Физические принципы защиты расстоянием и экранированием

Для защиты человека от воздействия ЭМИ применяют несколько способов снижения интенсивности излучения:

– конструкторский – во время разработок различной электротехнической аппаратуры и устройств, которые по природе своей работы становятся источниками ЭМИ, добиваться снижения их интенсивности;

– защита расстоянием – источники излучения обносятся ограждением, препятствующим попаданию человека в зону повышенных значений нормирующих величин излучений;

– защита экранированием – осуществляется в случае необходимости присутствия человека в зоне опасного действия ЭМИ в процессе производства.

Экраны бывают коллективной защиты, когда экранируются источники ЭМИ, и индивидуальной защиты, когда экранируется непосредственно человек. К последним относятся специальные экранирующие костюмы, фартуки.

Задачей индивидуального экранирования является уменьшение или устранение ЭМИ внутри замкнутого объёма экрана, коллективный экран решает задачу локализации излучения в месте его возникновения.

В зависимости от поляризации электромагнитной волны экраны бывают электростатические, магнитостатические, электромагнитные.

Электростатические экраны применяются, когда:

– поляризация волны такова, что составляющая магнитного поля ничтожна, мала по сравнению с составляющей электрического поля;

– частота ЭМИ низка настолько, что о распространении ЭМ волны не может идти и речи, волна распространяется за счет электростатической индукции. Принцип действия электростатического экрана показан на рис. 4.

Рис. 4. Принцип действия электростатического экрана

Силовые линии электростатически заряженного тела заканчиваются на экране, индуктируя на нём отрицательный заряд, стекающий через «заземление». Электростатические экраны должны отвечать следующим требованиям:

– в пределе экран не должен иметь отверстий, к этому стремятся для того, чтобы экран перехватывал все электрические силовые поля;

– электрическая проводимость материала экрана должна быть как можно большей, а его соединение с землей должно представлять минимальное сопротивление току с частотой f.

Мерой эффективности действия экрана на различных частотах является коэффициент экранирования:

Кэ = Е / u или Кэ = 20lg дБ

Магнитостатические экраны применяются, когда поляризация волны такова, что составляющая электрического поля ничтожно мала по сравнению с составляющей магнитного поля; частота ЭМИ настолько низка, что о распространении ЭМ волны не может идти речи, и волна распространяет своё действие за счёт ЭМ индукции. Принцип действия магнитостатического экрана при экранировании собственного поля показан на рис. 5. Здесь почти все силовые линии поля катушки индуктивности будут замыкаться через толщу стенок экрана.

К магнитостатическому экрану предъявляются следующие требования:

– начальная магнитная проницаемость материала магнитного экрана должна быть как можно более высокой;

– увеличение толщины стенок экрана приводит к улучшению экранирующих свойств, поскольку магнитное сопротивление экрана уменьшается с увеличением толщины стенок;

– расстояние между магнитным экраном и другими магнитопроводами различных цепей должно быть по возможности наибольшим.

Коэффициент экранирования в этом случае равен:

К_э = U_u / U_uэ или К_э = К = 20lg дБ

где U_u – э.д.с. излучения, наводимая в неэкранированной электрической цепи при наличии внешнего поля;

U_uэ – э.д.с. излучения, наводимая в неэкранированной электрической цепи при наличии внешнего магнитного поля излучения той же самой интенсивности, при которой изменялась э.д.с.

Экранирование магнитных полей с использованием вихревых токов наиболее эффективно на высоких частотах и весьма мало сказывается их действии на низких частотах; одновременно с экранированием магнитных полей происходит так же экранирование электрических полей. Это дает основание назвать данный способ экранирования – электромагнитным экраном.

Простейший ЭМ экран представляет собой замкнутое металлическое кольцо (рис 6).

Рис. 5. Принцип действия магнитостатического экрана

Рис. 6. Простейший ЭМ экран

Результирующий магнитный поток ЭМИ

Ф = Ф₀ – Ф₁

где Ф₀ – поток излучения; Ф₁ -магнитный поток, возникающий в кольце с индуктивностью в результате действия вихревого тока.

ЭМ экраны, действующие на основе использования вихревых токов, можно изготовлять из весьма тонких проводящих материалов, причем эффективность экранирования от этого не уменьшается. Для электромагнитных экраном целесообразнее применять хорошо электрически проводящие материалы, поскольку сопротивление экранов желательно уменьшить. Коэффициент экранирования определяется в виде:

При расчёте экранов основным вопросом является определение толщины материала экрана. Расчет сводится к тому, насколько глубоко в толщу материала проникает высокочастотный ток. Величина, характеризующая проникновение тока в толщу металла, называется эквивалентной глубиной проникновения:

где  – удельное сопротивление материала экрана; f – частота тока ЭМИ.

Для определения толщины стенки h экрана возможны два случая:

h >δ тогда:

и h <δ тогда:

где D – диаметр цилиндрического экрана; b_S = ln экранное затухание; σ – удельная электрическая проводимость материала экрана.

График зависимости К_Э = f(h) показан на рис. 7, причем μ₁ > μ₂.

Экраны сравнительно больших размеров делаются не сплошными, а с перфорированными стенками. При этом перфорация должна быть выполнена так, чтобы не ухудшать резко эффект экранирования. То же самое относится к экранам, в которых имеются отверстия для вывода проводов, для доступа к подстрочному конденсатору или сердечнику промежуточных контуров.

Рис. 7. График зависимости Кэ = f(h)

Во всех экранах отверстия должны быть расположены так, чтобы не препятствовать протеканию вихревых токов в толще экрана. В противном случае сопротивление экрана токам помех возрастает, и эффект экранирования снижается. При этом небольшие размеры отверстия сравнительно мало сказываются на свойствах экрана, а большие сказываются заметным образом.