Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые сети доступа технологии xDSL
.pdf
дящие материалы – за счет отражения. Для магнитного экранирования целесообразно применять материалы, обладающие
высокой магнитной проницаемостью, например гайперник,
пермаллой и т.п.
Эффективность экранирования защитных экранов от источников электромагнитных помех представлена в табл. 3.1
[109].
Та блица 3.1
Эффективность экранирования защитных экранов
Потери на
Материал
экрана
Магнитный
µ = 1000
G = 0,1
Немагнитный
µ = 1000
G = 0,1
* Для расстояния 1 м между источником помех и экраном; d = 0,8 мм;
r = 3 м.
Частота,
кГц
1–10
10–100
1–10
10–100
поглощение
для всех ви-
дов поля, дБ
30–90
≤90
≤10
10–30
Потери на отражение, дБ
магнит-
ного
поля*
≤30
10–30
30–60
30–60
электри-
ческого
поля
≤90
≤90
≤90
≤90
плоской
волны
≤90
60–90
≤90
≤90
В зависимости от напряженности поля источника электромагнитных помех обычно требуемая эффективность защитного экрана лежит в пределах 50–100 дБ [110]. Выбор экранирующего материала – очень важный фактор в эффективности
защитного экрана. Так, на частотах ниже 30 МГц и особенно
ниже нескольких МГц необходимо применять только магнитные материалы. На частотах ниже 10 кГц – материалы с высокой или очень высокой магнитной проницаемостью. На
частотах выше 30 МГц наиболее целесообразно использовать
защитные экраны, выполненные из меди или алюминия, в том
числе и при защите от Н-составляющих.
91
3.3. Расчет эффективности экранирования
Ао
Ап
А
цифровых кабелей от внешних
электромагнитных помех
Рассмотренные выше исследования справедливы лишь для
экранирования симметричных цепей, находящихся в общей
скрутке кабеля, когда отсутствует влияние земли, а расстояние
между токопроводящими жилами dж, как правило, меньше,
чем расстояние от цепи до земли h. В этом случае экранирующий эффект был обусловлен лишь затуханием поглощения Ап
и затуханием отражения Ао (эти явления связаны с вихревыми
поперечными токами в экранирующей оболочке).
В условиях действия внешних источников электромагнитных помех, например мощных радиостанций, контактных
цепей электрофицированного транспорта, высоковольтных
линий электропередачи и других систем, создающих внешнее
мешающее поле, необходимо учитывать экранирующее действие, обусловленное продольными токами, протекающими в
экранирующей оболочке (экране) Ат (рис. 3.6) [11].
Рис. 3.6. Схематическое изображение составляющих экранирующе-
го эффекта от внешних электромагнитных помех
Продольные токи, наводимые токами внешних электромагнитных помех, создают в экранирующей о болочке обратное
поле реакции, ослабляющее поле помех. В случае заземления
92
экранирующей оболочки экранирующий эффект, обусловленный продольными токами, достигает значительной величины.
При влиянии внешних источников электромагнитных
помех экранирующий эффект металлических оболочек будет
определяться выражением
А
= Ап + Ао + Ат.
э
Проанализируем экранирующее действие, обусловленное
продольными токами в металлической оболочке, протекающими по цепи земля–оболочка–земля.
Согласно [16], коэффициент экранирования металлической оболочки кабеля относительно внешних электромагнитных помех может быть определен из выражения:
12Zоб
-1
,
где Z
К
= Z
э.вн
– сопротивление связи экранирующей оболочки;
12
Zоб – полное сопротивление цепи оболочка–земля.
Величина Zоб складывается из собственного сопротивления экранирующей оболочки Zэ и сопротивления Zвн, обусловленного магнитным полем, вызванным током, протекающим
по оболочке:
Z
+ Zвн = Zэ + jωLвн,
об = Zэ
где Lвн – внешняя индуктивность цепи оболочка–земля.
То гда
К
= Z12(Zэ + jωLвн)-1,
э.вн
или
К
э.вн
= (Z12Z
-1
)[Zэ(Zэ + jωLвн)-1].
э
Затухание уровня помехи, вызванное экранированием,
может быть определено из выражения:
А
= 8,7Ln|К
э.вн
-1
| = Ln|ZэZ
э.вн
-1
| + 8,7Ln|1 + jωLвнZ
12
-1
|.
э
Первое слагаемое данного выражения соответствует затуханию поглощения защитного экрана Ап.
Выразим сопротивление связи и сопротивление оболочки, соответственно, через выражения:
Z
12
= [2π(r
1r2
0,5]-1
)
Zм(sh kd)-1;
93
0,5]-1
Zм(th kd)-1,
где Zм = (jωµ/σ)
(jωµσ)
0,5
– коэффициент вихревых токов; d – толщина экрани-
Z
= [2π(r2)
э
0,5
– волновое сопротивление металла; k =
рующей оболочки; r1, r2 – внутренний и внешний радиусы оболочки.
То гда
Ап = 8,7Ln|ZэZ
-1
| = 8,7Ln|ch kd|.
12
Затухание экранирования оболочки в режиме защиты от
внешних помех будет
А
= 8,7Ln|ch kd| + 8,7Ln|1 + jωLвнZ
э.вн
= 8,7Ln|ch kd| + 8,7Ln|1 + jωLвн2πr(th kd)Z
-1
| =
э
-1
|.
м
Это выражение состоит из всех трех составляющих экранирующего действия
А
= Ап + Ао + Ат.
э.вн
Затухание этой же оболочки в режиме защиты от взаимных помех симметричных цепей может быть найдено из выражения:
А
= 8,7Ln|ch kd| + 8,7Ln|1 + 0,5Z
э
дZм
-1
th kd|,
где первый член характеризует затухание поглощения Ап,
а второй – затухание отражения Ао, т. е.:
А
= Ап + Ао.
э
То гда можно записать
А
= Аэ + Ат. (3.15)
э.вн
Определим величину Ат. Исходя из выражения (3.15), запишем
Ат = 8,7Ln|[1 + jωLвн2πrZ
-1
th kd][1 + 0,5ZдZ
м
-1
th kd]|. (3.16)
м
Преобразуем выражение (3.16) применительно к высокочастотной области, когда kd > 3 (начиная примерно от 10 кГц),
94
учитывая при этом, что второе слагаемое в числителе и знаменателе выражения (3.16) значительно больше единицы, т. е.:
А
= 8,7Ln|[jωLвн2πrZ
т
-1
th kd][0,5Z
м
= 8,7Ln|jωLвн4πrZ
-1
th kd]| =
дZм
-1
|. (3.17)
д
Зная, что волновое сопротивление диэлектрика
Z
= jωµ
д
r,
о
запишем
Ат = 8,7Ln|4πLвнµ
-1
| = 8,7Ln|4πLвн(4π×10-7)-1| =
о
= 8,7Ln|Lвн×107|, неп.
Здесь Lвн – внешняя индуктивность цепи оболочка–земля,
определяемая по формуле
Lвн = [8,7Ln(1,72/ωµзσзhкD) – jπ/2]10-7, Гн/м,
где hк – глубина заложения кабеля, м; D – диаметр кабеля,
мм; σз – удельная проводимость земли, сим/м; µз – магнитная
проницаемость земли, равная µо = 4π×10-7 Гн/м.
Та к как внешняя индуктивность оболочки для тональных
частот примерно 2×10-7 Гн / м, получим затухание экранирования за счет продольных токов:
А
= 8,7Ln|Lвн×107| = 8,7Ln|[2×10-6×107)-1| = 26 дБ.
т
На рис. 3.7 приведены расчетные величины Ат в зависимости от частоты, выполненные для медного экрана диаметром 30 мм и толщиной 0,2 мм, а также зависимости Аэ и А
э.вн
.
Из представленных зависимостей видно, что в режиме
защиты от внешних помех А
экранирующая оболочка имеет
э.вн
более высокие экранирующие свойства, чем в режиме защиты
от взаимных помех симметричных цепей Аэ. Превышение составляет 17,4–21,7 дБ во всем диапазоне частот. Оно обусловлено величиной затухания экранирования продольных токов
Ат. На высоких частотах величина Ат определяется лишь вне-
шней индуктивностью цепи оболочка–земля.
95
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10 40 80 120 160 200 240 280 320 360 f, кГ ц
А
т
, дБ
Аэ.вн Аэ Ат
А
э.вн
Аэ
Ат
Рис. 3.7. Экранирующие действия защитной оболочки в режимах
защиты от внешних А
и от взаимных Аэ помех
э.вн
С увеличением частоты экранирующие характеристики
А
э.вн и Аэ
возрастают, а значения величины Ат начинают принимать медленно спадающий характер. Как показывают расчеты,
до частоты 15–20 кГц преобладает затухание экранирования
за счет продольных токов Ат, выше этой частоты сказывается
эффект поперечных вихревых токов Аэ.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод,
что, зная эффективность экрана от взаимных помех симметричных цепей (Аэ = Ап + Ао), можно определить характеристики этого экрана в режиме защиты от внешних помех путем
прибавления величины Ат (А
= Аэ + Ат).
э.вн
3.4. Расчет эффективности экранирования
ботают в условиях интенсивного воздействия различного рода
электромагнитных помех. В связи с этим перед разработчиками и эксплуатационниками стоит весьма актуальная задача,
96
составных экранов
Как было отмечено в первой главе, цифровые кабели ра-
связанная с созданием кабелей, влияние помех на которые
было бы минимальным. Одним из решений этой задачи является использование электромагнитных экранов с комбинированной многослойной структурой. Как правило, такие экраны состоят из последовательно чередующихся немагнитных
(медь, алюминий) и магнитных (сталь) слоев. Главное достоинство таких экранов – высокая экранирующая эффективность и сравнительно малые потери энергии. Объясняется это
следующим образом.
В однородных экранах экранирующий эффект определяется совместным действием экранирования поглощения и
экранирования отражения на границах диэлектрик–металл–
диэлектрик. Эффект отражения обусловлен несоответствием
волновых характеристик сопрягаемых сред (Zд и Zм), и чем
больше это несоответствие, тем больше экранирующее действие.
В многослойных экранах, составленных из металлов с
разными волновыми сопротивлениями Zм, действует целая
система таких многократных отражений от границ электрических несоответствий (Z
м.1
≠ Z
м.2
≠ Z
м.3
≠ Z
и т.д.). Поэтому
м.4
экран, состоящий из нескольких тонких слоев различных металлов, будет обладать большей эффективностью экранирования, по сравнению с однородным экраном эквивалентной
толщины [11].
Большое влияние на эффективность экранирования
оказывает не только порядок расположения слоев и их электрическое сочетание, но и соотношение толщины слоев и их
место по отношению к влияющей цепи. Например, сочетание
сталь–медь–алюминий дает гораздо меньший эффект, чем
медь–сталь–алюминий. Если внешние слои многослойного экрана выполнены из немагнитных материалов, то потери в нем
относительно невелики.
97
Наибольшее распространение в цифровых кабелях получили двухслойные защитные экраны. Экранное затухание в
таких экранах может быть вычислено из выражения
-1
А
= 8,7Ln|(1 – К
э.12
Здесь К
р.э.1
, К
р.э.2
и К
р.э.1Кр.э.2)Кэ.1
, К
– соответственно, коэффициен-
э.1
э.2
-1
К
э.2
| = А
п.12
+ А
. (3.18)
о.12
ты реакции и экранирования первого и второго слоев экрана;
А
, А
п.12
– соответственно, экранное затухание поглощения и
о.12
отражения, определяемые как
-1
А
= 8,7Ln|К
п.12
А
э.п.1
= 8,7Ln|(1 – К
о.12
= 8,7Ln|1+0,5(К
+ 0,5(К
К
э.п.2
z.1+Кz.1
z.3+Кz.3
-1
| =8,7Ln|ch k1d1 ch k2d 2|; (3.19)
-1
-1
К
р.э.1Кр.э.2)Кэ.о.1
-1
)th k1d1 +0,5(К
-1
)th k1d1 th k2d2 |, (3.20)
z.2+Кz.2
э.о.2
| =
-1
)th k2d2 +
где k1, k2 и d1, d2 – соответственно, параметры 1-го и 2-го
слоев экрана.
Из этих выражений видно, что по своей структуре формулы для расчета экранирующих свойств составного экрана аналогичны формулам для расчета экранирования однослойных
экранов. Так, экранное затухание А
тухания, вызванного поглощением в металле А
затухания, вызванного отражением А
состоит из экранного за-
э.12
и экранного
п.12,
.
о.12
Экранное затухание поглощения включает произведение
гиперболических косинусов соответствующих параметров
(kd) первого и второго слоев защитного экрана и равно сумме
затуханий поглощения обоих слоев экрана.
Экранное затухание отражения содержит несколько составляющих, которые обусловлены отражением на соответствующих границах сред:
0,5(К
0,5(К
0,5(К
z.1+Кz.1
z.2+Кz.2
z.3+Кz.3
-1
)th k1d1 – диэлектрик–первый слой экрана;
-1
)th k2d2 – второй слой экрана–диэлектрик;
-1
)th k1d1 th k2d2 – первый слой экрана–второй
слой экрана.
98
Согласно [11], абсолютные значения данных выражений
0
5
10
15
20
25
30
35
Затухание отражения А
o
, дБ
Воздух–медь Воздух–сталь Медь–сталь
обусловлены соотношениями волновых сопротивлений сопрягаемых сред. Чем больше его несоответствие, тем больше
значения Кz и выше экранирующий эффект.
На гистограммах (рис. 3.8) представлены роль и удельная
значимость различных сопряжений в общем экранирующем
эффекте многослойного защитного экрана конструкции медь–
сталь, с толщиной слоев по 0,1 мм при частоте 100 кГц, относительно магнитного поля.
Заметим, гистограммы строились из условий, что Zд =
= 13,8×10
–1
К
= 8,7×10
Z.1
= 27,5 (К
-3
Ом; Z
-3
(К
= 3,6×10-2).
Z.3
= 0,12×10
меди
= 115); К
Z.1
-3
Ом; Z
–1
= 2,4×10
Z.2
= 3,3×10
стали
-1
(К
-3
= 4,2); К
Z.2
Ом. Тогда
–1
=
Z.3
Анализ гистограмм показывает, что затухание отражения
на соответствующих границах равно: 32,1 дБ – воздух–медь;
9,6 дБ – воздух–сталь; 19,1 дБ медь–сталь. Вместе все сопряжение (воздух–медь–сталь–воздух), согласно (3.20), дает всего
35,9 дБ.
Рис. 3.8. Затухание отражения на границах многослойного защит-
ного экрана конструкции медь–сталь
99
Та ким образом, наибольший экранирующий эффект создает граница диэлектрик–медь. Как видим, эффект граничного несоответствия диэлектрик–сталь весьма мал. Отражение
на границе раздела металлов обеспечивает несколько больший
эффект, чем на границе диэлектрик–сталь.
При одном слое (d2 = 0) анализируемая формула экранирования составных экранов принимает вид, свойственный однослойным экранам:
А
= Аэ = 8,7Ln| ch kd [1 + 0,5(К
э.12
z
+ К
-1
)th kd]|.
z
В том случае, если оба слоя выполнены из одного металла,
имеющего одинаковую толщину (k1d1 = k2d2 = kd), то
А
= 8,7Ln| ch2kd[1+0,5(Кz +К
э.12
= 8,7Ln| ch2kd[1+0,5(Кz +К
-1
)th kd + th2kd]| =
z
-1
)th2kd]|.
z
Отсюда видно, что двухслойный экран, выполненный из
однородных металлов (d1 + d2), дает тот же эффект, что и однослойный экран с удвоенной толщиной 2d.
Экранирующие характеристики двухслойного экрана А
э.12
можно выразить через экранирующие характеристики однослойных экранов, входящих в составной экран А
э.1
и А
э.2
.
Та к как
K
э.12
= K
э.1Kэ.2
(1 – K
р.э.1Kр.э.2
–1
)
,
то
-1
А
= 8,7Ln|(1 – K
э.12
р.э.1Kр.э.2
) K
э.1
-1
K
э.2
| = А
э.1
+ А
+ Ар,
э.2
где
А
= 8,7Ln|K
э.1
А
= 8,7Ln|K
э.2
-1
| = 8,7Ln|ch k1d1[1+0,5(K
э.1
-1
| = 8,7Ln|ch k2d2[1+0,5(K
э.2
z.1+Kz.1
z.2+Kz.2
-1
)th k1d1]|;
-1
)th k2d2]|.
Параметр Ар – это затухание взаимодействия (реакции)
между слоями экрана:
Ар = 8,7Ln|1 – К
+ 0,5(К
z.2+Кz.2
-1
р.э.1Кр.э.2
| = 8,7Ln|{1+0,5(К
)th k2d2 + 0,5(К
z.3+Кz.3
z.1+Кz.1
-1
)th k1d1 th k2d2 } ×
-1
)th k1d1 +
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]