высокочастотные свойства эквипотенциальных

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПРОВОДНИКОВ
Специалистам НПО «Инженеры электросвязи» часто приходиться обследовать
объекты связи с целью определить причины выхода из строя оборудования из-за
воздействия электромагнитных помех. Нередко приходится выезжать по рекламациям,
суть которых состоит в заявлении «ваши защитные устройства не работают».
Если исключить случаи неправильного выбора и грубых ошибок при монтаже, нередко
обнаруживается, что система выравнивания потенциалов и заземляющие устройства не
соответствуют даже требованиям ПУЭ. Выполнение этих требований обеспечивает
электробезопасность, но зачастую этого недостаточно для электромагнитной
совместимости (ЭМС).
Необходимым условием нормального функционирования современного объекта
связи, особенно в условиях сложной электромагнитной обстановки (высокая грозовая
активность, наличие антенно-мачтовых сооружений, воздушных линий связи, высокий
уровень индустриальных помех), является соответствие заземляющих устройств и систем
выравнивания потенциалов современным требованиям, которые с прогрессом техники
постоянно возрастают.
Не будем рассматривать структуру эквипотенциальных систем и способы монтажа –
остановимся на свойствах проводников. Энергетический спектр наиболее мощной помехи
– молнии достигает сотен килогерц, а частоты помех искусственного происхождения в
настоящее время измеряются в МГц.
Мне не удалось обнаружить ни в одном справочнике высокочастотных параметров
кабелей и шин, используемых для систем выравнивания потенциалов.
В справочнике [1] приведены значения индуктивных сопротивлений жил высоковольтных кабелей (вероятно на частоте 50 Гц).
В работе [3] приведены эмпирическая формула и экспериментальные данные, в
соответствии с которыми комплексное сопротивление стальных элементов контуров
заземления в значительной мере зависит не только от частоты, но и от величины
протекающего тока. На рис.1 показана зависимость сопротивления полосы 50х4 от силы и
частоты протекающего тока.
Рассмотрим зависимость активной и индуктивной составляющей сопротивления
проводников от частоты протекающего тока.
Активная составляющая сопротивления проводника с ростом частоты возрастает за счет
влияния скин-эффекта, одно из проявлений которого состоит в том, что величина
переменного тока от поверхности к центру проводника убывает. Расстояние от
поверхности проводника, на котором плотность тока убывает в е раз (т.е. имеет
значение 37% от максимальной), называется глубиной скин-слоя.
Толщина скин-слоя рассчитывается, как
(1)
где –
абсолютная магнитная проницаемость вещества
- удельная проводимость
Для меди на промышленной частоте 50 Гц толщина скин-слоя примерно 1 см, а,
например, на 10 МГц он составляет уже около 10 мкм.
Магнитная проницаемость стали примерно в 1000 раз (или более, в зависимости от
марки) выше, чем у меди, а удельная проводимость ниже примерно в 7 раз, тогда глубина
скин-слоя составит на частоте 50 Гц 0,08 см, а на 10 мГц менее 1 мкм.
Можно так же оценить влияние скин-эффекта такой величиной, как временем
заполнения током толщины проводника, которое для проводника круглого сечения
диаметром d определяется, как :
(2)
Медный одножильный провод сечением 16 кв. мм заполняется током за время
порядка 1,5 мкС. Стальной проводник того же сечения (при относительной магнитной
проницаемости, равной1000) за 25 мкС.
Индуктивная составляющая сопротивления проводника зависит от собственной
индуктивности и частоты. Индуктивность одиночного проводника может быть определена
следующим образом:
Для низкой частоты:
,
(3)
где l длина провода, r радиус его поперечного сечения.
Если магнитная проницаемость провода
:
,
где
(4)
- внутренняя индуктивность провода.
При сверхвысокой частоте ток сосредоточен в бесконечно тонком слое проводника:
(5)
Расчеты показывают, что индуктивность одного метра проводника круглого
сечения площадью 16 мм кв составляет:
на низкой частоте для стали 5 мГн для меди 1,2 мкГн,
на сверхвысокой для любого проводящего материала или сплава 1,16 мкГн.
Рассмотрев свойства проводников в зависимости от частоты, делаем следующие
выводы :
1. Скин-эффект в десятки раз сильнее проявляется в стальных проводниках, чем в медных
(или, например, алюминиевых). За счет скин-эффекта активное сопротивление
проводников значительно увеличивается.
2. Время заполнения током медных проводников сопоставима с длительностью фронта
импульсных помех (8-10 мкС), а стальных проводников превышает длительность фронта
тока молнии и превышает длительность импульса помех, наводимых за счет индуктивных
наводок.
3. Индуктивность проводников из немагнитных материалов с ростом частоты практически
не изменяется.
4. Индуктивность стальных проводников на любых частотах выше, чем у медных (на
низких частотах в тысячи раз). С ростом частоты индуктивность проводника из
магнитного материала уменьшается за счет снижения внутренней индуктивности. Сечение
проводника, по которому протекает ток, (а следовательно и внутренняя индуктивность)
обратно пропорционально квадратному корню из частоты. Индуктивное сопротивление
прямо пропорционально частоте, следовательно, несмотря на снижение индуктивности, с
ростом частоты индуктивное сопротивление растет.
Вторую часть статьи приходится начать с исправления ошибки в терминологии,
которую я допустил в первой части, а именно: в место «система выравнивания
потенциалов» в данном контексте было бы более правильно сказать «система
уравнивания потенциалов». Остается только извиниться перед читателями, и
использовать это как повод попытаться разобраться в одном важном вопросе.
Что же говорится по данному вопросу в ПУЭ?
Выравнивание потенциалов – снижение разности потенциалов (шагового
напряжения) на поверхности земли или пола при помощи защитных проводников,
проложенных в земле, в полу или на их поверхности и присоединенных к заземляющему
устройству, или путем применения специальных покрытий земли.
1.7.32 Уравнивание потенциалов – электрическое соединение проводящих частей для
достижения равенства их потенциалов.
Защитное уравнивание потенциалов – уравнивание потенциалов, выполняемое в целях
электробезопасности.
Здесь же следует разъяснение, что в 1 главе ПУЭ термин «уравнивание потенциалов»
следует понимать как «защитное уравнивание потенциалов».
Хочу еще раз высказать свое мнение, что заземляющие устройства следует
рассматривать как часть системы уравнивания потенциалов объекта. Такой подход
применяется нашей фирмой и облегчает как понимание сути, так и решение многих
технических проблем.
Таким образом, выполнение ПУЭ обеспечивает лишь электробезопасность, но ни в
коем случае не служит гарантией того, что система уравнивания потенциалов
потенциалов и заземляющие устройства, которые являются ее частью, соответствуют
требованиям ЭМС.
Именно по этой причине в названии статьи говорится не о проводниках
уравнивания потенциалов, под которыми ПУЭ понимает «защитные проводники,
предназначенные для защитного уравнивания потенциалов».
Следовательно, необходим какой-то другой термин для системы уравнивания
потенциалов, к высокочастотным свойствам которой предъявляются особые требования.
Ранее были рассмотрены влияние индуктивности и скин-эффекта на сопротивление
эквипотенциальных проводников и их зависимость от частоты.
Волновые свойства эквипотенциальных проводников представляют практический
интерес не только для разработчиков оборудования, но и должны учитываться при его
монтаже в тех случаях, когда частота помехи достигает десятков МГц.
Из курса электротехники известно, что для переменного электрического тока с
длиной волны проводник длиной
имеет бесконечное сопротивление.
Рассмотрим следующий случай: Фильтр, предназначенный для фильтрации
высокочастотной помехи, подключен к системе уравнивания потенциалов кабелем длиной
2,5 метра. Составляющую помехи с длиной волны 10 м (частота около 30 мГц) такой
кабель не пропустит.
Нередко заземляющий проводник прокладывается по кабельростам, так же
подключенным к системе уравнивания потенциалов. В этом случае система проводник –
кабельрост может рассматриваться, как линия передачи с волновым сопротивлением
Z0, зависящего от индуктивности кабеля и емкости между кабелем и кабельростом.
Волновое сопротивление такой линии не возрастает непрерывно вместе с частотой, а
имеет параллельные (высокое сопротивление) и последовательные (низкое
сопротивление) резонансы.
Можно, в дополнении к первой части, сделать еще два вывода о высокочастотных
свойствах эквипотенциальных проводников:
Возможное совпадение четверти длины волны помехи и длины заземляющего проводника
обязательно должно учитываться при проектировании и монтаже объектов, где такая
помеха присутствует.
Влияние параллельных резонансов, при которых резко возрастает волновое
сопротивление проводника заземления, не учитывается ни проектировщиками, ни, тем
более, строительно-монтажными организациями. Этот вопрос требует дополнительного
изучения.
Совершенно очевидно, что в ближайшее время будут востребованы монтажные
материалы и оборудование, специальные знания и методики (например, программное
обеспечение), необходимые для создания эквипотенциальных систем, отвечающих
современным требованиям ЭМС. НПО «Инженеры электросвязи» работает в этом
направлении и приглашает всех, кто заинтересован в развитии этой отрасли техники, к
сотрудничеству.
Все эти сведения известны давно. Им необходимо найти практическое применение и
дать телекоммуникационной отрасли эффективные инструменты создания систем
уравнивания потенциалов, отвечающим самым жестким требованиям ЭМС. Для этого
необходимы проводники, которые имеют значительно лучшие высокочастотные
свойства, чем применяемые сейчас кабели заземления:
1. Ленты из немагнитных материалов. Они обладают значительно лучшими свойствами,
чем проводники круглого сечения.
2. Специальные высокочастотные кабели заземления. Здесь слово за кабельной
промышленностью
Задача ясна – уменьшение влияния скин-эффекта, уменьшение индуктивности. Но это
тема уже для следующей статьи.
Список литературы.
1. Алиев И.И., Казанский С.Б. Кабельные изделия. Справочник. М., Радиософт, 2002.
2. Терентьев Д.Е. Заземляющие устройства объектов связи: проблемы и пути их
решения. Первая российская конференция по заземляющим устройствам. Сборник
докладов. Новосибирск, 2002.
3. Котельников А.В., Кандаев В.А., Свешникова Н.Ю. Собственные параметры
элементов контура заземления различной формы. Первая российская конференция
по заземляющим устройствам. Сборник докладов. Новосибирск, 2002.
4. Асламазов Л. Скин-эффект. «Квант» №5, 1985.
5. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. Л.,
Энергоатомиздат, 1986.
6. Уилльямс Т., Армстронг К. ЭМС для систем и установок. М., ИД «Технологии»,
2004.
7. Raab V. Ueberspannungsschutz in Verbraucheranlagen. Verlag Technik, Berlin, 1998.