11.2.7. Устройство заземлений

Заземление — это устройство, состоящее из заземлителей и проводников, соединяющих заземлители с электрическими установками. Заземлителем называют проводник или группы про водников, выполненных из проводящего материала и находящихся в непосредственном соприкосновении с грунтом. (Заземлители могут быть любой формы — в виде трубы, стержня, полосы, листа, проволоки и т. д.)

В зависимости от выполняемых заземлениями функций различают рабочее, защитное и линейно-защитное заземления.

В технике связи рабочим заземлением называют устройство, предназначенное для соединения аппаратуры с землей, служащей одним из проводников электрической цепи. К защитным относятся заземления, предназначенные для соединения с землей приборов защиты (молниеотводов, разрядников), а также металлических частей силового оборудования. Линейно-защитными заземлениями называют устройства для заземления металлических оболочек и экранов кабелей.

Рис. 11.28. Конструкции заземлителей: а — вертикальный; б — горизонтальный; в — кольцевой; г — пластинчатый; д — глубинный.

Рис. 11.29. Устройство трубчатых заземлений: а — одиночного; б — многоэлектродного: 1 — проволока стальная диаметром 4... 5мм; 2 — проволока перевязочная диаметром 2мм.

Отношение потенциала заземлителя к стекающему с него току называется сопротивлением заземления: R3=U3/I3. Величина сопротивления заземления зависит от удельного сопротивления грунта и площади соприкосновения заземлителей с землей. Нормы сопротивления заземлений для различных установок проводной связи приведены в ГОСТ 464—68.

По своей конструкции заземлители разделяются на вертикальные, стержневые, горизонтальные, протяженные, кольцевые, пластинчатые и глубинные (рис.11.28). Чаще всего применяются вертикальные заземлители трубчатого типа (рис. 11.28, а). Исходя из требуемых величин сопротивления заземлителей, необходимости получения достаточной механической прочности и удобства обычно используют трубы диаметром 2,5 ... 5см и длиной 1,5... 3м. Если сопротивление одного заземлителя, на пример при одной трубе, велико, то заземлитель устраивают из нескольких труб, соединенных между собой. Такой заземлитель называют многоэлектродным (рис. 11.28, б).

Общее сопротивление многоэлектродного заземлителя уменьшается не совсем пропорционально числу единичных заземлителей, соединенных параллельно, поэтому при расчете вводится поправочный коэффициент . В этом случае , гдеN — число труб; — поправочный коэффициент использования заземлителей, зависящий от расстояния между заземлителями и их взаимного расположения (n = 0.19... 0,92).

11.3. Экранирование кабелей связи

11.3.1. Применение экранов

Наиболее радикальным средством защиты коаксиальных и симметричных кабельных цепей от помех является их экранирование. По конструкции и принципу действия различают экраны, защищающие от внешних и от внутренних (взаимных) помех. Для защиты от внешних помех кабель поверх сердечника покрывается металлическими оболочками. Они, как правило, имеют сплошную цилиндрическую конструкцию и выполняются из свинца, алюминия или стали (рис.11.30). Известны также конструкции двухслойных экранирующих оболочек типа алюминий — свинец, алюминий — сталь и др. Применяются также экраны ленточного типа преимущественно из алюминиевых, медных, стальных лент, накладываемых спирально или продольно вдоль кабеля, и оплеточные экраны преимущественно из плоских и круглых проволок.

Рис. 11.30. Металлические оболочки — экраны кабелей связи: а — сплошные (I — гладкий; II — гофрированный); б — ленточные (I — спиральный; II — продольный); в — оплеточные (I — из плоских проволок; II — из круглых проволок).

Рис.11.31. Экранированный кабель однокабельной связи

Экраны, защищающие от взаимных помех, являются составным элементом самого кабельного сердечника. В этом случае цепи с высоким уровнем передачи размещаются внутри экрана и обеспечивается возможность организации высокочастотной связи по однокабельной системе (прокладывается один кабель). При однокабельной связи экраны электрически делят цепи прямого и обратного направлений и исключают взаимные помехи.

В коаксиальных кабелях для обеспечения требуемых норм помехозащищенности при однокабельной связи внешний проводник выполняется биметаллическим (медь — сталь).

На рис. 11.31 показан симметричный кабель однокабельной связи с разделенным экраном для системы К-60. Экран имеет трехслойную ленточную конструкцию (медь — сталь — медь) с толщиной слоев по 0,1мм.

В радиочастотных кабелях антенно-фидерного назначения применяются экраны гибкой конструкции типа оплетки из медных или стальных проволок.

11.3.2.Принципы экранирования в широком диапазоне частот

В реальных условиях экранирования приходится считаться с воздействием как магнитных, так и электрических полей, причем в отдельных условиях может преобладать та или иная компонента поля. Обычно поле имеет выраженный характер электрического или магнитного вблизи своего источника — на расстоянии порядка длины волны. Для частоты 10⁹ Гц длина волны составляет 0,3м, а для частоты 10⁶ Гц — 300м. Поэтому во многих случаях экранирования приходится иметь дело с преимущественным влиянием электрического или магнитного поля.

На расстоянии примерно более пяти -шести длин волн от источника поле принимает плоскую конфигурацию и распространяется в виде плоской волны. Особенностью плоской волны является то, что энергия в ней разделена на равные части между электрической и магнитной компонентами.

Сильные магнитные поля, как правило, присущи цепям с низким волновым сопротивлением, большим током и малым перепадом напряжений. Интенсивные электрические поля создаются в цепях с большим сопротивлением, высоким напряжением и малым током.

Для плоской волны в свободном пространстве волновое сопротивление равно . Для поля с преобладающей электрической компонентой волновое сопротивление существенно больше (), а для магнитного поля существенно меньше () значения волнового сопротивле­ния для плоской волны.

Рис. 11.32. Экранирование полей: а — электрического; б — магнитного.

Для изучения процессов электромагнитного экранирования в широком диапазоне частот необходимо исходить из полных уравнений электродинамики с учетом токов смещения и учитывать два типа волн высшего порядка (рис. 11.32) — волну Е (поперечно-магнитную ТМ) и волну Н (поперечно-электрическую ТЕ). Волна ТМ характеризует экранирование магнитного поля, а волна TE — экранирование электрического поля. Коэффициент экранирования определяется по следующим формулам: для магнитного поля

(11.22)

для электрического поля

. (11.23)

В технике связи и радиоэлектронике принято оценивать экраны не через коэффициент экранирования S, а через экранное затухание A_э, характеризующее величину затухания, вносимого экраном: ,дБ, или, Нп. Тогда для магнитного поля затухание экранирования, дБ, определится формулой (приn=1)

. (11.24)

Для электрического поля (при п=1 )

, (11.25)

где — коэффициент распространения в металле (коэффициент вихревых токов);— коэффициент распространения в диэлектрике; — толщина экрана; r_э — радиус экрана; J₁ и Н₁ — цилиндрические функции первого (Бесселя) и третьего (Хенкеля) родов; J₁’ и Н₁’ —производные этих функций; — волновое сопротивление диэлектрика плоской волны;— волновое сопротивление металла.

Сравнивая выражения для и, видим, что они имеют принципиально одинаковую структуру. Это дает основание принять единую формулу расчета экранного затухания электрического и магнитного полей в следующем виде:

. (11.26)

Разница будет лишь в значениях волновых сопротивлений диэлектрика Z_Д: для магнитного поля , для электрического поля. Остальные значения одинаковы для электрических и магнитных полей.

Формула расчета А_э справедлива в широком диапазоне частот от нуля до СВЧ и при любом режиме использования экранов (электромагнитостатическом, электромагнитном, волновом). Анализируя полученный результат, можно отметить, что формула расчета экранного затухания состоит из двух частей , где — затухание поглощения, — затухание отражения.

Затухание поглощения обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи в металле экрана. Чем выше частота и толще экран, тем больше А_п. Затухание отражения связано с несоответствием волновых характеристик металла, из которого изготовлен экран (Z_M), и диэлектрика, окружающего экран (Z_Д). Чем больше различие между Z_M и Z_Д, тем сильнее эффект затухания отражения. Величина затухания поглощения А_П практически не зависит от вида поля и имеет однозначное значение для всего диапазона частот — от 0 до СВЧ. Затухание отражения А₀ и в первую очередь — волновое сопротивление диэлектрика Z_Д различны для разных режимов и частотных диапазонов использования экранов.

Из приведенных формул видно, что частотная зависимость волновых сопротивлений диэлектриков для магнитного и электрического полей имеет принципиально различный характер. Величина растет, а , имея бесконечность при f=0, затем падает. По абсолютной величине . В волновой зоне свыше 10⁹ Гц значения и имеют колебательный характер. Волновое сопротивление металла растет по закону корня из частоты, а волновое сопротивление плоской волны постоянно и равно.

В диапазоне частот до 10⁸...10⁹ Гц формулы расчета могут быть упрощены. При малом аргументе (х<0,25) функции J₁ и H₁ преобразуются: J₁(x)=x/2 и Н₁(x)=2/(πх). Тогда получим

; (11.27)

. (11.28)

Частотные зависимости затуханий отражения магнитного () и электрического () полей принципиально аналогичны зависимостям и соответственно.

Рис. 11.33. Частотная зависимость экранного затухания полей: а — магнитного; б — электрического.

На рис. 11.33 приведены результаты расчета экранного затухания магнитного ()и электрического () полей. На графиках видны три характерные частотные области, соответствующие различным режимам работы экранов:

низкочастотная, соответствующая электромагнитостатическому режиму работы;

высокочастотная, соответствующая электромагнитному режиму;

сверхвысокочастотная область, соответствующая волновому режиму.

Рассмотрим более подробно принцип действия экранов и их основные характеристики при использовании в различных режимах.