4.5.2. Источники и характеристики опасных электромагнитных влияний

Природные явления.Среди природных явлений по частоте и степени воздействия на системы связи особую опасность представляет гроза. Грозы, как правило, возникают в теплую половину года при большой неустойчивости атмосферы и достаточном содержании в ней влаги. По территории нашей страны они распределяются неравномерно. На широте Москвы и Санкт-Петербурга число грозовых дней в году составляет в среднем от 20 до 25. Наибольшее число гроз наблюдается на Кавказе и составляет в данном районе до 60 в год.

Общая длительность удара молнии может составлять от 0,3 до 0,5 секунд, при этом происходит от 3-х до 10-ти разрядов длительностью от 0,1 мс до 0,2 мс. Максимальная мощность грозового разряда достигает величины порядка 3х10¹¹ Вт, разность потенциалов в месте разряда – до 10⁷ В, а ток – до 3х10⁴ А. Температура внутри канала молнии в ряде случаев превышает 20000⁰ С. Характерной особенностью грозовых разрядов является их сложная конфигурация, значительная протяжённость (длина канала молнии может превышать 3 км) и скорость распространения (до 100 км/час).

Наводки в линиях связи, вызванные грозовой активностью, характеризуются небольшой длительностью (до нескольких микросекунд) и, широким спектром частотных составляющих. Основная частота колебаний лежит в пределах до 10 кГц, а высокочастотные составляющие – до нескольких мегагерц. Величины амплитуд импульсных напряжений и токов в кабельных линиях могут достигать таких значений, при которых разрушается оболочка и изоляция, расплавляются жилы, полностью нарушается связь.

Наводки, вызванные грозой, могут проникать в объект следующими путями:

• прямой удар молнии в здания и инженерные сооружения;

• резистивные наводки;

• индуктивные наводки;

• емкостные наводки.

Прямой удар молнии в здания и инженерные сооружения.

Наиболее опасными являются воздействия, возникающие при прямом ударе молнии в объект связи (как правило, в антенно-мачтовые сооружения). Возникающий при этом бросок потенциала земли может достигать нескольких сотен тысяч вольт. На объекте связи, где не выполнен комплекс мер по защите от перенапряжений, при таком ударе молнии происходит массовый выход из строя аппаратуры, в первую очередь страдает современное оборудование.

Часто повреждаются также воздушные линии связи и кабели, проложенные в грунте, особенно с высоким удельным сопротивлением.

Резистивные наводки.

Удар молнии в землю недалеко от объекта вызывает локальный бросок потенциала земли в месте разряда. Потенциал, максимальный в точке разряда, спадает к периферии по экспоненциальному закону. Таким образом, между заземлителем объекта и, например, бронёй подведённого кабеля возникает разность потенциалов. Ток, вызванный этим напряжением, протекает через объект по любой проводящей системе (водопровод, кабель связи).

Индуктивные наводки.

Ток молнии, протекающий по спуску молниеприемника здания или по металлоконструкциям мачты, вызывает сильное электромагнитное поле, воздействующее на все близко расположенные проводники, в которых возникает бегущий импульс тока и напряжения. Подобного наведенного импульса вполне достаточно, чтобы повредить современное электронное оборудование.

Емкостные наводки.

Высоковольтные линии электропередачи подвержены наибольшей опасности прямых ударов молнии. Несмотря на то, что при строительстве ЛЭП предусмотрены меры защиты (грозозащитный трос, ограничители перенапряжения), импульсные перенапряжения все равно попадают на распределительные трансформаторы. Так как энергия грозовых импульсов сосредоточена в высокочастотной части спектра, эти импульсы через емкостную связь между обмотками трансформатора попадают в сеть электропитания, повреждая подключённое к сети чувствительное оборудование.

Можно выделить несколько основных видов помех, порождаемых промышленными источниками:

• аварийные разности потенциалов между различными заземляющими устройствами, а также между различными точками одного заземляющего устройства;

• провалы, прерывания и выбросы напряжения питания при коммутации мощных потребителей и авариях;

• наводки от линий электропередачи и энергетических кабелей;

• электрифицированный транспорт;

• непосредственное попадание питающего напряжения на линии связи;

• электростатический разряд.

Аварийные разности потенциалов.

В случае короткого замыкания фазы на землю, по цепям заземления могут протекать очень большие токи. Поскольку элементы системы заземления обладают некоторым сопротивлением (активным и реактивным) то, по закону Ома, на них могут создаваться значительные потенциалы, представляющие опасность для аппаратуры связи и обслуживающего персонала. В этом случае заземление все же выполняет свою защитную функцию: протекание большого тока «нулевой последовательности» заставляет сработать систему защиты (в простейшем случае - обычный предохранитель). Существуют жесткие ограничения на время срабатывания защитных устройств (обычно – доли секунды). Для защиты человека этого достаточно, а для современной электронной аппаратуры - далеко не всегда.

Иногда заземление используют для организации цепи возврата тока к источнику. Некоторые силовые и информационные цепи строятся по так называемой несимметричной схеме, когда от источника к приемнику идет лишь один провод, а обратным проводом является земля. При этом достигается некоторая экономия проводов, однако такой подход часто снижает помехоустойчивость системы и приводит к возникновению паразитных перекрестных связей через общее для различных цепей сопротивление заземления. Иногда вместо заземления используют зануление. Обычно это делается, когда объект не обладает собственным заземлителем. Тогда в качестве заземлителя используют заземлитель ближайшей трансформаторной подстанции, на который (согласно ПУЭ) заземляется «ноль» (в трехфазной сети – нейтраль) питания. Такая организация заземления является неудовлетворительной. Действительно, в этом случае постоянно происходит протекание тока питания через цепи заземления, что приводит к появлению помех. Кроме того, большая длина заземляющего проводника приводит к росту его полного сопротивления.

Провалы, прерывания и выбросы напряжения питания.

Высокочастотные помехи и электромагнитные поля, возникающие при переключениях высоковольтного оборудования, имеют частотный спектр, лежащий в пределах от единиц до десятков мегагерц. Появляющееся при этом импульсное электромагнитное поле наводит ЭДС в кабелях, проложенных рядом с местом коммутации. Спектр частот помех существенно зависит от протяженности коммутируемых участков шин. Частота бывает тем выше, чем меньше протяженность (и, следовательно, эквивалентная емкость и индуктивность) коммутируемого участка. В то же время, при коммутации значительных участков шин время горения дуги и, соответственно, длительность пачки импульсов помехи будет больше.

Наводки от линий электропередачи и энергетических кабелей.

Помехи в спектре промышленной частоты и ее первых гармоник действуют только на близко расположенные линии связи. Как правило, они не приводят к повреждениям, но могут вызывать помехи в работе. Непосредственное воздействие низкочастотных электрических и магнитных полей на аппаратуру сравнительно редко приводит к ее отказу или сбою вследствие малости коэффициентов индуктивной связи и, следовательно, малости величин ЭДС, наводимых во внутренних цепях аппаратуры. Уровни электрических и магнитных полей промышленной частоты существенно зависят от режима работы силового электрооборудования. Особенно высокий уровень магнитных полей наблюдается при коротких замыканиях по схеме «фаза-земля». Это объясняется как большой величиной протекающих токов, так и значительной степенью асимметрии схемы. Действительно, при протекании даже значительных токов по симметричной схеме (при нормальной работе электрооборудования или при коротком замыкании «фаза-фаза» или «фаза-ноль») поля, создаваемые токами в соседних проводах, векторно складываются. Поскольку эти токи текут в противоположных направлениях, векторная сумма полей от них оказывается, соответственно, мала. При этом она будет тем меньше, чем меньше расстояние между проводами.

Электрифицированный транспорт.

Это один из наиболее мощных источников промышленных помех, действующих на кабели, проложенные рядом с электрифицированной железной дорогой. Наиболее опасны для систем связи железные дороги, работающие на переменном токе. Наводимые ими помехи представляют собой электрические и магнитные поля промышленной частоты с наложенными на них пачками импульсов, напоминающих коммутационные помехи. Эти поля создают наводки с аналогичными частотными характеристиками в цепях питания, заземления и обмена информацией. Источником полей промышленной частоты здесь служит переменный ток, потребляемый транспортом. Импульсные помехи возникают в моменты искрения контактов, резкого включения или выключения двигателя и т.п. Несколько особняком стоят помехи от электротранспорта на постоянном токе (например, метро). Здесь обычно наблюдается комбинация квазипостоянных электрических и магнитных полей с импульсными помехами, аналогичными помехам от транспорта на переменном токе. Однако, по имеющимся данным, квазипостоянное магнитное поле не представляет значительной опасности для аппаратуры или персонала. При рассмотрении помех от электротранспорта следует учитывать тот факт, что помехи создает не только сам транспорт, но и питающие его воздушные и подземные линии электропередачи и соответствующие трансформаторные подстанции.

Непосредственное попадание питающего напряжения на линии связи.

Это одна из наиболее распространенных и опасных помех. Длительность таких воздействий практически не ограничена, а выделяемая мощность зависит только от внутреннего сопротивления источника питания силовой цепи. При возникновении таких опасных токов замыкание цепи обычно происходит через землю. Эти воздействия представляют опасность не только для телекоммуникационной аппаратуры, но и для обслуживающего персонала. Известны случаи возгорания оборудования и зданий, причем ущерб, причиненный пожаром, оказывался на порядок больше, чем затраты, требующиеся на защиту объекта.

Электростатический разряд.

Электростатический разряд (ЭСР) - довольно распространенное явление, и большинство людей имеет представление о его разрушительном воздействии на полупроводниковые схемы. По сути, ЭСР - просто перераспределение заряда между телами, имеющими различный электростатический потенциал. Накопление заряда происходит при обычной электризации трением; конкретные величины зарядов зависят от размеров, формы и электрических свойств взаимодействующих тел. Условия окружающей среды (особенно влажность) также заметно влияют на величину и время рассеивания заряда.

Форма кривой тока разряда зависит от электрических характеристик объекта, несущего заряд. Хотя для каждого объекта они носят индивидуальный характер, Международной электротехнической комиссией (IEC) приняты стандартизованные параметры источника ЭСР: емкость - 150 пФ и внутреннее сопротивление 330 Ом. Основным механизмом воздействия является протекание тока по металлическим частям аппаратуры. Поскольку спектр импульса содержит очень высокие частоты (длительность фронта − около 1 нс, следовательно, частоты − порядка гигагерц), влияние через паразитные связи на внутренние узлы аппаратуры очень велико. Чаще всего наблюдаются сбои в работе высокоскоростных цифровых узлов, а также цифровых интерфейсных элементов. При подаче на разъемы, клавиатуры, элементы индикации и т.п. возможно физическое повреждение интерфейсных элементов. Особенно опасно воздействие ЭСР на незащищенные узлы аппаратуры. Поэтому при любых ремонтных и наладочных работах нужно соблюдать требования электростатической безопасности. При профессиональной сборке аппаратуры используют антистатические браслеты (обеспечивающие стекание заряда на землю), антистатические покрытия и т.п. В условиях эксплуатации эти требования удается выполнить не всегда. Однако минимальные меры предосторожности соблюдать все же стоит: например, перед прикосновением к узлам аппаратуры следует дотронуться до заземленных металлоконструкций, что позволит снять избыточный заряд.