Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ивановский государственный

энергетический университет имени В.И.Ленина»

Кафедра теоретических основ электротехники и электротехнологий

Электростатическое, магнитное

и электромагнитное экранирование

Методические указания

к лабораторной работе по курсу ТОЭ-3

Иваново 2007

Составители: А.Н.ГОЛУБЕВ,

С.Н.КАДНИКОВ

Редактор М.Г.МАРКОВ

Указания включают в себя необходимые сведения по теории и численному эксперименту на ЭВМ в области исследования различных видов экранирования, а также задание к лабораторной работе.

Утверждены цикловой методической комиссией ЭЭФ

Рецензент

кафедра теоретических основ электротехники и электротехнологий ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина».

Электростатическое, магнитное

и электромагнитное экранирование

Методические указания

к лабораторной работе по курсу ТОЭ-3

Составители: ГОЛУБЕВ Александр Николаевич,

КАДНИКОВ Сергей Николаевич

Редактор Н.С. Работаева

Лицензия ИД № 05258 от 04.07.01 г.

Подписано в печать Формат 60х84

Печать плоская. Усл. печ. л. 1,39. Тираж 75 экз. Заказ

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И.Ленина»

153003 Иваново, ул. Рабфаковская, 34.

Отпечатано в РИО ИГЭУ

Введение

Экранирование является средством защиты различных электротехнических устройств и биологических объектов от вредного влияния электромагнитного поля. При этом экранироваться могут как защищаемые устройства, так и источники внешнего поля. Экранирование бывает пассивное и активное. Пассивное осуществляется с помощью специальных металлических экранов, не подключенных к каким-либо источникам напряжения. Эффект экранирования в этом случае возникает за счет электрических зарядов и токов, индуцированных в экранах. В отличие от этого при активном экранировании по экрану пропускаются токи от специального источника, которые создают встречное поле, компенсирующее действие внешнего помехонесущего поля.

В зависимости от характера помехонесущего поля различают три вида экранирования  электростатическое, магнитное и электромагнитное.

1. Основные понятия и формулы

1. Электростатическое экранирование

Применяется в тех случаях, когда помехи (наводки) вызываются электростатической составляющей поля, создаваемой электрическими зарядами.

Процесс возникновения электростатических помех можно проанализировать, используя понятие частичных емкостей. Пусть проводник 1 на рис.1 (источник помех) находится под переменным напряжениемпо отношению к земле или любому другомупроводнику, потенциал которого принимается равным нулю. Требуется определить напряжение на проводнике 2 (экранируемом объекте). На рис.1 пунктиром изображены частичные емкости , с помощью которых электродную систему (рис.1) можно заменить эквивалентной электрической цепью (рис.2). Используя эту схему, нетрудно найти напряжение помех:

. (1)

Данная формула справедлива и при постоянном, и при переменном напряжении.

Пусть теперь к проводнику 2 подключено комплексное сопротивление . Тогда электродную систему (рис.1) можно заменить электрической схемой (рис.3), из которой следует, что

. (2)

Будем считать, что сопротивлениеявляется параллельным соединением активного сопротивленияR и емкости С (входное сопротивление электронного прибора). Тогда формула (2) примет вид

. (3)

Рассмотрим два предельных случая. Пусть частота и (или) сопротивлениеR малы настолько, что

. (4)

Тогда согласно (3)

. (5)

Если же частота и (или) сопротивлениеR настолько велики, что

, (6)

то

. (7)

Нетрудно увидеть, что во всех рассмотренных вариантах (формулы (1), (5), (7)) величину напряжения помех определяет емкость . Очевидно, что для снижения уровня помех надо уменьшать емкость , это и является целью электростатического экранирования.

Для оценки эффективности экрана используется коэффициент экранирования

,

где  напряжение на экранируемом объекте (приемнике) при отсутствии экрана;  при наличии экрана.

Электростатический экран представляет собой заземленную тонкую металлическую или сетчатую оболочку (замкнутую или незамкнутую), отделяющую экранируемый объект от внешних источников поля. Под заземлением здесь понимается соединение с проводником, потенциал которого может считаться постоянным, например с одним из зажимов источника питания, корпусом и т.д.

Действие электростатического экрана можно качественно проанализировать с помощью картины силовых линий электростатического поля. Пусть между источником помех (проводник 1) и экранируемым объектом (проводник 2) установлен экранЭ в виде тонкого металлического листа, соединенного с землей (рис.4). Как показано на рис.4, экран стягивает на себя большую часть силовых линий, выходящих из проводника 1, и только небольшая часть из них огибает экран и замыкается на проводнике 2. Это определяет соответствующее уменьшение емкости на рис.1.

При отсутствии заземления на стороне экрана, обращенной к проводнику 1, при появятся отрицательные заряды, а на противоположной примерно такие же положительные. Если выделить малый плоский элемент экрана, то сумма зарядов на его противоположных сторонах будет близка к нулю. Силовая линия через такой элемент проходит беспрепятственно, что и означает отсутствие экранирования. В отличие от этого любой малый элемент заземленного экрана имеет вполне определенный заряд, который будет усиливать поле на стороне, обращенной к источнику помех (проводнику 1), и ослаблять его на стороне, обращенной к экранируемому объекту (проводнику 2). Если заземление нарушается, то на экране очень быстро возникает распределение заряда, характерное для незаземленного экрана. Поэтому надежному заземлению экранов всегда уделяется большое внимание.

Чтобы спроектировать электростатический экран, нужно рассчитать электростатическое поле в электродной системе «источник помехэкранэкранируемый объект» и на его основе определить частичные емкости. После этого можно заменить электродную систему эквивалентной электрической цепью, что позволит рассчитать напряжение наводок при любой частоте источника помех и любых сопротивлениях, подключенных к экранируемому объекту (проводнику).

При произвольной форме электродов электростатическое поле и частичные емкости можно рассчитать только с применением численных методов, ориентированных на использование ЭВМ (выполнение настоящей лабораторной работы предусматривает использование программного комплекса ELCUT). В простейших случаях, например в электродных системах из тонких параллельных проводков, они могут быть определены аналитически.

Рассмотрим в качестве иллюстрации методику расчета частичных емкостей в системе двух тонких круглых проводов, расположенных параллельно друг другу и плоскости земли (рис.5). Расчет начинается с определения потенциальных коэффициентов согласно соотношениям:

; (8)

; (9)

; (10)

где - радиусы проводов ;- их длина; - высоты подвеса проводов над землей; - расстояние между проводами; - расстояние между первым проводом и зеркальным отображением второго.

После подсчета частичные емкости определяются по формулам

, (11)

где .

По такой же методике можно рассчитать потенциальные коэффициенты и частичные емкости в системе любого числа тонких проводов [1], [2].

Определение частичных емкостей на основе моделирования электростатического поля на ЭВМ для рассматриваемого случая двух проводников можно осуществить с использованием электростатических уравнений Максвелла с емкостными коэффициентами

(12)

из которых вытекает, что при и ;,а при и- .

Сравнивая уравнения (12) с уравнениями с частичными емкостями

(13)

получаем формулы для искомых частичных емкостей:

. (14)

Таким же способом можно определить частичные емкости в системе любого числа проводников.