11.3.7. Экранирующий эффект с учетом продольных токов

Выше рассматривалось действие экранов относительно поперечных электромагнитных полей и создаваемых ими вихревых токов в толще экрана. Учитывался суммарный эффект от поглощения энергии в толще экрана и отражения на границах «металл—диэлектрик» (А_Э=А_П+А₀). В реальных условиях использования кабелей связи необходимо учитывать также действие продольных токов, обусловленных наличием третьей цепи (рис 11.39): экран (оболочка) — земля (А_пр).

Рис. 11.39. Составляющие экранирования с учетом продольных токов А_ПР

Отличие процесса экранирования при непосредственном влиянии от влияния через третьи цепи заключается в следующем: в первом случае в экране происходят микропроцессы — наведение вихревых токов, поэтому несущественны условия нагрузки и заземления экрана; во втором случае в экране происходят макропроцессы — наведение продольных токов в цепях экран (оболочка) — земля, поэтому здесь весьма существенны параметры цепей, их нагрузки и условия заземления.

Следует различать эффективность экранов, предусмотренных для защиты от внешних источников помех и от взаимных влияний между цепями, расположенными в общем кабеле. При защите от внешних помех существенное значение играют третьи цепи (оболочка — земля). Здесь велика роль составляющей продольных токов и надо учитывать действие как вихревых (А_Э), так и продольных (А_ПР) токов. Для цепей, расположенных в общем кабеле, превалирует эффект вихревых токов, и в первом приближении он и определяет защитное действие экрана.

В общем случае к третьим цепям относятся не только экраны и оболочки, но и тросы, рельсы, соседние проводники и другие протяженные металлические устройства. Схематично принцип действия третьих цепей состоит в следующем. Ток помех I₁, протекающий в первой цепи, индуцирует во второй цепи ток I₁₂ и в третьей цепи ток I₁₃. Последний в свою очередь индуцирует во второй цепи ток обратного направления I₃₂. В результате во второй цепи будет действовать разностный ток I₁₂ - I₃₂, который меньше, чем ток без третьей цепи (I₁₂).

Следует иметь в виду, что в общем случае третьи цепи могут как уменьшать, так и увеличивать мешающее влияние. Это зависит от соотношения фазовых параметров, с которыми складываются токи в цепи, подверженной влиянию (I₁₂ и I₃₂). Как правило, положительный эффект экранирования третьих цепей для защиты от внешних помех достигается при их хорошем заземлении, малом электрическом сопротивлении и наличии Хорошей взаимной индуктивности между цепями. Установлено, что кабельные оболочки всегда улучшают экранирующий эффект, и тем больше, чем меньше величина сопротивления связи Z₁₂ и чем лучше выполнено заземление оболочки по длине. Таким образом, результирующее экранное затухание А_Э.рез определяется экранированием от вихревых (А_э) и продольных (А_пр) токов, протекающих в оболочке кабеля. Формулы расчета А_э приведены выше. Величина А_пр, дБ, может быть рассчитана по формуле

. (11.30)

где L_вш — внешняя индуктивность цепи оболочка - земля равная примерно 2*10^-6 Гн/м; — сопротивление оболочки, Ом/м, где; r — радиус оболочки; ; Δ — толщина оболочки.

Для низких частот сопротивление оболочки равно сопротивлению постоянного тока . Эта формула справедлива для немагнитных экранов примерно до 10 кГц, а для магнитных — до 1 кГц.

Рис. 11.40. Экранирующее действие поперечных А_Э и продольных А_ПР токов.

На рис. 11.40 приведены расчетные значения экранного затухания продольных токов А_пр. Здесь же для сравнения даны значения А_э для медного экрана. Из рисунка видно, что с увеличением частоты величины А_рез и А_э возрастают, а А_ПР медленно уменьшается и по абсолютной величине составляет 16...20дБ.

Расчеты показывают, что примерно до частот 15... 20 кГц превалирует затухание за счет продольных токов А_пр, выше этого диапазона — вихревых токов А_э.

Учитывая, что защита от внешних помех определяется результирующим экранирующим эффектом A_рез=A_Э+A_ПР, а при защите от взаимных помех достаточно в первом приближении учитывать лишь А_э, можно признать, что экранирующая оболочка в режиме защиты от внешних помех эффективнее, чем в режиме защиты от взаимных помех.

11.3.8. Экранирующие характеристики многослойных экранов

Электромагнитные экраны комбинированной многослойной конструкции применяются в том случае, когда необходимо высокое экранирующее действие. Они состоят преимущественно из последовательно чередующихся немагнитных (медь, алюминий) и магнитных (сталь, пермаллой) слоев. Особенностью таких экранов являются высокая экранирующая эффективность и сравнительно малые потери энергии в экране. Эти преимущества объясняются следующим.

При рассмотрении электромагнитного действия однородных экранов было установлено, что экранирующий эффект определяется совместным действием экранирования поглощения А_п и экранирования отражения А_о на границах диэлектрик—металл—диэлектрик. Эффект отражения обусловлен несоответствием волновых характеристик сопрягаемых сред (Z_Д и Z_M), и чем больше это несоответствие, тем больше экранирующее действие. В данном случае энергия помех, встречая на своем пути такое электрическое несоответствие (Z_Д ≠ Z_M), частично отражается и лишь частично проходит в экранированное пространство. Это явление послужило исходным моментом для конструирования и применения многослойных комбинированных экранов. В многослойном экране, составленном из металлов с различными волновыми сопротивлениями Z_M, действует целая система таких многократных отражений от границ электрических несоответствий (Z_M1 ≠ Z_M2 ≠ Z_M3 ≠ Z_M4 и т. д.). Поэтому экран, состоящий из нескольких тонких слоев различных металлов, будет обладать большей эффективностью экранирования по сравнению с однородным экраном эквивалентной толщины.

Рис. 11.41. Эффект отражения в экранах: а — однослойном; б — трехслойном.

Как видно из рис. 11.41, в однослойном экране имеются две границы отражения (воздух—металл и металл—воздух), а в трехслойном таких границ четыре, добавляются еще две границы между различными металлическими слоями. Существенными являются порядок расположения слоев, их электрическое сочетание, соотношение толщин слоев, а также место по отношению к влияющей цепи. Так, сочетание сталь—медь—алюминий дает заметно меньший эффект, чем медь—сталь—алюминий. Если внешние слои многослойного экрана выполнены из немагнитных материалов, то потери в нем сравнительно невелики.

Для двухслойного экрана с коэффициентами экранирования слоев S₁, S₂ и коэффициентами реакции P₁, P₂ экранирующий эффект определится формулой

S₁₂=S₁S₂/(l - P₁P₂). (11.31)

Аналогично характеристики трехслойных экранов определятся формулой

S₁₂₃=S₁S₂S₃/ [(1 - P₁P₂) (1 - Р₂Р₃) - Р₁Р₂S₂²]. (11.32)

Частотные зависимости экранного затухания трехслойных экранов для различных сочетаний металлов (меди, стали, алюминия, свинца) приведены на рис. 11.45. Толщина слоев 0,1 мм. Из графиков видно, что наибольший эффект дает экран, составленный из немагнитных и магнитных материалов. Лучшие результаты имеют сочетания медь—сталь—медь, затем алюминий—сталь—алюминий и на последнем месте свинец—сталь—свинец.

Рис. 11.42. Частотная зависимость экранного затухания трехслойных экранов: 1 — медь-сталь-медь (μ = 200); 2 — медь-сталь-медь (μ = 100); 3 — алюминий-сталь-алюминий; 4 — медь-свинец-медь; 5 — медь-алюминий-медь; 6 — свинец-сталь-свинец.