Токовые контуры с большой емкостью относительно земли

В длинных заземленных с одной стороны сигнальных линиях при появлении изменяющегося во времени напряжения протекает ток помехи i_st, 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 R_S >> r_q (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 R_Q = 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 U_st = 0, а при бесконечно высокой частоте U_st - 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 r_q, R_S);

-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 (C_SL > 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 C_st (C_st<< С₁ ; C_st<<С₂);

применение для передачи сигналов световодов (рис. 3.20, и). Этот способ практически устраняет влияние емкости C_st.

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 (U_max > 100 кВ) вследствие падения напряжения на сопро­тивлении заземления. В результате потенциал сигнальной линии при наличии емкостей С_к и С_Е 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 С_к)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 u_st = 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 i_ESD 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: , , и

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 u_st1 = 128 В в первой петле, u_st2 = 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 Ф_i 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.