Гизатуллин монография 1

лом, с уменьшенной в p раз проводимостью. При такой замене активное сопротивление будет сохраняться неизменным, независимо от изменения физических размеров (что и требуется). Например, при уменьшении физических размеров макрообъекта с проводниками из латуни, можно было бы их заменить на медь. Полученная таким образом масштабная модель полностью бы соответствовала оригиналу. Но на практике, где правила масштабирования физических размеров являются весьма полезным, активное сопротивление играет не существенную роль. Например, как и в случае исследования электромагнитных полей при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты, в случае с элементами с малыми потерями (стоки системы молниезащиты из меди) активное сопротивление пренебрежимо мало. Поэтому, пропорциональное изменение физических размеров модели, при сохранении его электрической и магнитной проницаемости, приводит к пропорциональному изменению величин всех индуктивностей и емкостей, которые и являются определяющими при формировании электромагнитных процессов в оригинале и модели.

Таким образом, предлагается следующая методика экспериментальных исследований магнитных полей внутри зданий при воздействии молнии на систему молниезащиты на основе физического масштабного эксперимента [41]:

1. Выбрать первичные и рассчитать вторичные масштабные коэффициенты. Данные коэффициенты зависят от:

–условий проведения физического эксперимента (например, размеров лаборатории, параметров генераторов импульсного тока);

–параметров здания: геометрических размеров; формы.

–параметров тока разряда молнии.

Вкачестве примера рассмотрим здание с размерами 9×9×12

ми внешней системой молниезащиты с четырьмя токоотводами, расположенными в углах здания, что соответствует инструкции по устройству молниезащиты зданий [94, 108]. Диаметр проводников токоотводов – 10 мм, материал – медь. Исследовалось два вариан-

171

та стен здания: без армирующей сетки (например, кирпичные стены); с армирующей сеткой (например, железобетонные стены).

Размеры ячеек армирующей сетки стен здания – 0,2 ×0,2 м. Введем первичные коэффициенты подобия между оригиналом и масштабной физической моделью и рассчитаем вторичные коэффициенты

(табл. 3.6).

Таблица 3.6

Масштабные коэффициенты физических величин при имитации воздействия разряда молнии

2.Рассчитать значения реальных, расчетных масштабных

иэкспериментальных параметров тока разряда молнии при имитации воздействия на систему молниезащиты здания.

В табл. 3.7 приведены значения реальных, расчетных масштабных и экспериментальных параметров тока разряда молнии при имитации воздействия на систему молниезащиты здания.

172

3. Разработать масштабный физический макет здания, который должен учитывать следующие его особенности (рис. 3.32):

–материал стен здания;

–присутствие окон, дверей;

–конфигурацию и параметры внешней системы молниеза-

щиты;

–точку подключения молниеприемника к токоотводам.

Для проведения экспериментальных исследований по измерению магнитного поля внутри здания при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты здания разработаны специальные экспериментальные стенды, которые включают: генератор импульсного тока (ГИТ) (ток по ГОСТ Р 50649-94); измерительные приборы (осциллограф с полосой пропускания 1 ГГц, частота дискретизации 10 ГГц); исследуемый контур (К5 – 100 мм); макет для анализа магнитных полей внутри здания при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты (рис. 3.32); макет для анализа электромагнитных полей внутри здания при воздействии разряда молнии в ближней зоне (рис. 3.33).

Экспериментальные исследования магнитного поля разряда молнии проведены по следующим задачам: измерение магнитных полей внутри масштабного макета здания со стенами без армирующей сетки при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты; измерение магнитных полей внутри масштабного макета здания со стенами с армирующей сеткой (один слой) при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты; измерение магнитных полей внутри масштабного макета здания со стенами с армирующей сеткой при воздействии магнитного поля разряда молнии в ближней зоне.

Ток разряда молнии для имитации разряда молнии при исследованиях масштабного макета здания следующие: фронт – 1,05 мкс; спад на уровне 50 % – 45 мкс; амплитуда до 32 А (максимальная напряженность магнитного поля создаваемого индукционной катушкой до 28 А/м).

173

Рис. 3.32. Стенд для анализа магнитных полей внутри здания при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты: а, б – эскизы; в – макет здания со стенами без армирующей сетки; г – макет здания с стенами с армирующей сеткой (один слой); А – точка воздействия разряда молнии; ПЗ – « земля» масштабного макета здания

Рис. 3.33. Стенд для анализа магнитных полей внутри здания при воздействии разряда молнии в ближней зоне: 1 – масштабный макет здания; 2 – ПЗ;

3 – изоляционный стол; 4 – индукционная катушка

Измерение напряженности магнитного поля внутри здания осуществляется рамочной антенной ( 100 мм) по трем осям. Точки измерения (9 шт) расположены на одной плоскости (расстояние от стен 0,2 м; между собой 0,25 м), на высоте 0,4 м от уровня земли и позволяют в целом оценить распределение напряженности магнитного поля внутри здания (рис. 3.34).

174

Рис. 3.34. Точки измерения магнитного поля внутри макета здания

4.Обеспечить несимметричное подключение генератораимитатора импульсного тока разряда молнии, при котором точка заземления должна находиться на расстоянии не менее двух максимальных размеров исследуемого здания.

5.Провести серию экспериментальные исследований по измерению магнитных полей внутри масштабного физического макета здания.

Результаты измерения магнитных полей внутри масштабного макета здания со стенами без армирующей сетки и с армирующий сеткой (один слой) при воздействии разряда молнии на внешнею систему молниезащиты здания представлены в табл. 3.8 и 3.9 [41].

Таблица 3.8

Значение напряженности магнитного поля внутри масштабного макета здания

175

Таблица 3.9

Значение напряженности магнитного поля внутри масштабного макета здания

На рис. 3.35 приведены примеры измеренных электромагнитных помех (контур К5) внутри масштабного макета здания при имитации воздействия разряда молнии на внешнею систему молниезащиты здания.

а б

Рис. 3.35. Примеры измеренных электромагнитных помех внутри масштабного макета здания: а – стена без арматурной сетки; б – стена с арматурной сеткой; точка 4; y – составляющая; максимальная амплитуда тока в точки воздействия разряда молнии – 32 А

6. Провести расчет магнитных полей внутри реального здания при воздействии молнии на систему молниезащиты на основе масштабных коэффициентов (рис. 3.36 и 3.37).

Результаты измерения магнитных полей внутри масштабного макета здания со стенами с армирующей сеткой при воздействии магнитного поля разряда молнии в ближней зоне представле-

ны на рис. 3.38 и3.39.

176

Рис. 3.36. Распределение напряженности магнитного поля внутри масштабного макета здания: а – измеренное; б – прогнозируемое; стена без арматурной сетки

Рис. 3.37. Распределение напряженности магнитного поля внутри масштабного макета здания: а – измеренное; б – прогнозируемое; стена с арматурной сеткой

Рис. 3.38. Измеренная электромагнитная помеха: а – на расстоянии 0,5 м

от центральной точки индукционной катушки (при отсутствии макета здания); б – точка 5 внутри масштабного макета здания; контур К5; y – составляющая

177

Рис. 3.39. Величина напряженности магнитного поля внутри масштабного макета здания: а – измеренная на масштабном макете; б – прогнозируемая; y – составляющая; напряженность магнитного поля при отсутствии макета здания – 4,5 А/м

По результатам примера анализа на основе масштабного фи-

зического эксперимента можно сделать следующие выводы:

– уровень напряженности магнитного поля внутри здания

(при отсутствии армирующей сетки) при воздействии разряда мол-

нии (максимальный ток 32 кА) составляет от 710 до 3200 А/м (по 9 точкам измерения внутри здания). Наибольший уровень на-

пряженности магнитного поля наблюдается поблизости от верти-

кального токоотвода, к которому подключен молниеприемник;

– уровень напряженности магнитного поля внутри здания

(в стене присутствует армирующая сетка) при воздействии разряда молнии (максимальный ток 32 кА) составляет от 86 до 372 А/м (по 9 точкам измерения внутри здания). Наибольший уровень на-

пряженности магнитного поля наблюдается поблизости от верти-

кального токоотвода, к которому подключен молниеприемник.

При этом эффективность экранирования по магнитному полю, ар-

мирующей сетки в стене здания составляет от 18,3 до 20,2 дБ;

– уровень напряженности магнитного поля внутри здания

(в стене присутствует армирующая сетка) при воздействии маг-

нитного поля разряда молнии в ближней зоне (максимальная на-

178

пряженность 4,5 кА/м) составляет порядка 520 А/м (по 9 точкам измерения внутри здания). Наибольший уровень напряженности магнитного поля наблюдается поблизости от передней стены зда-

ния со стороны воздействия магнитного поля молнии. При этом эффективность экранирования армирующей сетки стен здания магнитного поля в ближней зоне при разряде молнии составляет

18,7 дБ.

179

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ВНУТРИ ЗДАНИЙ ПРИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

4.1. Снижение помех в межсоединениях печатных плат при широкополосных электромагнитных воздействиях

Дифференциальная пара широко используется в качестве межсоединений быстродействующих цифровых МПП СВТ. На практике, конструктивно, дифференциальная линия передачи реализуется в виде компланарных (рис. 4.1), микрополосковых и полосковых линий связи. Однако у обычных дифференциальных линий связи в МПП все еще есть нерешенные проблемы, такие как перекрестные помехи и электромагнитные излучения. Известна работа [116], в которой для решения данных проблем предлагается применение в качестве дифференциальных линий связи быстродействующих цифровых МПП плоских витых пар. В данной работе также обоснована эффективность их применения с точки зрения целостности сигнала до скорости в несколько Гбит в секунду (рис. 4.2). Но в ней отсутствует сравнительная оценка уровня электромагнитных помех при внешних электромагнитных воздействиях.

В данном разделе работы проводится анализ электромагнитных помех в межсоединениях МПП в виде витых пар при внешних широкополосных электромагнитных воздействиях [295]. Результа-

180