2.2.3 Емкостная связь

В отличие от индуктивной связи, емкостная связь проявляется под действием электрического поля источника помех, а не проте­кающих в нем токов.

Емкости связи весьма малы, поэтому при больших расстояниях между источником и приемником помех емкостная связь ощутима лишь при достаточно большом сопротивлении цепи приемника (нагрузочное сопротивление на концах кабеля) либо при очень близком расположении цепей приемника и источника.

Емкость между проводниками обратно пропорциональна рас­стоянию. К примеру, два проводника одного кабеля обладают вза­имной емкостью порядка 100 пФ/м. Увеличение расстояния меж­ду ними всего лишь на 5 сантиметров приводит к уменьшению взаимной емкости в 70 раз, в то время как дальнейшее увеличение расстояния до 50 см вызывает уменьшение емкости менее чем в 2 раза.

Данный пример показывает важность рассмотрения емкостной взаимосвязи при близком расположении цепей.

Единственным способом ослабления емкостной связи, если не­возможна раздельная прокладка проводников или уменьшение со­противления (стратегия разомкнутой цепи), остается экранирова­ние защищаемого проводника и соединение экрана с заземлением в одной точке (стратегия замкнутой цепи), рисунок 2.15.

Рис. 2.15 - Емкостная связь и экранирование при емкостной связи

Экран для ослабления емкостной связи не настолько критичен к качеству исполнения, как экран для снижения индуктивной свя­зи. Особую важность приобретает передаточная проводимость Y_l , передаточное же сопротивление теряет свое значение.

Проводимость зависит от структуры отверстий в экране и от удельной взаимной емкости между жилой и экраном.

Кабели в оплетке с большим коэффициентом покрытия, кабе­ли в оболочке из металлической фольги или лент (даже в случае их спиральной намотки) обычно обладают очень низкой передаточ­ной проводимостью, которой обычно можно пренебречь, если эк­ран присоединен к земле.

В частности, это верно при низких частотах (50/60 Гц) и объяс­няет, почему, например, такие некачественные проводники, как стены домов, достаточно эффективно снижают электрические поля внутри дома, вызванные внешними источниками электри­ческих полей.

Однако снижение помех, обусловленных электрическим полем при помощи экрана, эффективно только при низких частотах, когда продольными сопротивлениями можно пренебречь по срав­нению с поперечным емкостным.

При высоких частотах возникает необходимость заземления экрана более чем в одной точке, в частности, на обоих концах ка­беля.

Примеры помех, передаваемых емкостной связью:

• помехи, создаваемые низкочастотным электрическим полем, создаваемым силовыми установками высокого напряжения;

• помехи, обусловленные быстрыми переходными процессами, вызванными коммутациями в сети низкого напряжения;

• перекрестные помехи в сигнальных кабелях;

• синфазные помехи за счет связи между первичной и вторичной обмотками разделительного трансформатора, оптронов, транс­форматоров тока или напряжения на ПС.

2.2.4 Связь излучением

Предыдущие рассмотрения основываются на том предположе­нии, что размеры цепи (включая источник и приемник помех) много меньше длины волны λ=c/f, (здесь f— наибольшая частота спектрального состава помехи). В этом случае имеем дело с поля­ми ближней зоны. В зоне, где выполняется это условие, отноше­ние напряженноcтей электрического и магнитного полей Z_W=E/H, называемое волновым сопротивлением, может принимать значе­ния, зависящие от вида источника излучения и расстояния между источником и приемником излучения.

Если Z_w<377 Ом, то преобладает магнитное поле, источник но­сит название низкоомного источника больших токов (и низких напряжений), а в качестве модели используют модель индуктив­ной связи.

При Z_w>377 Ом преобладает электрическое поле, источник (высокоомный) характеризуется большими напряжениями и ма­лыми токами, а в качестве модели связи используют емкостную модель.

При увеличении расстояния от источника отношение E/H стремится к 377 Ом, называемому волновым сопротивлением ва­куума. В этих условиях отсутствует преобладание какой-либо со­ставляющей поля, которое представляет собой электромагнитное поле излучения.

Расстояние, при котором достигается данное условие, опреде­ляет собой границу между дальней и ближней зонами ЭМ поля.

Если размеры источника много меньше длины волны, то гра­ница указанных зон располагается на расстоянии от него (порядка одной шестой части длины волны).

Однако, если максимальный размер D источника больше по величине половины длины волны, то граница зон определяется выражением _.

На рисунке 2.16 приведена зависимость Z_w от расстояния до источ­ника и скорость уменьшения поперечных составляющих поля (при расчетах радиальной составляющей ЭМ поля пренебрегли).

Рис. 2.16 – Волновое сопротивление в функции расстояния

Если помеха имеет импульсную природу, то наибольшая по частоте и все еще заметная по величине составляющая его спектра определяет­ся по выражению f = l/πτ_г, где τ_г - длительность фронта импульса.

Основными источниками излучаемого ЭМ поля являются молния, коммутации на элегазовых ПС, радиопередатчики и переговорные ус­тройства. Первые два являются источниками импульсных полей, два последних - источниками фиксированной частоты излучения.

Например, радиопередатчик, работающий в диапазоне средних волн ( МГц), имеет длину волны м, откуда следует, что связь излучением имеет место на расстояниях, больших 300/2л = 50 м. разрядов молнии характерны аналогичные значения расстояний, так как мкс, а МГц.

С другой стороны, типичная длительность фронта волны ЭМ поля, создаваемого при коммутациях на элегазовых ПС, составляет нс. Этому значению соответствует длина волны м, поэтому связь излучением может происходить на расстояниях меньше метра.

Таким образом, помехи определяются ближней зоной излучения при расстоянии приемника от источника помех до:

5000 м - при частоте МГц; 500 м - при частоте МГц;

50 м - при частоте МГц; 5м - при частоте МГц;

0,5 м - при частоте МГц.

Во всех случаях, где выполняются условия дальней зоны, изу­чение явления становится достаточно сложным (в частности, если размеры цепи больше длины волны), так как теория цепей не мо­жет быть больше применена. В этих случаях следует обращаться к обобщенным моделям, основанным на теории Максвелла. Под­робно применительно к использованию методов теории длинных линий эта проблема изложена в главе 4, а конкретные решения задач, основанные на выкладках главы 4, могут быть реализованы с помощью компьютерного моделирования.

При этом основные принципы, описанные ранее и все методы снижения помех, основанные на них, также эффективны и в це­лях снижения ВЧ помех, вызванных полевым механизмом связи.

Более того, введение в рассмотрение условия распространения помех также означает наличие их затухания.

Отсюда, по крайней мере, при рассмотрении электростанций и подстанций, возмущения, вызванные излучением, оказываются мень­ше по величине, чем возмущения, вызванные индуктивной связью.

Для пояснения последнего утверждения кратко рассмотрим одно из аналитических выражений теории длинных линий.

Можно показать, что среднее синфазное напряжение, изме­ренное на согласованной нагрузке на конце длинного экраниро­ванного кабеля, заземленного на обоих концах и подверженного воздействию ЭМ поля, может быть определено при помощи про­стого выражения.

где

- волновое сопротивление контура экран/земля;

- его передаточная индуктивность (при этом делается допущение о том, что индуктивное сопротивле­ние много больше активного);

- скорость света;

- относительная диэлектри­ческая проницаемость среды между проводниками и экраном;

- высота кабеля над поверхностью земли.

Данное выражение, при сравнении с (2.10), показывает, что средний уровень помех в действительности не зависит от длины линии, в то время как выражения, приведенные в разделе 2.2.2, при выводе которых эффект распространения не учитывался, ука­зывают на прямо пропорциональную зависимость от длины кабе­ля. Это приводит к завышению действительного уровня помех.

С другой стороны, следует отметить, что выражение (2.13) не правомерно при явлении резонанса, то есть когда длина волны кратна .

Хорошо известно, что явления резонанса, если не принять ни­каких мер по их демпфированию, могут ощутимо снизить эффек­тивность экранирования кабелей. Парадокс заключается в том, что чем лучше экран (то есть, чем меньше его проводимость), тем выше риск недостаточного демпфирования резонансных явлений. Это является главной причиной того, что кабели с двумя экрана­ми, соединенными только на одном конце, обладают меньшим коэффициентом экранирования, чем это следовало бы ожидать по результатам измерений передаточного сопротивления.

Другим допущением, принятом при выводе выражения (2.13), является согласованность кабеля на обоих концах.

Это допущение обычно выполняется для коаксиальных кабе­лей, но не для симметричных цепей, в которых входное синфаз­ное сопротивление для конечного оборудования обычно больше волнового сопротивления кабелей. Однако, вследствие значитель­ного снижения синфазного сопротивления с ростом частоты, можно допустить, что данное выражение дает хорошую оценку уровней помех, встречающихся на практике.

Примеры помех, передаваемых связью излучением:

1. помехи, вызванные электрическими переходными процесса­ми при коммутациях на элегазовых подстанциях;

2. помехи при удаленных ударах молнии (несколько сотен мет­ров от приемника);

3. полевые помехи высокой частоты, создаваемые радиопередат­чиками.