Ii. источники электромагнитных помех

Экономические аспекты электромагнитной совместимости

Электромагнитная совместимость наряду с другими параметрами рассматривается как комплексная характеристика качества создаваемого изделия. При изготовлении изделия добиваются минимизации общей стоимости K_G, обусловленной стоимостью потерь K_F в следствии работы системы с учетом влияния электромагнитной несовместимости и стоимостью дополнительных мероприятий K_E по повышению электромагнитной совместимости. Это означает, что процесс повышения надежности в отношении электромагнитной совместимости требует все больших затрат.

Практически достаточно трудно определить зависимости K_F(W_F) и K_E(W_F) для каждого конкретного объекта. Однако известные затраты на обеспечение электромагнитной совместимости при производстве различных изделий. Они составляют от 2 до 10% стоимости разработки и могут быть приняты в качестве первого приближения оптимальной стоимости КЕ,opt.

1.4. Нормы рекомендации по электромагнитной совместимости.

При производстве изделия, необходимо соблюдать целый ряд рекомендаций и норм, касающихся электромагнитной совместимости. В каждой стране существуют национальные комитеты разрабатывающие национальные нормы по электромагнитной совместимости, эти институты тесно связаны с Международными организациями:

1. Международная конференция по большим энергетическим проблемам (СИГРЭ);

2. Международная совещательная комиссия телеграфной и телефонной службы (CCITT);

3. Технический комитет ТК 77 и другие комитеты Международной электротехнической комиссии (МЭК);

4. Специальный Международный комитет по радиопомехам (СИСПР) и т.д.

Содержание работ по стандартизации электромагнитной совместимости. Целевыми объектами работ в области электромагнитной совместимости, относящаяся к энергетике и технике автоматизации процессов являются:

· Терминология, т.е. формулирование понятий и определений необходимых для осмысленных разработок и использования норм;

· Определение уровней электромагнитной совместимости и классификация окружающей обстановки по значениям помех, служащих в качестве основы при установлении требований по помехоустойчивости промышленных средств и в качестве меры допустимого излучения помех;

· Разработка допустимых значений помех и обратного действия, вызываемого приборами определенных классов;

· Определение классов помехоустойчивости промышленных средств при определенных электромагнитных воздействиях;

· Разработка способов и устройств для измерения помех и иных параметров, относящихся к электромагнитной совместимости.

· Способы испытаний и устройства для тестирования.

1.5 Перечень продукции связанной с электромагнитной совместимостью

Поставщиками продукции на европейском рынке являются примерно 270 фирм-производителей, которые производят следующие товары:

1. Фильтры и другие помехозащитные средства – 24%;

2. Экранируемые кабины и помещения – 16%;

3. Проводящие покрытия – 13%;

4. Испытательные приборы – 12%;

5. Проводящие уплотнения – 7%.

Причем на долю России приходится менее 1% всех производимых товаров.

II. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

2.1. Классификация источников помех

Все помехи делятся на две группы:

– естественные источники;

– искусственные источники.

Естественные источники: разряды атмосферного электричества, разряды статического электричества между телами получившими разряды разной полярности. Все другие естественные источники для системы автоматики не существенны.

Искусственные источники: все процессы при нормальных рабочих и аварийных режимах работы приборов, машин, электроэнергетических установок, устройств информационной техники находящихся вблизи средств автоматизации.

Внутрь прибора указанные помехи попадают совместно с полезными сигналами или с напряжением питания по проводам через параметры U и I, либо полевым путем.

В дополнение к этим помехам, вызванным внешними источниками, могут возникнуть и внутренние помехи, распространяющиеся по проводам или в виде поля внутри системы.

Внутренние источники помех в системе:

напряжение питания с частотой 50Гц;

высокочастотные и низкочастотные тактовые сигналы;

коммутационные процессы;

магнитные поля ходовых механизмов;

измерения потенциала питания устройств электроники и др.

Каждое место спайки, скрутки или резьбового соединения двух различных материалов представляет собой термоэлемент, термонапряжение которого изменяется в пределах 40 мкВ при изменении температуры на 1˚С.

2.2 Внешние источники помех:

– грозовой разряд;

– разряды статического электричества;

– технические электромагнитные процессы;

– ядерный взрыв;

1. Грозовой разряд – одновременно на земном шаре существует около 2000 гроз и 100 разрядов молний. Атмосферные возмущения, вызываемые грозовой деятельностью, создают помехи радиосвязи и обостряют проблемы ЭМС. В среднем в Европе число грозовых дней в году составляет от 15 до 35, а число ударов молнии приходящихся на один квадратный километр площади, за год равно от 1 до 5,причем первая цифра относится к северным районам, а вторая – к южным.

Образование грозовых облаков.

Грозовые разряды - молнии вызываются электрическими зарядами, которые в больших количествах накапливаются в облаках. Механизм накопления и распределения положительных и отрицательных зарядов в основном объясняется наличием в грозовых облаках восходящих потоков воздуха. В настоящее время существует много теорий, которые, исходя из наличия восходящих потоков воздуха, по-разному в деталях освещают электризацию облаков, но такой теории, которая удовлетворительно объясняла бы это явление, наблюдаемое в природе пока нет.

Одно из распространенных предположений образования электрических зарядов в облаках исходит из того, что этот физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М.В.Ломоносов при проводимых им опытах.

Наша планета всегда имеет отрицательный заряд. Напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет в среднем 100 В/м (поле «ясной погоды»). Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.

Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит малопроводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от 1 до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.

По характеру происхождения грозы разделяются на тепловые и фронтальные. В результате нагрева солнцем земной поверхности разогреваются нижние слои воздуха. Теплые массы воздуха расширяются и стремятся подняться вверх. На высоте 2 км и более они попадают в область отрицательных температур. Влага, уносимая этими, потоками воздуха, конденсируются и образует грозовые облака,, которые состоят из мельчайших водяных электрически заряженных капель. Такие облака образуются в жаркое летнее время, преимущественно во второй половине дня, и занимают сравнительно небольшие пространства.

Фронтальные грозы образуются в тех случаях, когда два потока воздуха с разной температурой движутся навстречу друг другу и соприкасаются своими фронтовыми частями. При этом поток воздуха, имеющий более низкую температуру, стремится опуститься вниз и занимает пространство в непосредственной близости от поверхности земли, а теплые массы воздуха устремляются вверх и образуют завихрения. Достигнув высоты с более низкими температурами, унесенная с поверхности земли влага конденсируется и образует грозовые облака.

Фронтальные грозы охватывают широкие площади земной поверхности и движутся со скоростью от 5-6 до 100-150 км/ч и более. Такие грозы могут возникать в любое время суток. Сконденсированная влага на высотах с более низкими температурами образует капли разных размеров. Находясь в электрическом поле «конденсатора», капли поляризуются: нижние части их имеют положительный заряд, а верхние- отрицательный. Мелкие капли восходящими потоками воздуха уносятся вверх, а крупные, более тяжелые капли падают вниз. При движении вверх поляризованные капли верхней отрицательно заряженной частью встречают на своем пути отрицательные и положительные свободные заряды; первые из них отталкиваются, как имеющие одноименный заряд, а вторые- притягиваются, и капли постепенно становятся положительно заряженными. Те капли, которые движутся вниз, наоборот, притягивают отрицательные заряды и становятся отрицательно заряженными.

Таким образом, происходит разделение зарядов в облаке: в верхний слоях его скапливаются положительные заряды, а в нижних- отрицательные. Так как облако является изолятором, то заряды на некоторое время остаются на своих местах и не нейтрализуются. Электрическое поле облака как более сильное при наложении на поле «ясной погоды» изменяет направление последнего в районе своего расположения.

Заряды в облаке распределяются неравномерно: в некоторых точках их плотность достигает большого значения, в других, наоборот, она незначительна. Там, где создалось скопление зарядов и образовалось электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению (25-30 кВ/см в зависимости от высоты облака), создаются условия для развития молнии. Разряд молнии в основных чертах подобен длинной искре, возникающей в воздухе между проводящими электродами.

Ионизация воздуха

Воздух, как и другие вещества, состоит из атомов, объединенных в молекулы. Каждый атом представляет собой положительно заряженное ядро (протоны), вокруг которого вращаются на некоторых «разрешенных» орбитах электроны, имеющие отрицательный заряд, количественно равный положительному заряду ядра. Отрыв электронов от атомов или молекул называется ионизацией. В результате ионизации появляются две частицы: ядро с оставшимися электронами, представляющее собой положительно заряженный ион, и отделившийся отрицательно заряженный электрон. Для осуществления акта ионизации требуется затрата определенного количества

энергии, которая называется энергией ионизации. Если к воздушному промежутку, образованному двумя проводящими электродами, приложить напряжение, то имеющиеся свободные в этом промежутке ионы и электроны под воздействием напряженности поля начнут двигаться в направлении поля. Масса электрона на 4-5 порядков меньше массы ядра. Поэтому свободный электрон, движущийся в электрическом поле воздушного промежутка, имеет большую скорость, чем ядро. При столкновении с молекулами воздуха электрон способен отрывать от них новые электроны, т.е. производить ионизацию. Такой процесс ионизации при столкновении электрона с атомами или молекулами называется ударной ионизацией. Но не при всяком столкновении движущийся электрон отрывает другой электрон от молекулы. Столкновение может вызвать переход электрона молекулы на более удаленную от ядра неустойчивую орбиту. При этом удаленный электрон получает дополнительную энергию от движущегося электрона. Этот процесс называется возбуждением молекулы. Возбужденная молекула «живет» в течение примерно 10^-10 с, после чего происходит обратный переход электрона на устойчивую орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту возбужденная молекула излучает ранее полученную энергию в виде фотона, который при определенных условиях способен вызвать ионизацию или возбуждение других молекул. Этот процесс носит название фотоионизации. Фотоионизацию могут вызвать фотоны, излучаемые молекулами, участвующими в газовом разряде, космические лучи, излучение радиоактивного распада и световые волны в ультрафиолетовой части спектра.

Кроме того, ионизация молекул воздуха может наступить при высоких температурах. С повышением температуры усиливается хаотическое (тепловое) движение молекул и свободных электронов. В этом случае в результате столкновения молекул с электронами может иметь место ионизация, которая получила название термоионизации.

Процесс, обратный ионизации, когда заряды частиц взаимно компенсируются, называется рекомбинацией (нейтрализация зарядов частиц). При рекомбинации излучаются фотоны.

Лавины электронов. Образование стримеров.

Если в воздушном промежутке между плоскими электродами напряженность электрического поля достигает критического значения, при котором возможна эффективная ударная ионизация, то движущийся электрон ионизирует молекулу, что приводит к образованию положительного иона и двух электронов. Эти электроны, разгоняясь в электрическом поле, ионизируют каждый по молекуле. В результате образуется три положительных иона и четыре электрона. Продолжаясь, процесс ионизации приводит к образованию лавины электронов и ионов. Образовавшиеся положительные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны - к положительному.

Так как подвижность электронов много больше подвижности ионов, то ионы при рассмотрении этого процесса можно считать неподвижными.

После того, как электроны уйдут на анод, оставшийся объемный положительный заряд вблизи анода сильно искажает электрическое поле и повышает напряженность. За счет излучения фотонов в области сильного поля у анода возникает ионизация воздуха и образуется вторичные электроны, которые дают начало новым вторичным лавинам. Возникшие вторичные лавины направляются к области лавин проникают внутрь положительного объемного заряда и образуют узкий нитевидный канал, заполненный проводящей плазмой. Такой канал получил название стримера. Так как канал стримера проводящий, то он как бы удлиняет анод. Напряженность поля на головке стримера возрастает, что способствует образованию новых электронных лавин, развивающихся по направлению к головке стримера. Электроны новой лавины, смешиваясь с положительными ионами вблизи головки стримера, снова образуют плазму, и канал стримера удлиняется. После того как стример перекроет весь промежуток, разряд переходит в искровую стадию, которая характеризуется интенсивной термической ионизацией и значительным повышением проводимости плазменного канала

Так развивается разряд в малых промежутках с однородным электрическим полем в однолавинной форме с переходом в стримерную.

По форме электрические поля делятся на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Однородным полем называется такое поле, в котором вдоль силовых линий напряженность поля постоянна. Примером такого поля может служить поле в средней части плоского конденсатора.

Если напряженность поля вдоль силовых линий изменяется ориентировочно не более чем в 2-3 раза, такое поле считается слабрнеоднородным. Примером слабонеоднородного поля является поле между двумя шарами шарового разрядника или поле между жилой и оболочкой кабеля. Резконеоднородным полем называется поле, в котором напряженность изменятеся вдоль силовых линий на несколько порядков.

В промежутках с резконеоднородным полем, где ионизационные процессы не охватывают всего промежутка, конденсируясь в узкой зоне вблизи одного или обоих электродов, разряд не переходит в искровую стадию при достижении у электродов критического значения напряженности.

Разряд в такой форме получил название коронного разряда или просто короны. Только дальнейшее повышение напряжения на промежутке приводит к возникновению стримеров и переходу в стадию искрового разряда. В промежутках длиной в десятки сантиметров искровой разряд в воздухе происходит при средних напряженностях поля порядка 10 кВ/см.

Лидерная стадия заряда.

В воздушных промежутках длиной в несколько метров или десятков метров проводимость образовавшихся стримеров для развития разряда оказывается недостаточной и по следу одного из стримеров возникает разряд в новой так называемой лидерной форме. Термически ионизированная часть канала стримера называется лидером. Плотность заряженных частиц в канале лидера значительно выше, чем у стримера. Поэтому потенциал головки возрастает и создаются условия для лучшего продвижения стримера и преобразования этого стримера в лидер.

Развитие грозового разряда.

Разряд молнии аналогичен в основных чертах разряду в длинных промежутках.

Условия для развития молнии создаются в том месте облака, где образовались скопления зарядов и электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению. В этом месте начинается процесс ударной ионизации, создаются лавины электронов, под воздействием фотоионизации и термоионизации образуются стримеры, которые преобразуются в лидеры.

Молния может иметь длину от нескольких сотен метров до нескольких километров (в среднем 5 км). Лидерная форма развития молнии позволяет ей перекрывать такие расстояния.

Глазу человека молния представляется в виде сплошной непрерывной линии- узкой яркой полосы или нескольких полос белого, светло-голубого или ярко-розового цвета. В действительности разряд молнии состоит из нескольких отдельных импульсов.

Каждый импульс имеет две стадии: начальную, которая называется лидерной, и главный разряд.

Если импульсы развернуть во времени, то видно, что разряд лидерной стадии первого импульса развивается ступенями. Средняя линия ступени составляет примерно 50 м, а пауза между отдельными ступенями- 30-90 мкс. Средняя скорость продвижения лидера составляет 10⁷-10⁸см/с. Задержки в развитии ступенчатого лидера объясняются по-разному.

Согласно одной гипотезе, задержка происходит из-за того, что для развития лидера должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера, чтобы обеспечить возникновение необходимого градиента потенциала, а на это требуется некоторое время. Это время и является паузой между отдельными ступенями. Второй и последующие импульсы имеют стреловидную форму лидерной стадии, а не ступенчатую. Так как она развивается по ионизированному каналу, то необходимость в ступенчатом лидере отпадает. При достижении земли лидером первого импульса образуется хорошо проводящий ионизированный канал. Заряд с конца лидера быстро стекает в землю. Этот момент является началом второй стадии грозового разряда, который называется главным (обратным) разрядом. Главный разряд распространяется в виде сплошной светящейся линии от земли к облаку (линейная молния). Как только главный разряд достигает облака, свечение канала ослабевает. Фаза слабого свечения называется послесвечением.

Повторных импульсов в одном разряде молнии может быть до 20 и более, продолжительность одного разряда молнии достигает 1,33 с. Примерно в 40% случаев разряд молнии имеет многократный характер, в среднем с тремя- четырьмя импульсами в одном разряде.

Происхождение повторных импульсов объясняется постепенным притоком зарядов в облаке к каналу молнии.

Избирательность грозового разряда.

При развитии грозового разряда в какое- либо наземное сооружение, например в опору линии электропередачи, навстречу лидеру, двигающемуся из облака к земле, развивается лидер от опоры. В этом случае главный разряд начинается от точки соприкосновения лидеров и распространяется как вверх, так и вниз.

Из процесса развития грозового разряда видно, что место удара молнии определяется лидерной стадией. Если под тучей окажется какое- либо наземное сооружение, то развивающийся из тучи лидер будет продвигаться к земле по наикратчайшему пути, т.е. навстречу лидеру, идущему от наземного сооружения вверх. Тем самым и будет определена точка, в которую произойдет разряд молнии.

Опыт показывает, что молния чаще всего поражает те объекты, которые хорошо заземлены и сами являются хорошими проводниками электричества. Если объекты имеют одинаковую высоту, то молния обычно ударяет в тот из них, который имеет лучшее заземление и большую проводимость. Если же объекты имеют разную высоту и грунт вокруг них имеет различное удельное сопротивление, то может быть разряд в объект с меньшей высотой, но с лучшей проводимостью грунта.

В горных местностях амплитудные значения токов молнии снижаются примерно в 2 раза по сравнению с амплитудными значениями в равнинных местностях. Это объясняется уменьшением расстояния от земли до облаков. При меньших расстояниях молнии возникают при меньших скоплениях зарядов на облаках, что ведет к снижению амплитудных значений токов молнии.

Интенсивность грозовой деятельности в различных местах нашей планеты сильно различается. Наиболее слабая грозовая деятельность в северных районах нашей страны и постепенно увеличивается к югу.

Энергия канала разряда молнии, составляет 10⁵ Дж/м и вызывает акустическое (гром), термическое, световое и электромагнитное воздействие на окружающую среду. При непосредственных ударах в объект происходят специфические разрушения и пожары. За счет внедрения средств грозозащиты число таких повреждений непрерывно снижается. Однако, косвенное воздействие молнии на электронные средства приводят к все

Рис. 2.1. Ущерб в Верхней Австрии, вызванный молниями, по годам: 1 – прямой ущерб; 2 – косвенный ущерб.

большему и большему ущербу(рис 2.1.).

Средние параметры молнии:

– средний заряд молнии 150–300 А∙с;

– максимальный ток в разряде 2–200 кА;

– крутизна тока 2–200 кА/мкс;

– средняя длительность 0,5–4 мкс.

С точки зрения интенсивности воздействия молнии различают непосредственные или близкие удары и ударные разряды. При непосредственных и близких ударах молния ударяет в молнеприемники защищенных зданий, устройств, соединенных, например кабелями низкого напряжения, линиями связи и управления.

При ударе молнии в защитное устройство его потенциал относительно удаленных точек земли может повышаться до 1МВ при допустимом сопротивлении 10 Ом. В петлях образованных сигнальными кабелями и проводами связывающими различные объекты могут индуктироваться напряжение от нескольких десятков вольт до многих сотен киловольт.

При удаленных разрядах молнии, например при разрядах на ЛЭП индуктированные перед разрядом заряды на линии электропередачи освобождаются и вдоль линии распространится волна перенапряжения. При достижении подстанции, которая питает сеть низкого напряжения перенапряжения ограничиваются либо электрической прочностью изоляторов, либо защитными разрядниками. Если у объекта отсутствует защитное устройство, происходит нарушение функционирования электронного оборудования.

Рекомендуется реализовывать двухступенчатую защиту объектов посредством внешних и внутренних мероприятий по молниезащите. Внешние мероприятия – направлены на отвод тока молнии от внутренних цепей. Внутренние мероприятия – снижают до приемлемых оставшиеся воздействия молнии.

2. Разряды статического электричества – процесс выравнивания зарядов между отдельными твердыми телами, жидкими и газообразными средами, несущими разные электростатические заряды. Они обычно сопровождаются скользящими, коронными, искровыми или подобными молнии разрядными явлениями. При возникновении искр в следствии разряда могут воспламениться горючие газы. Вызванные разрядами токи и поля могут повредить электронные элементы, эти воздействия относятся к области ЭМС. Меры защиты от первого воздействия является заземление объектов (бензовоз), а от второго воздействия – фильтры и экранирование.

Заряды статического электричества возникают за счет индукции и за счет трения.

Рис. 2.2. Электризация за счет индукции:

1–тело В электрически нейтрально; 2–поляризация тела В в электрическом поле; 3–отвод отрицательных зарядов при искровом разряде или касании тела С; 4–тело В заряжено положительно.

Рис. 2.3. Электризация трением:

1–две субстанции А и В в нейтральном состоянии; 2–фаза касания или трения; 3–А заряжена положительно, В – отрицательно.

Токи в процессе зарядки составляют от сотен пикоампер до нескольких микроампер, а электростатические заряды - от 3 нКл до 5 мкКл. Электростатическая разность потенциалов между телами определяется после окончания процесса зарядки отношением приобретенного заряда Q к емкости САВ тел между собой: UAB = Q/ САВ.

Приведем ряд некоторых материалов и предметов по степени способности передачи электронов в порядке следования: воздух, рука человека, асбест, кроличья шкурка, стекло, слюда, волосы человека, нейлон, шерсть, мех, свинец, шелк, алюминий, бумага, хлопок, сталь, дерево, янтарь, сургуч, эбонит, никель медь, латунь, серебро, золото, платина, сера, ацетатный шелк, полиэфир, целлулоид, полиуретан, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (винил).

Паразитная электризация трением проявляется в промышленности вследствие контакта тела человека с его одеждой, с сидением, с полом, с рабочими средствами и предметами, а также при соприкосновении деталей, панелей, приборов с устройствами для обработки, тарой при их хранении и транспортировке. Процессы трения могут быть обусловлены как естественными движениями тел, нормальными рабочими операциями, такими технологическими процессами и операциями, как вентиляция, продувка, опрыскивание, распыление, упаковка и распаковка, загрузка, а также сотрясениями, вибрациями при транспортировке.

Тело человека обладает емкостью относительно земли с=100/300мкр. Человек идущий по полу с синтетическим покрытием, приобретает потенциал равный 0,2÷0,9 кВ. При извлечении пластиковой микросхемы из пластикового пакета появляется разность потенциала до 20 кВ.

3. Технические электромагнитные процессы – во всех устройствах служащих для производства, передачи и потребления электроэнергии происходят процессы являющиеся источниками электромагнитных помех.

Все помехи делятся на два класса:

1. Помехи производимые всеми устройствами электроснабжения, выпрямительными приборами и устройствами, кабелями и воздушными линиями, люминесцентными лампами и многими другими установками, характеризующимися стабильностью во времени и частотным диапазоном от нескольких Гц до 100ГГц. Эти установки являются источниками электромагнитных помех, которые оцениваются следующими числами:

- Электростанция, на расстоянии 0,3÷1,5 м от сборных шин с I=2 кА, производит напряженность магнитного поля 36÷6 А/м; на расстоянии 0,3÷1 м от трансформатора, S=0,6 МВА, среднего напряжения равного 35, 10 кВ и Н=14÷4 А/м;

- ЛЭП – 400кВ, место измерения – под проводами в середине пролета при токе 1 кА, Н=10 А/м; (для воздуха 1А/м=1.25 мкТл)

- Радиопереговорные устройства S=1÷10 кВ, на расстоянии 0,5 м, производит напряженность электрического поля 1÷10 В/м на частотах 0,3÷3 МГц.

2. Охватывает процессы, создающие апериодические, случайно возникающие во времени помехи. Причинами появления таких помех являются разного рода коммутации и возникновение коротких замыканий. При этом появляются помехи с широким частотным спектром. Ширина спектра помех обратно пропорциональна времени коммутации, и особо интенсивные помехи возникают при перенапряжении до 10 кВ, крутизна перенапряжения достигает до 100 В/нс, время нарастания импульса перенапряжения 1 нс÷1мс.

4. Ядерные взрывы – основным источником помех является электромагнитный импульс (ЭМИ). 1.11. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬС ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА

Термин электромагнитный импульс ядерного взрыва включает в себя множество категорий электромагнитных импульсов (ЭМИ), в том числе, вызванных взрывами на поверхности Земли или в космическом пространстве. Высотные (выше 30 км) ядерные взрывы особенно опасны для объектов электроэнергетики. Они вызывают появление трех типов электромагнитных импульсов, которые могут проявить себя на поверхности Земли.

• первый ЭМИ высотного ядерного взрыва;

• второй ЭМИ высотного ядерного взрыва;

• третий магнитогидродинамический ЭМИ высотного ядерного
взрыва.

Возникновение первого ЭМИ связано с отражением электронов Комптона, создаваемых Х-излучением, Y-излучением и нейтронами при их взаимодействии с молекулами воздуха при ядерных взрывах на больших высотах (см. рис. 1.46).

Эти электроны когерентно отражаются магнитным полем Земли, так что поперечный поток электронов создает поперечное электрическое поле, распространяющееся по направлению к по­верхности Земли.

Первый импульс характеризуется значительными пиковыми напряженностями электрического поля (десятки кВ/м), малой

Линия горизонта по отношению к точке взрыва (касательная к поверхности)

Нулевая точка на поверхности Земли

Рис. 1.46. Первый ЭМИ от высотного ядерного взрыва

Гамма-излучение

длительностью фронта (порядка не), небольшой общей длительностью импульса (до ста не).

Непосредственно за быстрым первоначальным переходным процессом излучаемое нейтронами рассеянное и жесткое гамма-излучение создает дополнительную ионизацию, приводящую к появлению второго ЭМИ.

Напряженность электрического поля этого импульса составляет от 10 до 100 В/м и может длиться от 1 до десятков мс.

Последний импульс, обычно называемый магнитогидродинамическим (МГД-ЭМИ), генерируется самим ядерным взрывом и характеризуется электрическим полем низкой амплитуды (порядка десятков мВ/м), длительным фронтом (порядка секунд) и дли­тельным импульсом (сотни секунд).

Воздействие описанных выше ЭМИ может представлять угрозу работе электроустановок при выполнении двух условий:

• ЛЭП имеют достаточную длину для образования больших разностей потенциалов на их концах;

• на обоих концах ЛЭП сопротивление заземлителя постоянному току небольшое, что создает возможность протекания по линии постоянных токов (при этом токи в несколько сотен ампермогут вызвать эффект насыщения сердечника трансформатора).

Благодаря своим свойствам МГД-ЭМИ могут взаимодействовать с ЛЭП очень большой длины и наводить в них токи, вызывающие появление гармонических составляющих тока и дисбаланса фаз, которые, в свою очередь, могут серьезно повредить некоторые компоненты энергосистемы (например, силовые трансформаторы). Поля, создаваемые МГД-ЭМИ, вызывают появление наведенных токов, подобных токам в телефонных сетях (земляные токи), причиной появления которых являются магнитные бури, довольно часто случающиеся в северных странах.

ЭМИ характеризуется длительностью до 200 нс (при молнии до 350 мс), фронт нарастания импульса до 5 нс, при молнии до 10 мс. Напряженность электромагнитного поля от взрыва на высоте 100 км достигает 50 В/м.

III. МЕХАНИЗМЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОМЕХ

3.1 Возможные виды связи

Существенным при рассмотрении технико-экономических проблем электромагнитной совместимости является значение механизмов связи К между источником помех Q и чувствительным к помехам элементом прибора S, обусловленных этими механизмами воздействий и соответствующих основных правил, по которым можно эффективно противостоять этим воздействиям уже на стадии проектирования, создания устройств. Рисунок 3.1 дает представление о принципиально возможных видах связи между двумя контурами с током, (1 и 2) или о путях проникновения помехи z от источника Q к элементу S по проводам или через поле. В первом случае говорят о гальванической связи, а во втором, в зависимости от условий, о внутренней или внешней емкостной связи (если преобладает электрическое поле), зависящей от частоты и расстояния между источником и чувствительным элементом, или же об индуктивной связи (если преобладает, магнитное поле). Используется также понятие электромагнитной связи. В этом случае между напряженностями электрического и магнитного полей существует строгое соотношение; E/H = 377Ом.

а. Гальваническая связь

– сумма падения напряжения на этих элементах.

б. Емкостная связь (электрическое поле)

С₁₂ – паразитная емкость, ее можно минимизировать, но совсем избавиться от нее нельзя.

– напряжение помехи.

а) б) в) г)

Рис. 3.1. а) гальваническая связь (полное сопротивление связи); б) емкостная связь (поле Е); в) индуктивная связь (поле Н); г) электромагнитная связь (полн Е, Н).

в. Индуктивная связь (магнитное поле)

М₁₂ – коэффициент взаимоиндукции;

.

г. Электромагнитная связь

.

Электромагнитная связь доминирует в дальнем поле, которое характеризуется величиной x>λ/2π.

Где x – расстояние между контурами;

λ – длина волны излучаемой помехи, f – частота.

Второй, третий и четвертый виды связи, являются связями через поле, т. е. x<λ/π,

3.2.1. Гальваническое влияние через цепи питания и сигнальные контуры.

Реальное значение помех u_st распределяется в диапазоне от мВ до В, например для рис. Напряжение между точками 1и 2 при длине провода l= 10 см погонные индуктивности провода 0,5 мкГн/м, сопротивление R = 1 Ом, токи di = 1 А и Δt = 100 нс, получаем:

Таким образом есть два пути уменьшения помехи:

- Активное сопротивление проводника R = l/γA, где l – длина проводника, γ – электрическая удельная проводимость материала, А – поперечное сечение проводника.

Для уменьшения помехи проводник должен быть предельно коротким, а его поперечное сечение должно быть большим. При больших скоростях изменения тока начинает проявляться поверхностный (скин–) эффект и его необходимо учитывать.