Общая информация об экранировании

Вам нужна помощь в части квалифицированного экранирования вашего оборудования?
Мы с удовольствием поможем вам в проектировании и выборе необходимых компонентов. Свяжитесь с нами!



Тестовая лаборатория по ЭМС
Изображение электрических и магнитных полей

Магнитные и электрические поля

Как возникают электромагнитные помехи от внешних полей?

От источника напряжения (U) по проводам подается питание на потребитель (Z). При этом между положительными и отрицательными проводниками возникают разности потенциалов, которые приводят к созданию электрического поля между проводниками. Вокруг находящегося под током проводника возникает магнитное поле (H). В связи со своей зависимостью от тока данное магнитное поле подвержено временным колебаниям. С учетом того, что лишь немногие системы способны обеспечивать постоянный уровень тока, обычно речь идет о нерегулярных магнитных переменных полях. Эти поля становятся электромагнитными сигналами, своего рода мини-передатчиком и одновременно приемником. Таким образом каждый проводник может негативно воздействовать на работоспособность других электрических и электронных устройств. Чтобы эти воздействия не приводили к реальным последствиям для вашего оборудования, требуется грамотное экранирование кабелей и проводов.

Гальванические помехи на примере электрической схемы

Гальванические помехи

Гальванические помехи

Когда две цепи тока используют общий участок линии, возникают помехи гальванического типа. Часто таким общим участком линии являются нулевой или обратный провод. Колебания тока или напряжения в первой цепи тока (например, при переключениях) влияют на вторую цепь. Неправильное заземление экранированных кабелей для передачи сигналов КИПиА и данных также может приводить к возникновению гальванических помех.

Меры противодействия:

  • Максимально снижать сопротивление и индуктивность общего участка линии (использовать провода большого сечения)
  • Разъединять цепи тока как только возможно
  • Общие вводы делать как можно короче
  • Точки разветвления располагать как можно ближе к источнику тока
Емкостные помехи на примере электрической схемы

Емкостные помехи

Емкостные помехи

Величиной возмущающего воздействия емкостного типа является электрическое напряжение. Источником емкостных помех выступают электрические переменные поля системы. Типичным примером условий возникновения емкостных помех являются два параллельно проходящих по относительно длинному участку кабеля, которые ведут себя как две противоположные пластины конденсатора и вызывают короткое замыкание для высокочастотных сигналов.

Меры противодействия:

  • По возможности избегать параллельной прокладки кабелей или минимизировать дистанцию такой прокладки
  • Развести как можно дальше источник помех и воспринимающий помехи кабель (минимальное расстояние 60 – 100 см)
  • Использовать для передачи данных и сигналов КИПиА экранированные кабели (выполнить одностороннее экранирование)
  • Использовать попарно скрученные кабели
Индуктивные помехи на примере электрической схемы

Индуктивные помехи

Индуктивные помехи

Причиной помех индуктивного типа являются магнитные переменные поля. Вокруг находящегося под током проводника создается магнитное поле, которое распространяется на находящиеся рядом проводники. Изменение тока приводит к изменению магнитного поля, в результате чего индуцируется напряжение в соседних проводниках.

Пример: если два кабеля проложены на протяжении 100 м параллельно в 30 см друг от друга и протекающий по проводнику-источнику помех ток составляет 100 A (50 Гц), в проводнике-приемнике помех индуцируется напряжение ок. 0,3 мВ. При таком же расположении кабелей, но с изменением тока на 1 кА за 100 мкс, индуцируется напряжение ок. 90 мВ. Чем быстрее и сильнее изменение тока, тем выше индуцированное напряжение.

Меры противодействия:

  • Выдерживать расстояние между сильноточными кабелями и кабелями передачи данных / сигналов КИПиА не менее 1 м
  • Свести к минимуму расстояние параллельной прокладки кабелей
  • Использовать витые пары, что позволяет снизить индуктивные помехи примерно в 20 раз
  • Использовать экранированные кабели с обеих сторон (экранирование)

Скрученные кабели?
Использование скрученных кабелей предотвращает индуктивные помехи за счет постоянного изменения направления индукции к полю помех из-за скрученной формы жил. Во избежание связывания контуров соседние пары в линии для передачи данных или сигналов КИПиА располагаются с разным шагом скрутки. Типичный шаг скрутки: от 30 мм до 50 мм. В случае сильноточных кабелей шаг скрутки в зависимости от сечения проводника составляет от 200 мм до 900 мм.

Схема влияния волновых возмущений

Влияние волновых возмущений

Волновые возмущения

Под волновыми возмущениями понимают передаваемые по проводам волны или импульсы, которые переходят на соседние кабели для передачи данных и сигналов КИПиА. Также о волновом возмущении говорят при переходе импульсов с одного контура линии передачи на другой внутри одного кабеля. В случае гальванических, емкостных и индуктивных помех время прохождения электрических сигналов в кабеле-источнике и кабеле-приемнике игнорируется как несущественное. В особых случаях длина волны возмущающей частоты может достигать порядка длины линии. Если это происходит, необходимо учесть данный эффект.

Меры противодействия:

  • Использовать кабели с экранированными парами и общим экраном (экранирование)
  • Избегать рассогласованности на протяжении всего кабеля
  • Не пускать сигналы очень высокого уровня через один кабель с сигналами очень низкого уровня
  • Использовать кабели с высоким коэффициентом подавления отражений, низким коэффициентом затухания и низкой емкостью
Помехи излучения на примере электрической схемы

Помехи излучения

Помехи излучения

Источник помех может воздействовать на приборы и кабели и электромагнитными волнами, передаваемыми беспроводным способом. Источник помех – волна H0, E0. Вблизи в зависимости от типа возмущающего воздействия может преобладать электрическое или магнитное поле. Высокие токи создают преимущественно магнитное поле, высокие напряжения – преимущественно электрическое поле. Энергия высокочастотных помех распространяется по кабелям, которые подключены к источнику помех и обеспечивают возможность прямого излучения (>30 МГц). Кроме того, вызывать высокую напряженность поля в месте расположения кабельной системы и создавать помехи для кабелей могут расположенные рядом мощные передатчики. На промышленных предприятиях самые большие помехи возникают при отключении индуктивных нагрузок. Во время этого процесса происходят сильные, высокочастотные скачки напряжения, или т. н. «всплески». Частотный спектр всплесков напряжения достигает 100 МГц.

Меры противодействия:

  • В дальнем и ближнем полях использовать экраны с высокой поглощающей и отражающей способностью (медь или алюминий). В этом случае нужны электропроводящие и по возможности полностью замкнутые экраны с низким сопротивлением связи и хорошими показателями затухания. (экранирование)
  • Для преимущественно ближнего магнитного поля, особенно при низких частотах, дополнительно использовать экраны из мю-металла или аморфного металла.
Соединения экранов на обозначенном проводнике

Соединение экрана в качестве меры защиты

Экранирование в качестве меры защиты

Вид соединения экрана в первую очередь зависит от типа предполагаемых помех. Для подавления электрических полей требуется одностороннее заземление (1) экрана. Помехи, возникающие в результате магнитного переменного поля, подавляются только двусторонним экранированием. Однако при двустороннем экранировании (2) создается цепь возврата тока через землю со всеми известными недостатками. В частности, гальванические помехи вдоль опорного потенциала воздействуют на полезный сигнал и снижают эффективность экрана. В качестве решения данной проблемы можно использовать триаксиальные кабели (4), при этом внутренний экран требует одностороннего, а внешний – двустороннего соединения. Для снижения гальванических помех при использовании двухстороннего экранирования одна сторона часто связывается с опорным потенциалом при помощи конденсатора (3). Это разрывает цепь возврата тока через землю как минимум для постоянного и низкочастотного тока.

Различные методы экранирования и их действие

Эффективность мероприятий по экранированию

Эффективность экранирования

Следующий пример наглядно демонстрирует эффективность мероприятий по защите от помех. Показанная конфигурация подвергается воздействию магнитного переменного поля частотой 50 кГц на длине линии 2 м. Измеренное на выходе напряжение помех указывается при этом относительно напряжения помех без подключенного кабельного экрана (1) 0 дБ. При одностороннем экранировании (2) улучшения нет, поскольку экран не действует против магнитных помех. Показанный на рис. 3 экран с двусторонним подключением гасит поле помех примерно на 25 дБ. Скрученный кабель (20 витков/м) в конфигурации (4) даже без экрана имеет меньшую чувствительность к помехам (ок. 10 дБ), что достигается благодаря компенсирующему эффекту петли проводника. Подключенный с одной стороны экран (5) снова не демонстрирует улучшения. Только экран с двусторонним подключением в конфигурации (6) улучшает коэффициент затухания примерно до 30 дБ.