Шпоры ЭМС. 1. Уровень сигнала

2. Краткая характеристика разрядников для защиты от перенапряжений.

билет №14

1. Представление частотных диапазонов в логарифмическом масштабе. Стандартные частотные диапазоны.

В логарифмическом масштабе ширина частотных диапазонов может измеряться в декадах и октавах. Весь технически значимый диапазон неквантовых электромагнитных излучений условно разбит на 12 декад, каждая из которых имеет своё стандартное название.

1. 
   Крайне низкие частоты (КНЧ) – это диапазон 3 – 30 Гц. Им соответствуют декамегаметровые волны (100 – 10)10³ км.
   
2. 
   Сверхнизкие частоты (СНЧ) 30 – 300 Гц. Им соответствуют мегаметровые волны (10 – 1)10³ км.
   
3. 
   Инфранизкие частоты (ИНЧ) 0,3 – 3 кГц. Им соответствуют гектокилометровые волны (1000 – 100) км.
   
4. 
   Очень низкие частоты (ОНЧ) 3 – 30 кГц. Мириаметровые волны (100 – 10) км.
   
5. 
   Низкие частоты (НЧ) 30 – 300 кГц. Километровые волны (10 – 1) км.
   
6. 
   Средние частоты (СЧ) 0,3 – 3 МГц. Гектометровые волны (1000 – 100) м.
   
7. 
   Высокие частоты (ВЧ) 3 – 30 МГц. Декаметровые волны (100 – 10) м.
   
8. 
   Очень высокие частоты (ОВЧ) 30 – 300 МГц. Метровые волны (10 – 1) м.
   
9. 
   Ультравысокие частоты (УВЧ) 0,3 – 3 ГГц. Дециметровые волны (1 – 0,1) м.
   
10. 
    Сверхвысокие частоты (СВЧ) 3 – 30 ГГц. Сантиметровые волны (10 – 1) см.
    
11. 
    Крайне высокие частоты (КВЧ) 30 – 300 ГГц. Миллиметровые волны (микроволны) (10 – 1) мм.
    

Гипервысокие частоты (ГВЧ) 0,3 – 3 ТГц. Децимиллиметровые волны


2. Принцип действия электромагнитных экранов. Количественные показатели качества экранирования.

Если стенка экрана изготовлена из диэлектрика, то внутри стенок будет концентрироваться распределение вектора электрического смещения. За счет этого будет уменьшаться электрическое напряжение между точками внутри полости, если источник воздействующего поля находится вне полости.



Если стенка экрана изготовлена из проводника, то при проникновении в нее электрического поля там начинают протекать электрические токи.

Если на экран воздействует постоянное электрическое поле со стороны окружающего диэлектрика, то оно не может приникнуть вглубь материала экрана, и все точки материала экрана будут иметь равный скалярный электрический потенциал. В этом случае можно приближенно считать, что экран изготовлен из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью, стремящейся к бесконечности.

Если стенка экрана не имеет щелей, то полость экрана оказывается полностью защищенной от воздействия постоянного электрического поля. Возможно незначительное проникновение переменного электрического поля внутрь полости. Электростатические экраны, изготовленные из проводника, обычно заземляются в одной точке.

Магнитные экраны представляют собой полые изделия из ферромагнитного материала. Эти экраны предназначены для защиты некоторой области пространства от воздействия низкоимпедансных полей. Стенка экрана концентрирует распределение магнитной индукции, за счет этого происходит магнитное шунтирование полости, если источник действует вне полости.



Это шунтирование приводит к уменьшению магнитного напряжения между точками внутри полости.

Электромагнитные экраны представляют собой полые изделия из электропроводящего материала. Там могут также применяться диэлектрики и магнитные материалы с высоким значением тангенса угла диэлектрических и магнитных потерь. Принцип действия основан на том, что под действием переменного магнитного поля в материале экрана наводятся вихревые токи, магнитный момент которых направлен против скорости изменения магнитной индукции. Ослабление электромагнитного поля в полости может быть также обусловлено диэлектрическими и магнитными потерями в материале экрана.

Электромагнитные экраны предназначены для защиты некоторой области пространства от воздействия переменных электромагнитных полей. Такие экраны могут заземляться или не заземляться в одной точке.

Если на некоторую область пространства воздействует волновое электромагнитное поле, то при выборе типа экрана следует учитывать свойства электромагнитных волн: их способность отражаться от различных неоднородностей, в том числе и от стенок экранов; следует учитывать также интерференцию и дифракцию этих волн.

Эти физические явления могут приводить к усилению электромагнитного поля в некоторых областях. Для уменьшения этих эффектов в электромагнитных экранах применяются диссипативные материалы, то есть материалы с высоким тангенсом угла диэлектрических и магнитных потерь.

билет №15

1. Классификация источников помех по техническим критериям.

Различают функциональные источники и нефункциональные.

Функциональные источники – это радио- и телепередатчики, которые распространяют электромагнитные волны в окружающую среду в целях передачи информации. К этой группе относятся все устройства, которые излучают электромагнитные волны не для целей коммуникации, но для выполнения своей технической функции, например, генератор высокой частоты для промышленного или медицинского применения, микроволновые устройства радиоуправления.

К нефункциональным источникам относятся автомобильные устройства зажигания, люминесцентные лампы, сварочное оборудование, релейные и защитные катушки, выпрямители тока, контактные и бесконтактные переключатели, проводные линии и компоненты электрических узлов, переговорные устройства, атмосферные разряды, коронные разряды в линиях, коммутационные процессы, разряды статического электричества, быстро меняющиеся токи и напряжения в лабораториях техники высоких напряжений.

Различают также широкополосные и узкополосные источники помех.

Широкополосные – это помехи, обладающие широким частотным спектром, а узкополосные – узким.
2. Краткая классификация электромагнитных полей, воздействующих на электронную аппаратуру и персонал.
Электростатическое поле – это постоянное электрическое поле неподвижных электрических зарядов. Волновое сопротивление таких полей равно бесконечности. С помощью такого поля передается емкостная связь.

Магнитостатическое поле – это постоянное магнитное поле вызванное действием постоянных токов и постоянных магнитов. Волновое сопротивление такого поля равно нулю. С помощью такого поля передается индуктивная связь.

Постоянное электрическое поле в проводящей среде существует в проводниках, полупроводниках и несовершенных изолированных средах. В диэлектриках оно не существует и может воздействовать на биологические объекты только при прикосновении к проводящим деталям или материалам, находящимся под напряжением. С помощью такого поля передается гальваническая связь.

Квазистатическим называют переменное электромагнитное поле, в котором волновой составляющей можно пренебречь. В основном присутствует консервативная составляющая. Существовать эти поля могут в любых средах (проводящей или не проводящей).

Переменным электрическим полем называется изменяющееся во времени электрическое поле, в котором можно пренебречь волновой составляющей. Волновое сопротивление таких полей больше волнового сопротивления среды.

Переменное электрическое поле и электростатическое поле называются высокоимпедансными.

Переменное магнитное поле – это изменяющееся во времени магнитное поле, в котором волновой составляющей можно пренебречь. Волновое сопротивление такого поля меньше волнового сопротивления среды.

Переменное магнитное поле и магнитостатическое поле относятся к низкоимпедансным полям.

В квазистатических полях всегда можно пренебречь магнитной составляющей, вызванной токами смещения. Квазистатическое поле существует в ближней зоне излучения.

Волновые поля можно считать общими случаями переменных электромагнитных полей, в которых нельзя пренебречь волновой составляющей. Они существуют во всех зонах излучения, но преимущественно в средней и дальней зонах.

Данная классификация электромагнитных полей обуславливает выбор типов экранов для защиты электронного оборудования и биологических объектов от их воздействия

билет №16

1. Краткая характеристика источников узкополосных помех.

К ним относятся передатчики связи:

- коммерческие (радио с АМ и ЧМ, телевидение).

- радиотелефоны.

- спутник радиосвязи и наземная релейная радиостанция.

- средства связи для навигации, локаторы.

- генераторы высокой частоты для технологических и медицинских нужд.

- сети электроснабжения.
2. Краткая классификация электромагнитных экранов по виду подавляемых электромагнитных полей.

Существуют электростатические, магнитные и электромагнитные экраны.

Электростатические экраны представляют собой полые изделия либо из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, либо из проводника. Эти экраны предназначены для защиты некоторой области пространства от воздействия высокоимпедансных полей.

билет №17

1. Краткая характеристика источников широкополосных импульсных помех.

К ним относятся:

- автомобильные устройства зажигания.

Эти устройства предназначены для формирования импульсов высокого напряжения, чтобы вызывать пробои воздуха и тем самым поджигать горючую смесь в двигателе внутреннего сгорания. Эти импульсы высокого напряжения формируются за счет коммутационных процессов в индуктивной катушке.

Типичные плотности амплитуд помех по напряженности электрического поля вблизи городских улиц за счет источника помех лежат в пределах от -20 до +20 дБ по отношению к микровольту на метр на килогерц (мкВ/мкГц).

Частота помехи достигает гигагерцового диапазона.

- газоразрядные лампы.



При включении в стартере в лампе возникает тлеющий разряд, за счет чего выделяется тепло, деформируется биметаллический электрод, который замыкает цепь тока спирали накала обоих главных электродов люминесцентной лампы. Одновременно замкнутый контакт гасит тлеющий разряд в стартере. После охлаждения биметаллического электрода ключ стартера вновь размыкается. Разрыв приводит к возникновению на катушке индуктивности напряжения самоиндукции. Оно составляет несколько киловольт. Это напряжение зажигает между предварительно нагретыми главными электродами лампы газовый разряд.

При последовательных прохождениях тока через ноль, разряд в лампе затухает, но затем периодически зажигается вновь при каждом полупериоде напряжения сети.

Люминесцентные лампы низкого напряжения создают помехи не только при включении вследствие появления первого или нескольких импульсов напряжения сравнительно большой амплитуды, но также при работе в результате периодических затуханий и новых зажиганий разряда, или после каждого прохождения тока через ноль при амплитуде напряжения в несколько сотен вольт.

Помехи появляются преимущественно вдоль проводов питания ламп.

Типичные значения содержания высших гармоник тока питания:

90% - 3 гармоника

75% - 5 гармоника

60% - 7 гармоника

Коллекторные двигатели:

Механизм возникновения высоковольтных импульсов напряжения здесь приблизительно такой же, как в устройствах автомобильного зажигания, то есть коммутационные процессы в индуктивных цепях.

Воздействие линий высокого напряжения:

На поверхности проводов фаз ВЛ высоких и сверхвысоких напряжений напряженность электрического поля в отдельных местах превышает значение электрической прочности воздуха. В результате этого происходят частичные разряды (импульсный ток). Следовательно, возникает импульсное поле.

Еще одним источником помех являются искровые разряды между неплотно соединенными металлическими частями или между металлическими частями и поверхностями изоляторов. Спектры таких помех простираются до очень больших частот (ОВЧ→УВЧ) и вызывают помехи телевизионному вещанию. Помехи от ВЛ ВН сильно зависят от погоды и формы верхней части опор.

К источникам широкополосных переходных помех относятся разряды статического электричества, коммутационные процессы в индуктивных цепях, переходные процессы в сетях низкого и высокого напряжения.

К этому же классу помех относятся электромагнитный импульс молнии и электромагнитный импульс ядерного взрыва.

2. Материалы электромагнитных экранов.

Электромагнитные экраны представляют собой полые изделия из электропроводящего материала. Там могут также применяться диэлектрики и магнитные материалы с высоким значением тангенса угла диэлектрических и магнитных потерь. Принцип действия основан на том, что под действием переменного магнитного поля в материале экрана наводятся вихревые токи, магнитный момент которых направлен против скорости изменения магнитной индукции. Ослабление электромагнитного поля в полости может быть также обусловлено диэлектрическими и магнитными потерями в материале экрана.

Электромагнитные экраны предназначены для защиты некоторой области пространства от воздействия переменных электромагнитных полей. Такие экраны могут заземляться или не заземляться в одной точке.

Если на некоторую область пространства воздействует волновое электромагнитное поле, то при выборе типа экрана следует учитывать свойства электромагнитных волн: их способность отражаться от различных неоднородностей, в том числе и от стенок экранов; следует учитывать также интерференцию и дифракцию этих волн.

Эти физические явления могут приводить к усилению электромагнитного поля в некоторых областях. Для уменьшения этих эффектов в электромагнитных экранах применяются диссипативные материалы, то есть материалы с высоким тангенсом угла диэлектрических и магнитных потерь.

билет №18

1. Разряды статического электричества.

Явление статического электричества наблюдается обычно в диэлектриках. Если в диэлектрике химическая связь ионная, то из-за несовершенства структуры вещества количество положительных и отрицательных ионов в единице объема вещества не одинаково. Это означает, что практически любое диэлектрическое тело с ионной связью изначально обладает электрическим зарядом, вокруг которого существует электростатическое поле.

В реальных условиях этот заряд обычно компенсируется зарядами из окружающей среды, которые осаждаются на поверхности диэлектрика. В результате, электростатическое поле вокруг такого тела отсутствует.

Если в диэлектрике химическая связь ковалентная, то диэлектрик может обладать ненулевым электрическим дипольным моментом и, вследствие этого, создает вокруг себя электростатическое поле. В реальных условиях из окружающей среды на поверхности такого диэлектрика осаждаются компенсирующие заряды, таким образом, что электрическое поле вокруг такого тела становится равным нулю.

Механическое взаимодействие тел может приводить к снятию компенсирующих зарядов с соответствующих поверхностей и появлению в окружающем пространстве электрического поля, которое может наводить помехи на входах электрических устройств. Это электрическое поле в некоторых случаях может привести к пробою диэлектрика (например, воздуха).

Разряды, связанные с этим пробоем, формируют в пространстве электромагнитные импульсы, которые также передают помехи.

Полное внутреннее сопротивление источника от 1 до 30 кОм.

Суммарная индуктивность пути разряда 0,3 – 1,5 мкГн.

Емкость составляет от 100 до 300 пФ.

Максимальное напряжение до 15 кВ.

Максимальный ток импульса разряда до 30 А.

Скорость нарастания тока от 2 до 35 А/нс.

Примерная форма импульса тока при разряде электричества:

Примерная форма импульса тока Спектральная характеристика:

при разряде электричества:


2. Вспомогательные элементы экранов.

билет №19

1. Коммутация токов в индуктивных цепях, переходные процессы в электрических сетях.









2. Уплотнение между элементами экрана.




билет №20

1. Электромагнитный импульс молнии, электромагнитный импульс ядерного взрыва.

Как и при ударах молнии, при взрыве в КЛ и ЛЭП индуцируются очень высокие напряжения, которые вследствие гораздо большей скорости изменения не могут быть снижены обычными разрядниками. В этом случае могут помочь лишь защитные мероприятия, заключающиеся в использовании параллельного включения ограничивающих перенапряжение элементов, основанных на различных физических принципах. Помочь может также тщательное высокочастотное экранирование и переход на оптический способ передачи информации.

Для защиты от электромагнитного импульса ядерного взрыва требуются защитные устройства, обладающие более высоким быстродействием, чем устройства для защиты от электромагнитного импульса молнии.

1. 
   Молния: Т_ч=10 мкс, τ=350 мкс;
   
2. 
   Ядерный взрыв: Т_ч=5 нс, τ=200 нс;
   

f₁=0,3 кГц, f₂=80 кГц;

f₁=640 кГц, f₂=76 МГц.

2. Трубчатые отверстия. Сотовые окна. Перфорированные стенки экранов.

билет №21

1. Гальваническая связь через цепи питания.

Гальваническая связь возникает, если некоторое полное сопротивление оказывается общим для двух или нескольких контуров.

Различают гальваническую связь рабочих контуров через цепь общего питания от одного источника и гальваническую связь между рабочими контурами через контур заземления.

Для любой линейной электрической цепи справедливо матричное уравнение относительно контурных токов.

[Z^(к)][^(к)]=[^(к)]
Будем считать, что ветви связи – это ветви с приемниками электрического сигнала, а ветви дерева – все остальные ветви (масса и т.д.).

Наличие общего сопротивления контуров приводит к появлению внедиагональных членов матрицы [Z^(к)]. Каждый внедиагональный член этой матрицы является коэффициентом передачи от изменения тока в одном из приемников к изменению напряжения в другом приемнике.

Напряжение помехи формируется при изменении тока в другом рабочем контуре или в контуре заземления.

Для снижения гальванических влияний требуется либо гальваническая развязка контуров, либо снижение до допустимого значения общего сопротивления контуров.

Пусть имеется 1 источник сигнала и несколько приемников, соединенных с источником одной двухпроводной линией.



В этом случае общее сопротивление контуров, образованных в каждом из приемников, равно:



Если для передачи сигнала к каждому приемнику использовать отдельную линию, то общее сопротивление рабочих контуров будет уменьшаться.




В этом случае общее сопротивление рабочих контуров:



То есть сопротивления проводов линии не будут участвовать в гальванической передаче помех от одного рабочего контура к другому.

Через контур заземления чаще всего распространяется синфазная помеха, для борьбы с распространением которой часто применяется гальваническая развязка. Для уменьшения гальванического влияния через общую линию в некоторых случаях применяются меры для снижения индуктивности линии.


2. Краткая характеристика математических методов моделирования электромагнитных полей в системах с экранами.

билет №22

1. Гальваническая связь через контур заземления.

2. Краткая характеристика программного обеспечения для расчетов электромагнитных полей в системах с экранами.

билет №23

1. Краткая классификация гальванически развязывающих устройств.




2. Влияние полей, создаваемых устройствами электроэнергетики, на биологические объекты.

билет №24

1. Простейшие устройства симметрирования.

Проблема симметрирования возникает при необходимости подключения устройств с симметричными выходными клеммами к устройствам с несимметричными входными клеммами, или наоборот. Напомним, что симметричным называется двухполюсный вход или выход многополюсника, напряжения на клеммах которого по отношению к телу нулевого потенциала (в дальнейшем  экрану) равны по величине и обратны по знаку. Таким образом, проблема симметрирования относится главным образом к устройствам, в которых используются электромагнитные волны типа ТЕМ, так как только для этих волн понятие напряжения может иметь смысл. В частности, двухпроводная линия с волной типа ТЕМ называется симметричной, если в каждом ее сечении напряжения проводов по отношению к экрану равны по величине и противоположны по знаку. При этом токи в проводах линии в каждом сечении также равны по величине и противоположно направлены.

Непосредственное соединение симметричного и несимметричного устройств, как правило, недопустимо, ибо ведет к различным нарушениям в работе радиолинии. Например, непосредственное подключение к симметричному полуволновому вибратору коаксиального кабеля, как показано на рис 18.6, приводит к несимметричному распределению тока и заряда на вибраторе, к изменению его входного сопротивления (вибратор расстраивается), а также к появлению тока I_ф на наружной оболочке кабеля, который представляет собой разность противофазных токов, наведенных на оболочке кабеля полями от неодинаково возбужденных плеч вибратора.

Электромагнитное поле, излученное током Iф, искажает диаграмму направленности антенны, снижая ее КНД и к.п.д. в режиме передачи и уменьшая помехозащищенность радиолинии в режиме приема. Эти нежелательные последствия непосредственного соединения несимметричного кабеля с симметричной антенной называются антенным эффектом фидера. Антенный эффект возникает и в симметричной двухпроводной линии, когда она непосредственно подключается к несимметричному устройству или же несимметрично расположена относительно окружающих предметов. При этом токи в проводах линии будут разными, возникает разностный ток, который интенсивно излучает.



Симметрирующее устройство представляет собой четырехполюсник с одной парой несимметричных и одной парой симметричных клемм. В дальнейшем будем рассматривать симметрирующие устройства с несимметричными входными и симметричными выходными клеммами.

Симметрирующее устройство обеспечивает получение на выходных клеммах равных и противофазных напряжений по отношению к экрану (в том числе и по отношению к экрану коаксиального кабеля  его наружной оболочке). Если теперь к симметричному выходу подключить нагрузку (антенну, линию передачи), имеющую электрическую симметрию относительно экрана, то токи в экране наводиться не будут, так как симметрично расположенные элементы этих нагрузок наведут на симметрично расположенных участках экрана равные по величине и противоположно направленные токи.
2. Нормы по допустимым напряжённостям электрических и магнитных полей для персонала и населения.
Предельно допустимые уровни напряженности электрического поля 50 Гц

3.4.2.1. Предельно допустимый уровень напряженности ЭП на рабочем месте в течение всей смены устанавливается равным 5 кВ/м.

3.4.2.2. При напряженностях в интервале больше 5 до 20 кВ/м включительно допустимое время пребывания в ЭП Т (час) рассчитывается по формуле:

                          Т = (50/Е) - 2, где

     Е - напряженность ЭП в контролируемой зоне, кВ/м;

     Т - допустимое время пребывания  в  ЭП  при соответствующем  уровне напряженности, ч.

3.4.2.3. При напряженности свыше 20 до 25 кВ/м допустимое время пребывания в ЭП составляет 10 мин.

3.4.2.4. Пребывание в ЭП с напряженностью более 25 кВ/м без применения средств защиты не допускается.

3.4.2.5. Допустимое время пребывания в ЭП может быть реализовано одноразово или дробно в течение рабочего дня. В остальное рабочее время необходимо находиться вне зоны влияния ЭП или применять средства защиты.

3.4.2.6. Время пребывания персонала в течение рабочего дня в зонах с различной напряженностью ЭП (Т_пр) вычисляют по формуле:

, где

     Т_пр  - приведенное время, эквивалентное  по  биологическому  эффекту ребыванию в ЭП нижней границы нормируемой напряженности;

     T_Е1 , t_Е2 , ... t_Еn  -  время  пребывания  в контролируемых  зонах с апряженностью E1, Е2, ... En, ч;

     T_Е1 , T_Е2, ...T_Еn - допустимое время пребывания для соответствующих онтролируемых зон.

Приведенное время не должно превышать 8 ч.

3.4.2.7. Количество контролируемых зон определяется перепадом уровней напряженности ЭП на рабочем месте. Различие в уровнях напряженности ЭП контролируемых зон устанавливается 1 кВ/м.

3.4.2.8. Требования действительны при условии, что проведение работ не связано с подъемом на высоту, исключена возможность воздействия электрических разрядов на персонал, а также при условии защитного заземления всех изолированных от земли предметов, конструкций, частей оборудования, машин и механизмов, к которым возможно прикосновение работающих в зоне влияния ЭП.

Предельно допустимые уровни напряженности периодического магнитного поля 50 Гц

3.4.3.1. Предельно допустимые уровни напряженности периодических (синусоидальных) МП устанавливаются для условий общего (на все тело) и локального (на конечности) воздействия (таблица 2).

Таблица 2

ПДУ воздействия периодического магнитного поля частотой 50 Гц

Время пребывания, час	Допустимые уровни МП, Н [А/м] / В [мкТл] при воздействии
	Общем	локальном
<= 1	1600 / 2000	6400/8000
2	800 / 1000	3200 / 4000
4	400 / 500	1600 / 2000
8	80 / 100	800 / 1000

3.4.3.2. Допустимая напряженность МП внутри временных интервалов определяется в соответствии с кривой интерполяции, приведенной в Приложении.

3.4.3.3. При необходимости пребывания персонала в зонах с различной напряженностью (индукцией) МП общее время выполнения работ в этих зонах не должно превышать предельно допустимое для зоны с максимальной напряженностью.

3.4.3.4. Допустимое время пребывания может быть реализовано одноразово или дробно в течение рабочего дня.

3.4.4. Предельно допустимые уровни напряженности импульсного магнитного поля 50 Гц

3.4.4.1. Для условий воздействия импульсных магнитных полей 50 Гц (таблица 3) предельно допустимые уровни амплитудного значения напряженности поля (Н_ПДУ) дифференцированы в зависимости от общей продолжительности воздействия за рабочую смену (Т) и характеристики импульсных режимов генерации:

Режим I - импульсное с тау_И >= 0,02 с, t_П <= 2 с,

Режим II - импульсное с 60 с >= тау_И >= 1 с, t_П > 2с,

Режим III - импульсное 0,02 с <= тау_И < 1 с, t_П > 2с,

где тау_И - длительность импульса, сек.,

t_П - длительность паузы между импульсами, сек.