Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

 «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 

Энергетический  институт

Специальность - 140203 Релейная защита и 

автоматизация электроэнергетических систем

Кафедра - ЭСC 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

Экраны  как средство помехоподавления 

по дисциплине «Электромагнитная совместимость» 
 
 
 
 

 Выполнил:

 студент группы 9А77    ____________________________       Дмитриев Д.О.

                                                          (подпись/дата)                         
 

Проверил 

преподаватель.                 ____________________________      Старцева Е.В.  

                                                          (подпись/дата) 
 
 
 

Томск 2010

Оглавление

1. Введение 3

2. Принцип действия экранов 4

3. Материалы для изготовления экранов 7

4. Экранирование приборов и помещений 9

5. Экраны кабелей 12

6. Краткие сведения об оценке ЭМО 15

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 17 
 

1. Введение

     Современная аппаратура РЗА, АСУ ТП, АСКУЭ и связи, основанная на микроэлектронных и микропроцессорных элементах, имеет широкие функциональные возможности, обеспечивает простоту и гибкость настройки,  и обладает рядом других преимуществ. При этом устойчивость к электромагнитным помехам такой аппаратуры, как правило, ниже, чем, например, у традиционных электромеханических устройств РЗА. Электрические процессы в высоковольтном оборудовании на электрических станциях (ЭС) и подстанциях (ПС) являются источниками мощных электромагнитных помех. Кроме того, опасные помехи генерируются при молниевых разрядах, работе радиосредств,  электростатических разрядах и т.п. Совокупность уровней помех, характерных для любой конкретной  ЭС (ПС), называется электромагнитной обстановкой (ЭМО).

Основными  источниками помех на ЭС и ПС являются:

1. Короткие замыкания в сетях высокого напряжения.
2. Ток молнии, стекающий на ЗУ ЭС (ПС) при разрядах в ее молниеприемники и грозотросы подходящих ВЛ, а также импульсный ток, протекающий при срабатывании высоковольтных разрядников и ОПН. 
3. Переходные процессы в первичной сети, возникающие при коммутациях первичного оборудования (разъединителей, выключателей), а также в аварийных ситуациях.
4. Работа электромеханических устройств (реле, контакторов, электромагнитов и т.п.), тиристорных преобразователей и других устройств, способных порождать высокочастотные переходные процессы.
5. Токи, протекающие по силовым цепям в нормальном режиме работы ЭС (ПС). Генерируемое при этом магнитное поле может представлять опасность для нормальной работы электронной аппаратуры.   
6. В некоторых случаях вследствие особенностей конструкции ЭС (ПС) происходит постоянное  протекание тока через элементы ЗУ ЭС (ПС).
7. Электростатические потенциалы, воздействие которых на аппаратуру происходит в момент электростатического разряда. 

2. Принцип действия экранов

     Экран - устройство, используемое для уменьшения электромагнитного поля, проникающего в защищаемую область.

     Экранирование служит для ослабления электрических, магнитных и электромагнитных полей, а именно для того, чтобы исключить проникновение и воздействие таких полей на элементы, блоки, приборы, кабели, помещения и здания, а также для того, чтобы подавить исходящие из электрических и электронных промышленных средств и устройств помехи, обусловленные полями. Экран устанавливается между источником и приемником помех и снижает напряженности Е₀, Н₀ воздействующего поля до значений Е₁, Н₁ за экраном (рис. 1). Физически экранирование объясняется наведением на поверхности экрана заряда или индуктированием в нем тока, после которых накладывается на воздействующее, ослабляя его. Тем самым как бы удаляется чувствительный приемник помехи от источника.

     На  эффективность экранирования оказывают  существенное влияние частота поля, электропроводность и магнитная  проницаемость материала экрана, конфигурация и размеры экрана.

Для уточнения  этих общих положений будем исходить из того, что экранирование осуществляется частично поглощением энергии поля материалом экрана (коэффициент затухания  a_SA, обусловленный поглощением), а частично - отражением падающей волны (коэффициент затухания a_SR, обусловленный отражением).

Рис. 1. Экранирование токовых контуров от внешних электрических и магнитных полей:

а —  принципиальное расположение контуров 1,2 и экрана S; б — граница между условиями ближнего (нижняя левая часть) и дальнего (верхняя правая часть) полей.

     Результирующий  коэффициент затухания можно определить как :

     При этом не учитываются многократные отражения  от стенок экрана и помещения.

     Для установления существенных взаимосвязей между этими коэффициентами затухания  и характеристиками магнитного поля, а также размерами экрана и  свойствами его материала удобно воспользоваться понятием полных сопротивлений  по аналогии с распространением волн в электрически длинной двухпроводной  линии.

     В зависимости от расстояния х приемника  помехи  от  источника (рис. 1, а) и частоты f в ближней или дальней областях (рис. 1, б) для определения коэффициентов затухания а_SA и а_SR, дБ, пригодны следующие выражения:

     для магнитного поля в ближней зоне (х<с/2πf) коэффициент отражения

     для электрического поля в этой зоне (х<с/2πf)

     для электрического поля в дальней зоне (х> с/2πf)

а коэффициент поглощения как для ближней, так и дальней зон

где - относительная магнитная проницаемость материала, его электропроводность, отнесенная к электропроводности меди (d_Cu = 5,8-10⁷ См/м); f_б = 1 Гц - базовая частота; d - толщина экрана, отнесенная к

 d_б = 1 мм; х_б = 1 м.

     Кроме того, выражения, заключенные в квадратные скобки формул (2.4)-(2.7), характеризуют влияние свойств материала экрана и его толщины на коэффициент затухания, и при f = 1 Гц ординаты функций (2.4)-(2.7) представляют собой значения а_SA и а_SR.

     Зависимость результирующего коэффициента a_S от частоты при наличии магнитного поля для ближней зоны представлена на рис. 2. Эта зависимость получается суммированием а_SA и а_SR в соответствии с (2.3).

     Зависимости а_SA , a_SR и a_s от частоты для дальнейшей зоны в соответствии с (2.6) и (2.7) и для ближней зоны в соответствии с (2.6) и (2.7) представлены на рис. 3.

     Следует подчеркнуть, что спад коэффициента a_SB согласно (2.5) для ближней зоны происходит не на 10, как в остальных случаях, а на 30 дБ при увеличении частоты на порядок.

     Эффективность экранирующих устройств ориентировочно может быть оценена следующим образом. Бели a_s не выше 10 дБ, то экранирование, как правило, недостаточно. При 10 < a_s < 30 дБ удовлетворяются минимальные требования по экранированию.

Рис. 2.

a_S=a_SA+a_SR(1), a_SA(2) и a_SR(3) от частоты f для магнитного поля в ближней зоне.

Рис. 3. Принципиальные зависимости коэффициентов затухания от частоты для электромагнитного поля в дальней зоне и для электрического в ближней зоне;

1 – a_S=a_SA+a_SR; 2 – a_SA; 3 – a_SR(3) для электромагнитного поля в дальней зоне (1.6); 4— a_SR для электрического поля в ближней зоне (2.5).

     Для многих случаев достаточно, если 30 < a_S < 60 дБ. Если 60 <a_s < 90 дБ, то имеет место хорошее экранирование, а при 90 < a_s < 120 дБ можно говорить о предельно хорошем экранировании.

     Принципиально следует иметь в виду, что эффективность  экранирования зависит от наличия  дефектов и отверстий в стенке экрана (трещин, дверных, вентиляционных и оконных проемов, кабельных  вводов и отверстий для элементов  обслуживания и сигнализации), а также то, что внутри экранированных объемов могут возникать резонансные эффекты, так как любой корпус прибора с проводящими стенками можно рассматривать как объемный резонатор.

3. Материалы для изготовления экранов

     Для экранирования используют как немагнитные  металлы, чаще всего медь, так и  ферромагнитные материалы. Экранирующее действие известных немагнитных материалов происходит из-за магнитных полей, созданных вихревыми токами. При этом постоянное магнитное поле совсем не экранируется, а низкочастотное переменное ослабляется незначительно. Это видно также из (2.4) и рис. 2. Электрические поля такими экранами демпфируются очень хорошо [см. (2.5), (2.6) и рис. 3].

     Экраны  из ферромагнитных материалов ослабляют электрические поля в области низких частот хуже, чем экраны из немагнитных, однако, в отличие от последних, они вызывают определенное ослабление постоянных магнитных полей. С Повышением частоты демпфирующее действие в отношении и электрических, и магнитных полей возрастает, что следует из (2.7) и рис. 2 и 3.

     Имеются различные экранирующие материалы  и устройства, поставляемые в различных  формах, в зависимости от решаемых задач.

     Как пример можно рассмотреть следующие  варианты:

     – прикрепляемые болтами пластины и привариваемые тонкие стальные и медные листы для изготовления экранированных корпусов и для покрытия стен помещений;

     – тонкая легкоразрезаемая и деформируемая фольга из мягко- магнитных сплавов с высокой магнитной проницаемостью для изготовления образцов и серийных приборов;

     –    металлические ленты и оплетки для кабелей;

     – металлические плетеные шланги для дополнительного экранирования кабелей и кабельных жгутов;

     – металлические сотовые структуры для воздухопроницаемых экранирующих элементов (например, для экранированных кабин);

     – металлические сетки, проводящая прозрачная фольга и стекла с напылённым металлом для окон при комплексном высокочастотном экранировании;

     – наносимые на пластмассовые корпусы распылением серебряные, никелевые или медные покрытия;

     – пластмассовые комбинированные материалы с проводящими добавками (металлическим порошком, нитями из углерода) для изготовления экранированных корпусов;

     – тканые материалы с вплетенными нитями из нержавеющей стали для высокочастотной экранирующей одежды (коэффициент затухания достигает 30 дБ в области частот от 100 кГц до 40 ГГц).

     Здания, массивные строительные сооружения без особых мер защиты ослабляют  внешние поля на 6-10 дБ, железобетонные со сваренной стальной арматурой - до 25-30 дБ.

     Для обеспечения экранирующих свойств  корпусов, кабин и помещений часто неизбежные вводы, щели, стыки стен, дверные проемы и другие элементы, прозрачные для высокочастотного излучения, уплотняются. Соответствующие уплотнения должны гарантировать непрерывность вихревых токов, индуктированных полем. Поэтому они должны быть изготовлены из хорошо проводящих и механически формируемых материалов, достаточно устойчивых к функционально обусловленным воздействиям и окружающим условиям, обладать по возможности малым контактным сопротивлением с соприкасающимися металлическими конструктивными элементами.

     Находят применение и другие уплотняющие материалы и изделия:

эластомеры  с добавками, обеспечивающими достаточную  электропроводность, на основе силанового каучука в виде пластик кольцевых шнуров, трубок. В качестве наполнителей используют углерод, никелевые или серебряные частицы, посеребренный медный, никелевый или стеклянный порошок, посеребренную алюминиевую пудру; полностью металлические плетеные изделия в форме чулка, круглых или прямоугольных прокладок, двойных прокладок с эластомерным сердечником или без него для уплотнения, например, прикрепляемых болтами крышек, стенок корпуса; проволочные оплетки, пропитанные эластомером, например, для уплотнений электрических соединений; пластины из силиконового каучука, содержащие перпендикулярно расположенные к поверхности металлические нити; пружинящие устройства из бериллиевой бронзы для уплотнения дверей; проводящие технологические добавки для улучшения переработки пластмассы и клея.

4. Экранирование приборов  и помещений

     Металлические корпусы электронных устройств  обеспечивает определенную защиту от проникновения из окружающего пространства в него электромагнитных помех. Однако неизбежные разрезы, швы, отверстия для кабелей и вентиляции сильно снижают их экранирующее воздействие. В корпусах, удовлетворяющих требованиям электромагнитной совместимости, этот недостаток должен быть устранен. Соответствующие конструкции обеспечивают сплошное гальваническое соединение всех стенок прибора, с применением подходящих уплотнений, например проволочных плетеных прокладок. Приборные шкафы имеют непрерывные коррозионно-стойкие контактные поверхности, с которыми по всему периметру дверей соприкасаются пружинные контакты из бериллиевой бронзы, причем специальная система обеспечивает одинаковую силу прижатия пружин по всему периметру двери. Отвод тепла из шкафов осуществляется через отверстия или через жалюзи в стенках. Электрические соединения с внешними устройствами осуществляются исключительно при помощи разъемов. Иным образом внутрь шкафа нельзя вводить кабели. При этом коэффициент затухания достигает 40-100 дБ в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц.

     Эффективное экранирование электронных приборов, с пластмассовыми корпусами (компьютеров, радиопереговорных устройств, измерительных приборов, мониторов и др.) достигается применением металлических нитей в связующем материале или металлизацией поверхности корпуса. В таблице 1 приведены значения поверхностных сопротивлений,  достигаемых при различных способах нанесения покрытий.

Таблица 1. Толщина слоя и поверхностное сопротивление экранирующих покрытий пластмассовых корпусов

     На рис. 4 показаны значения достижимого коэффициента затухания в зависимости от частоты при различных способах нанесения покрытий. На рис. 5 приведены зависимости коэффициента затухания настольного компьютера с пластмассовым корпусом с нанесенным защитным покрытием и без него от частоты. Коэффициент затухания, равный 60 дБ, достигается в диапазоне частот 30-1000 МГц.

     Обеспечение электромагнитной совместимости, создание условий измерений и испытаний приборов без помех, как и аспекты обеспечения надежности данных, требуют во многих случаях электромагнитного экранирования помещений. Примерами этого являются:

     испытательные помещения и лаборатории для  средств связи, измерений, автоматизации и техники высоких напряжений;

     измерительные помещения для научных исследований и службы метрологии;

     медицинские диагностические и терапевтические  кабинеты в больницах;

     вычислительные  центры на промышленных предприятиях, банках и многих других гражданских и военных организациях.

       В последнем случае речь идет не только о защите вычислтительной техники от помех, но и о том, чтобы ограничить распространение компрометирующего электромагнитного излучения и тем самым исключить возможность подслушивания секретной информации.

     Современные экранирующие устройства помещений  выполняются по модульному принципу. При этом техническая задача состоит в том, чтобы для всего защищаемого помещения создать однородную проводящую отражающую электромагнитное излучение оболочку. Важнейшими элементами для реализации этого являются;

     экранирующие  модули для стен и потолков (стальные листы, стальная и медная фольга для  болтового или сварного соединения);

     двери, ворота и тамбуры с высокочастотным  уплотнением; внутренние и внешние  окна помещений с демпфирующими высокочастотными свойствами;

     сотовые каминные элементы для каналов кондиционирования воздуха;

     полые вводы для световодов;

     электрические фильтры для системы электрообеспечения, линий передачи данных, коммуникаций и управления, предотвращающие как поступление, так и выход помех, обусловленных гальванической связью.

     При тщательном выполнении экранирования  помещений коэффициент затухания достигает 80-100 дБ в диапазоне гигагерц.

По условиям обеспечения безопасности (защиты от напряжения прикосновения) корпусы приборов и экраны помещений заземляются в определенных точках.

5. Экраны кабелей

     Кабельные экраны предназначены для снижения влияния напряжений помех на кабели и излучений помех кабелями и  проводами, а также для того, чтобы обеспечить развязку помехосодержащих и чувствительных к помехам проводов при их прокладке в общих кабельных троссах, каналах или жгутах, если это необходимо по каким-либо внешним условиям.

       В неэкранированных линиях, сетевых проводах, линиях передачи данных, коммуникационных и измерительных линиях, проводах регулирования и управления из-за электрического поля Е может создаваться поперечное (противофазное) напряжение Uq, а под воздействием магнитного поля Н - продольное (синфазное) напряжение U_i (рис. 6, в).

     Кабельные экраны из хорошо проводящих материалов (медные или алюминиевые оплетки) позволяют ослабить эти напряжения, однако при этом существенную роль играет заземление экрана. Бели экран заземлен только с одной стороны, то снижается поперечное напряжение, вызванное полем Е, вследствие байпасного действия экрана (Uq’< Uq). На первый взгляд, все равно, заземлен ли экран слева или справа (рис. 6, б). При двустороннем заземлении экрана (рис. 6, в) возникает замкнутый контур, в котором при изменении магнитного поля Н во времени индуктируется ток I. Продольное напряжение при этом уменьшается (U'_I = Z_KI < U_I, где Z_K - комплексное полное сопротивление связи экранированного кабеля).

     Если затухание в одном экране недостаточно, используют два экрана, наложенные друг на друга и изолированные один от другого. При этом вновь возникает вопрос, как заземлить внутренний экран. При двустороннем заземлении (рис. 6, г) продольное напряжение:

Рис. 6. Воздействие экранов кабелей:

а — неэкранированный кабель; б — одностороннее заземление экрана; в — двустороннее заземление экрана; г — кабель с двойным экраном и двусторонним заземлением внутреннего экрана; д — кабель с двойным экраном и односторонним заземлением внутреннего экрана. 

     А при одностороннем заземлении (рис. 6, д):

     В этих уравнениях L представляет собой индуктивность соединения, а С - емкость между экранами, ZKa и ZKi - комплексные полные сопротивления внутреннего и внешнего экранов соответственно.

     Сравнение (5.1) и (5.2) позволяет сделать следующие выводы. Двусторонне заземленный внутренний экран при низких частотах не оказывает сильного экранирующего действия, так как практически параллельно соединены ZKa и ZKi. А при высоких частотах (|jwL|»| ZKa + ZKi|) имеет место значительно лучшее экранирование, чем при одном экране. При одностороннем заземлении внутреннего экрана картина обратная.

     Для того чтобы полностью использовать возможности кабельных экранов, необходимо соблюдать следующие правила:

     — обычные экраны и внешние оболочки двойных экранов должны иметь на обоих концах хорошие контакты с корпусами приборов;

     — внутренний экран в зависимости от частоты поля помехи следует заземлять с одной стороны или с обеих сторон;

     — внешний экран нельзя вводить внутрь прибора или там заземлять, так как при этом могут частично утрачиваться экранирующие свойства корпуса.

     Отметим, что экранирование кабелей служит также и для того, что бы снизить влияние разности потенциалов между точками заземления корпусов приборов, связанных кабелями.  
 
 
 

6. Краткие сведения  об оценке ЭМО

     В реальности экранирование аппаратуры обычно обеспечивается железобетонными конструкциями зданий, металлическими корпусами шкафов, стоек, ячеек и т.п. Эффективность экранирования магнитного поля быстро возрастает с ростом частоты, и на частотах молниевого импульса оно является одним из основных методов снижения уровня магнитного поля (поскольку без экранирования при токах молнии порядка 100 – 200 кА поле будет оставаться опасным для аппаратуры на расстояниях до 30 – 50 метров от основания молниеотвода). При применении методов имитационного моделирования тока, имитирующий влияющий ток молниевого разряда, составляет обычно не более 1А. В этом случае ферромагнитные элементы экранов не достигают порога насыщения. Поэтому оценка эффективности экранирования, полученная с помощью имитационного моделирования, оказывается завышенной. Для получения реалистичной оценки характеристик экранирования был разработан следующий подход.

      При расчёте величины магнитного поля, создаваемого током молнии, внутри экранированного объёма учитываются  следующие особенности:

     • Ток молнии способен создавать магнитные поля величиной до сотен кА/м (в зависимости от расстояния до молниеприёмника и наличия экранов) при том, что аппаратура гарантированно выдерживает, как правило, не более 1 кА/м.

     • При протекании тока молнии даже на расстоянии 10-15 метров от электронной аппаратуры, защищённой экраном, происходит насыщение ферромагнитного материала стенок экрана (например  Нкоэрцетивная~700 А/м для некоторых марок стали). Магнитная проницаемость материала экрана снижается до единицы, тем самым эффективность экранирования резко падает.