ВЧ энергии. Для этого напряжение срабатывания УГЗ не должно быть очень низким, однако при выборе УГЗ со слишком высоким напряжением срабатывания (например при комбайнировании передатчиков), придется пренебречь частью защитных свойств. Это не актуально для негазоразрядных фильтрующих УГЗ.

В приемной аппаратуре передача постоянного или переменного напряжения вместе с ВЧ сигналом актуальна для высоко расположенных предусилителей и конверторов, а также для мощных передающих усилителей, расположенных возле антенных систем. Эти возможности УГЗ, если они предусмотрены, обычно указываются в технических параметрах.

Пиковый ток УГЗ варьируется у различных производителей. Но не стоит стремиться к применению устройств с максимальными значениями пикового тока, это не всегда означает лучшую защиту.

Стандартным является разъем -типа, но на заказ выпускаются и другие.

Система заземления комплекса аппаратуры должна быть интегрированна с аппаратурой грозазащиты.

Типы УГЗ. Газоразрядные УГЗ используются при достижении напряжения в линии порогового значения. В газоразрядной трубке возникает разряд и в центральный проводник оказывается короткозамкнутым на землю. Так как эти УГЗ имеют проводимость по постоянному току центральных контактов разъемов, то до достижения дифференциальным напряжением уровня срабатывания газоразрядной трубки часть энергии пройдет на аппаратуру. Считается, что до срабатывания газоразрядного УГЗ оборудование должно выдерживать импульс тока до 10 000 А. Поскольку газоразрядные УГЗ имеют cвойство перегорать при пиковых значениях напряжения, производители комплектуют их сменными капсулами. Большинство производителей ограничивают сверху их рабочий диапазон частот.

Четвертьволновые режекторные УГЗ относятся к устройствам со связью по постоянному току. Однако в отличие от вседиапазонных настороенных на определенное напряжение срабатывания газоразрядных УГЗ, это фильтры, настроенные на определенный диапазон частот. Заземленная согласованная четвертьволновая секция этих устройств имеет низкое проходное сопротивление центрального проводника для рабочего диапазона частот и низкое сопротивление на землю для всех остальных частот. А поскольку большая часть энергии грозового разряда приходится на диапазон 0…1 МГц, то УГЗ этого типа представляются идеальными.

Кроме того, эти УГЗ фильтруют широкополосные искровые помехи индустриального и другого происхождения.

Антенны являются устройствами, настроенными на свою рабочую частоту, и при ударе импульсом напряжения с крутыми фронтами вся ВЧ и НЧ энергия спускается по коаксиальному кабелю. Четвертьволновый фильтр НЧ энергию разряда направляет на землю, а весь полезный сигнал и очень малая часть энергии разряда идут на вход аппаратуры. При этом максимальный ток у них в 5 – 10 раз больше, чем у газоразрядных УГЗ.

Для специальных применений выпускаются УГЗ других типов, в частности на лавинопролетных диодах. Применяются также комплексные системы грозозащиты с использованием УГЗ разных типов.

Некоторые фирмы выпускают так называемые микроволновые фильтры работающие в широких диапазонах частот (начиная с 800 МГц) с низким КСВН и низкими потерями. Обладая способностью коммутировать до 750 Вт мощности, они используются в мощной аппаратуре специального назначения. Поскольку они не обладают проводимостью по постоянному току, то практически не пропускают энергию грозового разряда на вход аппаратуры.

3.4. ПРИМЕР УСТРОЙСТВА ГРОЗОЗАЩИТЫ

Рассмотрим УГЗ для бытового применения. На металооксидных варисторах, хотя они и обладают высоким быстродействием и очень низкой ценой, не способны надежно защитить оборудование на неэкранированных воздушных линиях. Остаточное напряжение на них может в несколько раз превышать предельно допустимое для защищаемой аппаратуры. Это объясняется неидеальной вольт-амперной характеристикой варисторов и зависимостью напряжения от амплитуды импульса тока, протекающего через них. Необходимо также учитывать, что защитные элементы постепенно изменяют свои параметры, деградируют если через них протекает ток, близкий к предельному. В этом случае у варисторов уменьшается внутреннее сопротивление и они, в конце концов, замыкают защищаемую линию. Практически через пару лет эксплуатации на воздушных линиях защитные свойства приборов теряются и увеличиваются потери, поэтому становится невозможным их применение в высокоскоростных сетях на значительных расстояниях.

Во многих УГЗ отечественного производства в качестве разрядников используют либо неоновые лампы, либо «неонки»

от стартеров ламп дневного света. Это обусловлено в основном низкой стоимостью подобных защитных элементов. Но такие решения не очень удачны, поскольку неоновые лампы обладают большим сопротивлением при пробое и невысоким быстродействием.

Продолжительные испытания неэкранированной ЛВВП 100-мегабитной сети длиной сто метров, протянутой между зданиями, показали, что неплохо справляется со своими обязанностями устройство, схема которого показана на рис. 3.1.

Оно представляет собой многофазный диодный мост на диодах VD1 – VD16, в диагональ включен защитный диод VD17, ограничивающий напряжение между любыми двумя проводниками линии на уровне около 8 В. Применение ограничительных диодов фирмы Transil обусловлено существенными отличиями параметров таких приборов от стабилитронов.

Например, время срабатывания ограничительного диода не превышает нескольких пикосекунд, а пиковая рассеиваемая мощность (в течение 1 мс) составляет 1500 Вт.

К разъему XS1 подключают линию, а к разъему XS2 – сетевое оборудование. Кабель, соединяющий УГЗ с сетевым оборудованием, должен быть минимальной длины. Каждый проводник информационного кабеля соединен с землей через газонаполненные разрядники F1 – F4, которые обеспечивают отвод потенциала статического электричества, превышающего В. Специализированные разрядники Epcos Т83-A90X допускают прохождение импульсного тока 10 кА длительностью 8/ мкс, характерного для грозового разряда. Сдвоенные разрядники применены, исходя только из экономических соображений, вместо них можно использовать любые, удовлетворяющие выше требованиям. Вместо диодов 1N4007 (VD1 – VD16) можно использовать любые аналоговые выпрямительные диоды импортного или отечественного производства с допустимым обратным напряжением не менее 1000 В, способные работать на частотах выше 10 кГц.

УГЗ собрано на печатной плате из двухсторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертеж печатной платы устройства показан на рис. 3.2. Фольга на плате со стороны выполняет функцию экрана, ее удаляют только около выводов деталей, зенкуя отверстия. Средний вывод разрядников припаивают непосредственно к фольге со стороны деталей.

Заземляющий проводник вставляют в отверстие диаметром 2 мм и припаивают к обеим сторонам платы. Для уменьшения перекрестных наводок перемычки 1 и 2, 3 и 6, 4 и 5, 7 и 8 можно попарно свить двумя-тремя витками. Устройство смонтировано в корпусе стандартной двойной розетки RG45В. Поскольку в этой розетке нумерация выводов разъемов XS1 и XS перевернута относительно друг друга, пришлось на печатной плате использовать перемычки. В случае другого варианта монтажа УГЗ перемычки можно исключить. Штатные ножевые разъемы с платы розетки удаляют, а вместо них запаивают изогнутые штыри, на которые монтируют плату УГЗ.

Если нет необходимости в защите всех восьми проводников кабеля, УГЗ можно собрать по упрощенной схеме, показанной на рис. 3.3. Неиспользуемые проводники соединяют вместе и через разрядник F2 (Epcos N81-A90X) подключают к заземлению.

Для защиты источников питания от коротких всплесков напряжения в сети 220 В применяют устройство, схема которого показана на рис. 3.4. Его включают в разрыв сетевого провода возможно ближе к блоку питания, например, встраивают в сетевую розетку.

Если длина низковольтной (9…12 В) цепи питания аппаратуры составляет несколько метров и более, например, питание подводят по свободным парам или неэкранированным проводам, то необходимо установить УГЗ, которые собирают по схеме рис. 3.1, отличающийся тем, что вместо двух используют только один ограничительный диод 1,5КЕ18, включенный катодом к плюсу питания. Устройство подключают возможно ближе к активному оборудованию в разрыв низковольтной цепи питания постоянного тока. Все виды УГЗ требуют обязательного подключения к заключению, будем считать, что это, в нашем случае, одно и то же. При его отсутствии все мероприятия по грозозащите практически сводятся к нулю.

Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ), электрическая сеть в жилых домах состоит из фазы L рабочего нуля N и защитного нуля (РЕ), подключаемого к корпусу распределительного щита на лестничной площадке к среднему контакту розетки в квартире. Проверить его наличие можно, подключив лампу накаливания на напряжение 220 В относительно фазы сначала к нулевому проводу, затем к среднему контакту розетки. В обоих случаях лампа должна гореть ярко и ровно, если при подключении лампы к среднему контакту произойдет срабатывание устройства защитного отключения (УЗО) в щите, это лишь подтвердит наличие защитного нуля.

Если же в помещение защитный нуль не подведен, его придется провести самому. Для этого потребуется провод сечением не менее 1,5 мм2, чем больше, тем лучше. Один конец провода закрепляют под любой свободный болт шины, соединенной с корпусом соединительного щита, второй соединяют с заземляющим контактом розетки или УГЗ, Использовать в качестве защитного заземления батарею отопления или водопроводные трубы не допустимо. Одна из причин – высокое сопротивление подобного «заземления». Кроме того, в некоторых случаях потенциал на батарее может быть отличен от нуля, например, если сосед использует трубы в качестве рабочего нуля из-за разрыва нулевого проводника в проводке, что категорически запрещено.

И хотя в подвале здания теоретически должна существовать система выравнивания потенциалов, на практике встречается всякое.

В сельские дома напряжением 220 В подводят воздушными линиями электропередачи, и использовать в качестве защитного рабочий нуль опасно. При возникновении аварийной ситуации (обрыв нулевого провода на линии электропередачи, падение дерева на линию электропередачи и т.д.) на нулевом проводе возможно появление потенциала, отличного от нуля, вплоть для фазного напряжения.

В этом случае в качестве устройства защитного зануления можно использовать естественные заземлители. Пункт 1.7.70 ПУЭ по этому поводу гласит: «В качестве естественных заземлений рекомендуется использовать: проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих и взрывчатых газов и смесей, канализации и центрального отопления; обсадные трубы скважин: металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей; металлические шунты гидротехнических сооружений, водоводы, затворы и т.п; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле. Алюминиевые оболочки кабелей не допускается использовать в качестве естественных заземлителей. Если оболочки кабелей служат единственными заземлителями, то в расчете заземляющих землей они должны учитываться при количестве кабелей не менее двух; заземлители опор высоковольтных линий (ВЛ), соединенные с заземляющим устройством электроустановки с помощью грозозащитного троса ВЛ, если трос не изолирован от опор ВЛ; нулевые провода ВЛ до 1 кВ с повторными заземлителями при количестве ВЛ не менее двух; рельсовые пути магистральных неэлектрофицированных железных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек между рельсами».

Также согласно ПУЭ «не допускается объединение нулевых рабочих и нулевых защитных проводников различных групповых линий…», т.е. заземлять (занулять) проводящие траверсы, подвеса кабелей и неиспользуемые проводники в кабеле необходимо только с одного конца. Дело в том, что при близком грозовом разряде в землю значительно изменяется потенциал заземляющих устройств, о чем было сказано выше. Кроме того, разность потенциалов между удаленными точками заземления может быть очень большой и при «жестком»

заземлении с обоих концов, через кабели и аппаратуру возможно протекание значительного уравнивающего тока.

УГЗ питающих и информационных линий, аналогичные описанным, можно использовать для защиты ЛВВП, но и телефонных линий противопожарной и охранной сигнализации, систем видеонаблюдения и прочих, удаленных на расстояние более нескольких десятков метров информационных и питающих линий активного оборудования, особенно эксплуатируемого на открытом воздухе (табл. 3.2).

Работает на 100 мегабит Практически не влияет на дальнобойность Промежуточный заземленный контур Работает на 100 мегабит Масштабируется, есть общие детали

4. МОЩНЫЕ РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ СРЕДСТВА

Радиоэлектронные средства могут быть не только объектами неблагоприятного воздействия МЭМП, но и их источниками (например, радиопередающие средства). При этом независимо от того, используются ли они в качестве системы радиоподавления, т.е. создания организованных помех, либо эти помехи создаются непосредственно в результате функционирования РЭС, их основные свойства как источников электромагнитных помех остаются идентичными.

Мощные радиопомехи охватывают достаточно широкий спектр, от десятков герц до десятков гигагерц, частотный диапазон и являются гармоническими сигналами, модулированными по амплитуде и частоте [3, 4].

Как правило, основными источниками мощного электромагнитного излучения любых РЭС является антенна, направленно или ненаправленно излучающая поток электромагнитной энергии в окружающее пространство. Антенны радиолокационных станций (РЛС) в этом отношении наиболее опасные источники мощного излучения, так как обладают свойствами концентрировать электромагнитную энергию в определенном направлении (имеют высокий коэффициент направленного действия, который может достигать значений порядка десятков тысяч).

Основные характеристики электромагнитного поля определяются его источником, окружающей средой и расстоянием от источника до точки наблюдения. В соответствии с этим окружающее антенну пространство, где существует электромагнитное поле, делится на ближнюю, промежуточную и дальнюю зоны излучения. Вблизи направленной антенны, когда r < /2, свойства поля определяются характеристиками источника и расстоянием от него до рассматриваемой области. Если в антенне генерируется большой ток и низкое напряжение, что свойственно рамочным антеннам, ближнее поле будет в основном магнитным. Для этого случая характерно соотношение где Е и Н – напряженности электрического и магнитного полей в окружающем антенну пространстве; r – расстояние от антенны до точки наблюдения; – длина волны поля излучения.

Для антенны в виде штыря или натянутого над землей провода характерным является малый ток и большое напряжение. В этом случае электрическая составляющая поля вблизи антенны намного превышает магнитную:

Так, поля Е и Н для излучения провода в ближней зоне где I – ток в проводе (антенне); l – его длина.

В отличие от всенаправленных антенн, для которых ближняя зона распространяется на расстояние r < /2, для широко распространенных зеркальных антенн с диаметром зеркала D граница ближней зоны в главном максимуме излучения определяется расстоянием В этой зоне (рис. 4.1) излучение концентрируется в луче почти такого же сочетания, как и сечение антенны в ее разрыве. Интенсивность излучения в центре сечения луча почти в девять раз больше, чем на его краях.

По мере удаления от антенны картина меняется. В случае штыревой антенны интенсивность электрического поля падает пропорционально (l / r)3, на создание магнитной составляющей поля, которая с увеличением расстояния затухает пропорционально (l / r)2. Для рамочной антенны, наоборот, магнитная составляющая затухает пропорционально (l / r)3, а электрическая – (l / r)2. Такая картина будет наблюдаться до тех пор, пока расстояние не достигнет значения r ~ / 2, что соответствует промежуточной зоне формирования полей излучения, которые распространяются и существуют в следующей дальней зоне.

В общем случае при изотропном излучении граница между промежуточной и дальней зонами определяется расстоянием r >> / 2.

Для дальней зоны излучения характерно соотношение В дальнейшем как электрическая, так и магнитная составляющие поля затухают пропорционально l / r.

В дальней зоне излучения РЭС где P – средняя по времени мощность излучения.

Для направленных зеркальных антенн область дальней зоны излучения определяется расстоянием r = D2 /, G – коэффициент направленного действия антенны.

Так как РЛС работает в основном в СВЧ диапазоне, то пространство вблизи станций, их антенн или мест утечек является дальней зоной.

Радиолокационное оборудование и связная радиоаппаратура, работающие в диапазоне от низких до высоких частот, могут создавать и внутренние МЭМП через отверстия, неоднородности в экранах линий передачи энергии на антенну или в экранах катодных выводов магнетронов и т.п. По данным, приведенным в, напряженности полей утечек могут достигать значений от тысяч до десятков вольт на метр, что говорит о необходимости учета не только внешней, но и внутренней электромагнитной обстановки (ЭМО).

4.2. ФОРМИРОВАНИЕ ЭМО И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Как и во всех предыдущих случаях, на формирование ЭМО излучающими элементами РЭС проводящие свойства земли будут оказывать самое существенное влияние. При этом характеристики ЭМО над поверхностью земли и в ее толще существенно отличаются друг от друга.

Поля излучения РЭС над поверхностью земли. Можно выделить три возможных варианта формирования ЭМО над поверхностью земли: в ближней от антенны области без учета поглощающих и отражающих свойств земли (т.е. в зоне «прямой видимости»); с учетом отражения от поверхности земли; при распространении радиоволн над поверхностью земли. Первый из возможных вариантов формирования ЭМО тесно связан с узконаправленным действием зеркальных антенн РЛС, имеющих ярко выраженную узкую диаграмму направленности, например игольчатого типа.

Для направленных антенн существенным оказывается учет распределения интенсивности излучения по сечению луча, которое изменяется от максимального значения на его оси почти до нуля на периферии луча.

Для наиболее распространенного типа антенн РЛС с параболическими отражателями распределение интенсивности излучения характеризуется формулой где Q – отношение интенсивности излучения в точке приема, расположенной под углом к оси главного луча, к интенсивности на его оси; J1 (kR sin ) – функция Бесселя первого порядка; R – половина размера раскрыва антенны, м; k – коэффициент распространения радиоволн, м–1.

Как видно из рис. 4.2, первый максимум приходится на ось излучения = 0. Первый минимум наступает при k R sin = 3,8.

На последующие максимумы приходится обычно несколько процентов мощности излучения.

При k R sin 1,62 значение Q – () = 0,5Q (0) соответствует так называемой ширине диаграммы направленности на половинной мощности, которая считается техническим параметром РЛС и указывается в паспорте. При этом ширина диаграммы направленности по нулям примерно в два раза больше ее ширины половинной мощности.

Таким образом, чтобы рассчитать напряженность поля в любой из точек, по сечению луча при излучении направленными антеннами необходимо в формулу (4.3) внести коэффициент (4.5). Если для описания ЭМО применить не энергетический, а электродинамический подход, то в выражение для напряженности поля следует коэффициент (4.5) подставлять в степени 1/2.

Угол, определяющий отклонение точки наблюдения от оси луча, может быть выражен через линейные параметры: r – расстояние от антенны до точки наблюдения от оси луча (рис. 4.3). В том случае, когда r > а, где а определяется через линейные параметры (рис. 4.3) в виде алгебраической суммы Возвышение антенны над точкой приема h = hа – hв + H принимает отрицательные или положительные значения в зависимости от того, будут ли они откладываться вверх или вниз от оси луча антенны. Величина приближения или удаления оси луча от линии горизонта также будет иметь разные знаки в соответствии со знаками угла а и определяется зависимостью l = 0,0175 r a.

Преимущество выражения (4.6) очевидно, так как на практике всегда легче определить линейные координаты расположения точки приема по отношению к горизонту или оси антенны по сравнению с ее угловыми координатами.

В том случае, когда диаграмма направленности антенны такова, что на некотором расстоянии от антенны часть ее излучения падает на землю, как показано на рис. 4.4, в точке наблюдения будет не только прямой, но и отраженный луч. Чтобы учесть влияние земли на распространение радиоволн над ее поверхностью, в теории распространения радиоволн вводится коэффициент ослабления где R3 – коэффициент отражения радиоволн от земли; – угол изменения фазы (потери фазы) прямого луча.

Приведенная формула справедлива для случаев, когда hа и hа >>, что соответствует КВ и УКВ диапазону.

Для большинства встречающихся на практике видов поверхностей земли коэффициент отражения радиоволн R3 близок к единице, а угол потери фазы стремится к 180°. Тогда Как показано на рис. 4.5, функция F(r) – периодическая и ее п-й максимум наступает при r1 = 4 hа hb /.

При r > r1 функция F(r) начинает монотонно убывать и при r 18 hа hb / переходит в зависимость, определяемую формулой Введенского:

Функция ослабления F(r) зависит от состояния поверхности земли. Для диффузного отражения от негладкой поверхности земли (травяной покров, неровности, шероховатости и т.п.) F(r) = 1.

При отражении от гладкой поверхности для больших углов скольжения и расстояний r 4hа hа / в точках максимумов F(r) = 1 + R3, при малых же (до 3°) углах скольжения и тех же расстояниях F(r) = 2. При увеличении расстояния, когда угол скольжения остается мал, коэффициент ослабления стремится к F(r) = 4 hа hb /r.

Таким образом, при определении характеристик ЭМО в интересующей точке пространства влияние отражения радиоволн от поверхности земли учитывают введением коэффициента ослабления F(r).

При дальнейшем увеличении расстояния от источника излучения до рассматриваемой точки земля начинает оказывать более существенное влияние на процесс распространения радиоволн, что в конечном итоге приводит к ослаблению и трансформации составляющих напряженности электрических и магнитных полей. Напряженность электрического поля излучения РЭС на расстоянии r от антенны определяется известным из теории распространения радиоволн соотношением ШулейкинаВан-дер-Поля:

где k – фазовый коэффициент распространения радиоволн, м –1; F() – коэффициент ослабления электромагнитной энергии радиопередачи.

Коэффициент F() определяет потери электромагнитной энергии в земле при проникновении в ее толщу электромагнитных волн и является функцией параметра,называемого «численным расстоянием». В свою очередь, величина зависит от комплексной диэлектрической проницаемости земли по трассе распространения радиоволн и расстояния от радиостанции до рассматриваемой точки.

Для реальных почв, токи проводимости которых значительно превосходят токи смещения, в результате чего можно