Расчет параметров электромагнитного экрана аппаратуры

 

Экранирование предназначено для разделения влияющих и подверженных влиянию цепей металлическими перегородками (экранами). Экраны в кабельных цепях имеют, как правило, цилиндрическую форму и выполняются из свинца, алюминия или стали. Экраны могут выполняться либо из сплошного материала, либо иметь ленточную конструкцию или в виде металлической оплётки. Экран оказывает защитное действие, локализуя электромагнитное поле, создаваемое источником помех, и предохраняет цепи связи от взаимного влияния, а также от посторонних источников электромагнитной энергии. Различают следующие виды экранирования: электростатическое, магнитостатическое, электромагнитное. Экранирование может быть однослойным или многослойным.

Электростатическое экранирование. Сводится к замыканию электрического поля на поверхности металлического корпуса экрана, с которого электрические заряды стекают на землю.

Между влияющим проводом «А», несущем помеху и проводом «Б», подверженным влиянию, помещается экран, соединенный с землей, который перехватывает силовые линии электрического поля, защищая провод «Б» от помех.

Магнитостатическое экранирование. Проявляется в замыкании силовых линий магнитного поля в толще экрана, обладающего повышенной магнитопроводимостью. Роль магнитостатического экрана могут выполнять лишь магнитные материалы, обладающие высокой магнитной проницаемостью, обычно это сталь или сталеникилевые сплавы (пермаллой).

Магнитные силовые линии, создаваемы проводом «А», замыкаются в толще магнитного экрана, обладающего малым магнитным сопротивлением и не оказывающим воздействия на провод «Б». Эффективность магнитостатического экранирования повышается с увеличение толщины экрана. Магнитостатичекие экраны так же, как и электрические, эффективны при постоянном токе и на низких частотах(до 4 кГц). С увеличением частоты возрастает роль вихревых токов в экране, магнитное поле вытесняется из толщи экрана и магнитопроводность теряет свое значение.

Электромагнитное экранирование. Эффективно на высоких частотах. Действие электромагнитного экранирование основано на отражении электромагнитной волны от поверхности металлического экрана и затухании высокочастотной энергии в его толще. Затухание энергии в экране обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи в металле. Отражение определяется несоответствием волновых сопротивлений различных соприкасающихся сред. Электромагнитная волна, падая на экран, частично отражается, частично проникает в толщу экрана, где постепенно затухает. Данное экранирование может осуществляться как с помощью немагнитных, так и магнитных экранов, но из-за потерь, вносимых магнитными материалами в цепь передачи, немагнитные экраны являются более предпочтительными. Частотный диапазон электромагнитного экранирования от 103 до 109Гц.

Глубина проникновения (толщина скин-слоя), м:

где – частота, Гц;

– магнитная проницаемость металла, Гн/м;

– проводимость металла, в моем случае сталь, 7690000 См/м.

, по заданию и для стали.

По результатам расчетов в программе Mathcad, построена зависимость толщины скин-слоя от частоты, которая представлена на рисунке 20.

Рисунок 20 – Зависимость толщины скрин-слоя от частоты

Общий коэффициент экранного затухания рассчитывается по формуле:

где – затухание поглощения, Нп;

– затухание отражения, Нп.

Данные затухания рассчитываются по формулам приведенным ниже:

где – постоянная распространения в металле, 1/м;

– толщина экрана, по заданию 10^-3 м;

– волновое сопротивление диэлектрика (воздух);

– волновое сопротивление металла.

Зависимости затухания отражения от частоты изображены на рисунках 21 и 22. График затухания поглощения представлен на рисунке 23.

Рисунок 21 – Зависимость затухания отражения магнитного поля от частоты

Рисунок 22 – Зависимость затухания отражения магнитного поля от частоты

Рисунок 23 – Зависимость затухания поглощения от частоты

Графики зависимости экранного затухания приведены ниже (рисунки 24, 25)

Рисунок 24 – Зависимость экранного затухания магнитного поля от частоты

Рисунок 25 – Зависимость экранного затухания электрического поля от частоты

Волновое сопротивление металла определяется по формуле:

График волнового сопротивления металла изображен на рисунке 26.

Рисунок 26 – Зависимость волнового сопротивления металла от частоты

Волновое сопротивление диэлектрика для магнитного (рисунок 27) и электрического (рисунок 28) поля определяются по формулам:

где – волновое сопротивление среды, равное 376,7 Ом;

– эквивалентный радиус экрана, равен 0,3 м;

– постоянная распространения диэлектрика, 1/м, определяется по формуле:

где – электрическая постоянная, равная 8,85∙10^-12 Ф/м.

Рисунок 27 – Зависимость сопротивления диэлектрика магнитному полю от частоты

Рисунок 28 – Зависимость сопротивления диэлектрику электрическому полю от частоты

Все графики построены с помощью программы Mathcad в логарифмическом масштабе. Из графика, изображенного на рисунке 20, видно, что с увеличением частоты, толщина скрин-слоя уменьшается, а общий коэффициент экранного затухания увеличивается с ростом частоты, что изображено на рисунках 24 и 25.

 

Заключение

 

В ходе выполнения курсовой работы, был описан план расположения основных станционных и линейных объектов. Приведены примеры различных марок кабеля типа ТПП и СБПБ. Изучены характеристики основных источников влияния на узел связи, таких как: высоковольтные линии, электрифицированные железные дороги.

Были охарактеризованы ситуации, при которых возникают опасные помехи и построены спектры воздействующих импульсов. Спектр тока короткого замыкания в ЛЭП является более выраженным на частоте 50 Гц. Следующим пунктом необходимо было произвести расчет контура заземления здания ДСП, расчет проводился для случая размещения заземлителя в однородной земле. В итоге расчета, заземляющее устройство, состоящее из 9 угловых вертикальных элементов, расположенных в ряд и соединенных горизонтальным элементом, выбрано правильно.

В данном курсовом проекте, я выбраны элементы каскадной защиты от перенапряжений, такие как: разрядники, варисторы, супрессоры. Данные элементы наиболее эффективны для защиты аппаратуры от перенапряжений. По завершению, необходимо было рассчитать параметры электромагнитного экрана аппаратуры, который выполнен из стали. Из построенных графиков можно сделать вывод, что толщина скин-слоя уменьшается с ростом частоты, а коэффициент экранного затухания увеличивается с ростом частоты.

 

 

Библиографический список

 

1 ГОСТ 33398 (2015) «Железнодорожная электросвязь. Правила защиты проводной связи от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог постоянного и переменного тока»;

2 СТП ОмГУПС–1.7–04 «Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные»;

3 Разряд, избавляющий от перегрузки: ионные разрядники Bourns с газовым наполнением. Электронный ресурсhttp://www.compel.ru/lib/ne/2015/1/6-razryad-izbavlyayushhiy-ot-peregruzki-ionnyie-razryadniki-bourns-s-gazovyim-napolneniem;

4 Защита промышленных приборов в соответствии с нормами по ЭМС. Электронный ресурс. http://www.kit-e.ru/articles/powerel/2006_5_124.php;

5 Варисторы, принцип работы. http://radiostorage.net/?area=news/1419;

6 Полупроводниковая защита: обзор основных серий TVS-диодов. Электронный ресурс. http://www.compel.ru/lib/ne/2014/12/5-poluprovodnikovaya-zashhita-obzor-osnovnyih-seriy-tvs-diodov-ot-littelfuse;

7 Волноводы. Классификация направляемых электромагнитных волн. Электронный ресурс. http://studopedia.ru/2_35081_volnovodi.html;