Токовые контуры с большой емкостью относительно земли
В длинных заземленных с одной стороны сигнальных линиях при появлении изменяющегося во времени напряжения протекает ток помехи ist, обусловленный емкостями С1 и С2,и вследствие несимметрии относительно земли часть синфазного напряжения
и преобразуется в противофазное напряжение
суммирующееся с напряжением сигнала, поступающего от источника (рис. 3.19, а)
Рис. 3.19. Односторонне заземленная линия с большими емкостями на землю С1 и С2 (а) и ее схема замещения при RS >> rq (б)
Принимая напряжение изменяющимся по синусоидальному закону, например с частотой сети, можно записать выражение для напряжения помехи (рис. 3.19, б):
(3.15)
Например, при ΔU = 100 В, f= 50 Гц, С1 = 2000 пФ и RQ = 150 Ом напряжение помехи составляет 9,4 мВ. Этого достаточно, чтобы практически исключить передачу слабых сигналов, например, от термоэлементов, что, впрочем, не так часто встречается. Из (3.15) следует, что при f = 0 Ust = 0, а при бесконечно высокой частоте Ust - ΔU. Это означает, что при высоких частотах напряжение помехи соответствует синфазному напряжению ΔU.
Средства борьбы с помехами сводятся к:
-устранению соединения с землей приемной ступени, точнее, к устранению гальванической связи между системой опорного потенциала и корпусом прибора, что не всегда рекомендуется и при высоких частотах часто не эффективно;
-выполнению сигнального контура предельно низкоомным (малые значения rq, RS);
-экранированию сигнальной линии (рис. 3.20, а, б). При этом напряжение помехи снижается до значения
При наличии последовательного резонансного контура становится возможным повышение напряжения помехи (рис. 3.20, б).
При заземлении экрана (рис. 3.20, в) может наблюдаться увеличение емкости провода относительно земли (CSL > С1), что приводит [(3.15), рис. 3.20, г]к большему напряжению помехи, чем при отсутствии экрана.
Хорошие результаты снижения напряжения помехи могут дать:
-симметричное относительно земли выполнение линий передачи сигналов (рис. 4.20, д, е); при полной симметрии = 0;
-введение на приемном конце элементов, разделяющих потенциалы [реле, оптической развязки, разделительного трансформатора (рис. 3.20, ж, з)]. Проникновение помехи в этом случае возможно через паразитную емкость разделяющих элементов Cst (Cst<< С1 ; Cst<<С2);
применение для передачи сигналов световодов (рис. 3.20, и). Этот способ практически устраняет влияние емкости Cst.
Емкостное влияние молнии
Если молния ударяет непосредственно в землю или находящиеся вблизи проводящие предметы (молниеприемники, осветительные мачты, металлические фасады и т.п.), то канал молнии В (рис. 3.21) кратковременно приобретает
Рис. 3.20. Способы защиты контуров с большими емкостями относительно земли
![]() | Рис. 4.21. Емкостное влияние молнии на линию: В — канал разряда молнии; Gl, G2 -приборы; Cft, Cft—емкости связи относительно земли |
высокий потенциал (Umax > 100 кВ) вследствие падения напряжения на сопротивлении заземления. В результате потенциал сигнальной линии при наличии емкостей Ск и СЕ повысится до значения
Если нет устройств, защищающих от перенапряжений, то входная изоляция приборов G1 и G2 будет повреждена, а влучшем случае (слабая интенсивность молнии, большое расстояние до места удара, дающее малое значение Ск)возникает интенсивная помеха. Эффективная защита может быть обеспечена экранированием сигнальной линии.
Индуктивное влияние
Индуктивное влияние обусловлено паразитным потокосцеплением между контурами промышленных устройств и образованными при ударах молнии или разрядах статического электричества.
В качестве первого простого примера на рис. 3.22, а показаны два индуктивно связанных контура. Если в контуре 1 имеет место быстрое изменение тока , например при коммутациях, то в контуре 2 индуктируется напряжение помехи
, (3.18)
где Ф - магнитный поток, пронизывающий контур 2; L12 - взаимная индуктивность контуров 1 и 2.
Рис. 3.22. Индуктивное влияние между промышленными токовыми контурами: а - принципиальная схема двух токовых контуров 1 и 2 с расстоянием d ними; б -погонная взаимная индуктивность в зависимости от a/d; в-е меры по снижению влияния (пояснения см. в тексте)
Взаимная индуктивность зависит от конфигурации и размеров контуров, и для показанных на рис. 3.22, а. контуров она рассчитывается как:
. (3.19.)
Погонная взаимная индуктивность в зависимости от отношения a/d может быть определена из графика на рис. 3.22, б.
Используя (3.18) и (3.19) при l = 1 м, a/d = 0,1 и Δi/Δt= 1000 А/с, получаемнапряжение помехи ust = 2,3 В.
Второй пример - разряд статического электричества на проводящий корпус прибора С (рис. 3.23). В контуре, находящемся внутри прибора и удаленном от проводника с током разряда iESD на среднее расстояние r0, индуктируется напряжение
(3.20.)
Где l и а - длина и ширина контура соответственно.
![]() | Рис. 3.23. Индуктивное влияние разряда статического электричества ESD на петлю l, а внутри прибора G При выводе (3.20) использованы элементарные соотношения: ![]() ![]() ![]() |
Например, при а = l = 1 см, r0 = 5 см и скорости изменения тока во времени 10 А/нс, возможной при разряде статического электричества, напряжение помехи равно 4 В.
Следующие примеры индуктивного влияния показаны на рис. 3.24 и 3.25. Магнитное поле канала молнии индуктирует в контурах напряжения, которые можно определить из (3.20).
На рис. 3.24 выделены два таких контура. Первый образован проводами сигнального контура и имеет площадь a1l.Второй, площадью а21, создан заземленным проводом сигнального контура и землей. При r0 = 25 м, l= 20 м, а1 = 0,4 см, а2 = 60 см и Δi/Δt = 200 кА/мкс из (3.20) вычисляется напряжение ust1 = 128 В в первой петле, ust2 = 19,2 кВ - во второй. Эти напряжения могут привести, к пробоям и связанным с ними повреждениям приборов g1 и g2, если не предусмотрены специальные защитные меры
![]() |
Рис. 3.24. Индуктивное влияние тока молнии на электрические контуры в устройстве автоматизации:
В - канал молнии; G1,G2 - приборы устройства
Рисунок 3.25 дает представление о петле в здании G, образованной сетью питания и линией передачи данных. При r0 = 11 м, а = 15 м, l = 10 м и Δi/Δt = 200 кА/мкс индуктированное в петле напряжение согласно (3.20) достигает 540 кВ. При отсутствии средств защиты, включенные в обе сети компьютеры, несомненно, будут выведены из строя.
Рис. 3.25. Индуктивное влияние тока молнии на электрический контур внутри здания G образованный проводами питания и сигнальными линиями при ударе молнии в молниеприемник В здания. | ![]() |
Мероприятия по снижению индуктированных напряжений предусматривают на основе соотношений (3.18)-(3.20):
- снижение до возможных пределов взаимной индуктивности L12, т.е. уменьшение l за счет сокращения длины проводников, увеличение расстояния между сетевыми и информационными проводами, уменьшение площади контура, подвергающегося воздействию;
- уменьшение скорости изменения во времени потока ΔФ/Δt при помощи короткозамкнутой петли К, расположенной непосредственно у сигнального контура (рис. 3.22, в), или соединениепечатной панели экрана S мостиком В взамкнутое кольцо (см.рис. 3.17, б);
- осуществление связи контуров 1 и 2 ортогонально направлению силовым линиям магнитного поля (рис. 3.22, г). Этот способ эффективен в устройствах, выполненных в виде катушек;
- компенсация индуктированного в контуре 2 напряжения путем скрутки проводов (рис. 3.22, д). При этом частичные потоки Фi создают напряжения, направленные противоположно.
- снижение действия созданного магнитного потока путем скручивания соединительных проводов контура 1. При этом создаются встречно направленные компоненты потока, а их воздействие на вторичный контур компенсируется;
- экранирование кабелей, соединительных проводов (рис. 3.22, е), модулей и приборов ферромагнитными экранами (трубами, металлическими шлангами, стальными корпусами), причем экранирующее воздействие тем сильнее, чем выше магнитная проницаемость материала и толще стенка экрана. Проводящие соединения между экраном и землей необязательны, однако они необходимы для защиты от напряжения прикосновения. Для ослабления воздействий, вызванных молнией, применяется ферромагнитное экранирование кабелей передачи данных, проложенных по воздуху, экраны заземляются на обоих концах.