1. Введение
При обеспечении электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры большое значение имеет борьба с внешним электромагнитным влиянием.
Опыт эксплуатации показывает, что среди электронных систем недостаточную помехозащищенность имеют некоторые типы радиоэлектронных средств, вычислительных комплексов и линий электросвязи. Поэтому, с учетом общих тенденций развития электронных систем, заключающихся в миниатюризации, снижении уровня рабочих сигналов и повышении надежности, повышение помехозащищенности данных систем требует применения улучшенной элементной базы. Особо высокие требования при этом должны предъявляться к кабельным изделиям по причине их протяженности, которая обуславливает существенную степень подверженности данных изделий внешним электромагнитным влияниям и делает кабельные изделия основной средой для распространения электромагнитных помех.
Так как основным средством борьбы с внешними влияниями в настоящее время является применение экранированных кабелей и кабелей с помехопоглощающими оболочками, то проблема определения характеристик эффективности экранирования кабельных изделий является на сегодняшний день актуальной проблемой, поскольку недостаточные требования к этим характеристикам приводят к понижению помехозащищенности, а избыточные требования к увеличению материалоемкости кабельных изделий.
2. Теория экранирования
Экранирование как средство борьбы с электромагнитными помехами применяется для таких элементов радиоэлектронных средств, которые могут быть либо источниками, либо рецепторами помех. Экран, образованный металлическим барьером, можно анализировать при помощи, как теории поля, так и теории цепей. В настоящее время наиболее широко используется теория поля.
Магнитное поле на очень низкой частоте можно экранировать, создавая магнитную цепь с низким сопротивлением.
Для экранирования электрических полей следует использовать материалы с высокой электропроводностью. Эффективность такого экрана бесконечно велика на очень низких частотах и падает с их ростом. Экранировать магнитные поля более сложно, поскольку затухание из-за отражения равно нулю для некоторых сочетаний материалов и частот. С уменьшением частоты ослабление магнитного поля из-за отражения и поглощения в немагнитных материалах падает, поэтому трудно создать магнитный экран из немагнитных материалов. На высоких частотах, где экранирование обеспечивается и поглощением и отражением, выбор материала менее критичен.
Магнитные материалы обеспечивают лучшее экранирование от плоских волн за счет поглощения, в то время как электропроводящие материалы — за счет отражения.
Взаимодействие двух проводов в магнитном поле описывается уравнением Максвелла.
Уравнения Максвелла обобщают два основных закона электротехники: закон полного тока и закон электромагнитной индукции.
В интегральной форме первое уравнение Максвелла (закон полного тока) устанавливает количественное соотношение между напряженностью магнитного поля Н и электрическим током i:
Второе уравнение Максвелла является обобщенной формулировкой закона электромагнитной индукции на случай любой среды.
Максвелл доказал, что электродвижущая сила, действующая вдоль какого-либо контура, равна линейному интегралу вектора напряженности электрического поля Е, взятому вдоль этого контура. Отсюда обобщающая формулировка закона электромагнитной индукции:
Скручивание проводов является хорошим способом уменьшения магнитной связи. Однако еще лучшую магнитную развязку обеспечивает коаксиальный кабель, поскольку его оболочка — эквивалентный обратный
провод — расположена концентрично относительно внутреннего провода и тем самым эффективный размер пренебрежимо мал. Степень развязки определяется градиентом магнитного поля и характеристиками кабеля.
Эффективность экранирования зависит от правильности заземления экрана. В отличие от электрического экранирования магнитное не требует заземления экрана, если экранируемая цепь не является высокоомной.
Применение этих мер совместно с широким использованием варисторов позволит надежно защитить микропроцессорные устройства релейной защиты. Разумеется, эти меры будут наиболее эффективными, если их принимать на стадии проектирования и строительства новой подстанции, а не при латании дыр
на старой.
3. Характеристики экранирования
В области частот до 200 МГц экран характеризуется квазистатическим поведением относительно электромагнитного поля. В этом случае действие экрана учитывается через коэффициент экранирования S, который, в зависимости от характера влияния помехонесущего поля, представляет собой отношение напряженности поля в какой-либо точке пространства при наличии экрана к напряженности поля в той же точке без экрана.
В области частот более 200 МГц векторы электрического и магнитного полей целесообразно рассматривать совместно.
В кабельной технике металлическая оболочка кабеля не просто экран, а часто система, в которую, по крайней мере, входят токопроводящие жилы (ТПЖ) и изоляция ТПЖ, при этом необходимо учитывать режимы работы концов кабеля.
Важной задачей кабельной техники является задача устранения вредного влияния помехонесущих токов. Помехонесущий ток, протекающий в оболочке кабеля, и получающееся при этом падение напряжения наводят в системе проводов, экранированных оболочкой, помехонесущие Э. Д. С, и чем меньше величина указанного падения напряжения, тем лучше будет экранирующее действие экрана. Это падение напряжения, очевидно, пропорционально помехонесущему току; коэффициент пропорциональности с размерностью сопротивления называют сопротивлением связи экрана.
На практике для оценки эффективности экранирования коаксиальных кабелей используется характеристика сопротивления связи.
4. Механизмы формирования помех в кабеле при внешнем влиянии
При расчете и конструировании экранированных кабелей изготовители добиваются требуемой величины экранного затухания, в то же время потребителей интересует, какие наводки кабели будут вводить в систему. Чтобы грамотно увеличить эффективность экранирования кабеля, необходимо понимать механизмы проникновения поля. Для кабеля коаксиальной конструкции можно сформулировать три механизма формирования помех.
Механизм 1. (Обусловлен протеканием, тока в оболочке).
Помехонесущий ток в экране кабеля и соответствующее ему падение напряжения наводят в коаксиальном кабеле напряжение помехи. Падение напряжения в экране связано с помехонесущим током через сопротивление связи экрана.
В связи со сложностью расчета сопротивления связи оплеточных кабельных экранов, его значения оцениваются весьма грубо и на практике их всегда определяют экспериментально.
Механизм 2. (Обусловлен проникновением радиального электрического поля).
В случае, когда экран кабеля имеет отверстия, радиальное электрическое поле с увеличением частоты частично проникает внутрь кабеля. Данный процесс может характеризоваться источником тока.
Для многих коаксиальных кабелей этот механизм на частотах менее нескольких МГц не имеет значения, когда кабельная система работает на нагрузку 50 Ом.
Влияние радиального электрического поля в виде дополнительного эквивалентного генератора наводки определено через проводимость связи.
Полная проводимость связи обуславливает ток короткого замыкания, наведенного во внутреннем проводнике (когда внутренний проводник накоротко соединен с экраном). Полная проводимость связи для не сплошных экранов учитывает емкостную связь между внутренним проводником и землей.
В экранированных коаксиальных кабелях, имеющих эксцентриситет, возникает связь с поперечным магнитным полем. Напряжение наводки таково, как если бы центральный проводник был заземлен линией передачи, состоящей из параллельных проводов, находящихся на расстоянии, равном эксцентриситету.
Для коаксиальных кабелей нельзя достаточно точно определить эксцентриситет. Обычно он зависит от технологии изготовления, условий эксплуатации и т. п.
Таким образом, анализируя все рассмотренные механизмы формирования помехи в коаксиальном радиочастотном кабеле, можно сделать следующие выводы:
1. Помеха за счет влияния поперечного магнитного поля обусловлена в основном технологическими отклонениями при производстве кабеля и процессами старения во время эксплуатации;
2. Помеха за счет влияния радиального электрического поля обусловлена условиями эксплуатации кабеля (зависит от окружающей среды);
В то же время обусловлено, что обе эти помехи связаны с некоторыми свойствами и экрана.
3. Помеха за счет влияния тока в оболочке обусловлена в основном конструкцией и свойствами собственно экрана (однако и она тоже зависит, как это будет показано ниже, от свойств других элементов конструкции кабеля).
5. Заключение
В результате проделанной работы была изучена теория экранирования, включающая в себя описание электрического и магнитного полей, процессов происходящих при экранировании, материалов из которых изготавливаются экраны для защиты от магнитных и электрических полей. Также были изучены характеристики экранирования и механизма формирования помех в кабеле при внешнем влиянии.
Список использованной литературы
1. М. И. Михайлов, Л. Д. Разумов.: Защита кабельных линий связи от влияния внешних электромагнитных полей; Издательство Связь
Москва 1967.; http://model.exponenta.ru/.
2. В. А. Говорков.: Электрические и магнитные поля, 3-е изд. перераб., Энергия
Москва 1968.
3. И. И. Гроднев., Сергейчук К. Я.: Экранирование аппаратуры и кабелей связи. Связьиздат, 1960.