Вернуться на страницу
Заземление
Электромагнитная защита и заземление
По материалам CoLan :
http://www.colan.ru
Автор: Мишель Пельт (Michiel Pelt) менеджер
научно-исследовательского отдела Alcatel Cabling Solutions.
Порой приходится сталкиваться
с тем, что специалисты, рассуждающие о заземлении и
экранировании кабельных систем, не вполне точно понимают
сущность этих способов защиты и принципы их взаимодействия.
|
Для обеспечения электробезопасности внутри здания
создается сеть заземления, которая может использоваться и
для улучшения электромагнитной защиты кабельной проводки,
т.е. улучшения характеристик передачи данных, в низкочастотном
диапазоне (менее 0,1 МГц). Надежно защитить кабельное соединение
позволяют непрерывное экранирование по всей длине кабеля и
полная заделка экрана — по крайней мере, с одного конца.
Заземление «питающей» сети не влияет на качество
передачи сигнала по экранированному кабельному соединению.
Электрический ток всегда «выбирает» путь с самым низким сопротивлением.
Поскольку сопротивление переменному току зависит от частоты
электромагнитных волн, то и «траектория» его движения определяется
частотой. Защитная сеть заземления внутри здания состоит из
одиночных проводников, определённым образом соединённых друг
с другом. На низких частотах их сопротивление достаточно невелико
и они хорошо проводят ток. При повышении частоты волновое
сопротивление увеличивается и одиночный проводник начинает
себя вести подобно катушке индуктивности. Соответственно,
переменные токи с частотой ниже 0,1 МГц будут свободно «стекать»
по сети заземления, а при повышении частоты — по возможности
выбирать альтернативный путь. Это не противоречит правилам
обеспечения электробезопасности, так как сеть заземления должна
гасить опасные утечки тока, исходящие от высоковольтных сетей
электропитания (50—60 Гц). А для транспортировки данных представляют
интерес частоты намного выше 0,1 МГц, поэтому защитное заземление
слабо влияет на качество передачи сигнала.
Независимо от типа «питающей» кабельной системы
для обеспечения электробезопасности необходимо всегда использовать
заземление. В реальной жизни проблемы с высоким напряжением,
вызванные пробоем или коротким замыканием в сетях электропитания,
встречаются только при работе на низких частотах. Все физически
доступные токопроводящие предметы (металлические покрытия,
корпуса и т.п.) должны быть соединены с защитной сетью заземления.
Это относится и к экранированным, и к неэкранированным соединениям.
Одностороннее и двустороннее заземление.
На высоких частотах «скин-эффект» предотвращает проникновение
электромагнитных полей внутрь экрана. Случайная электромагнитная
волна отражается от внешней поверхности экрана, как луч света
от зеркала. Это физическое явление не зависит от наличия заземления.
Последнее становится необходимым на низких частотах, когда
сопротивление экрана уменьшается и токи начинают свободно
распространяться по экрану и защитной сети.
Заземление экрана на одном конце обеспечивает
дополнительную защиту сигнала от низкочастотных электрических
полей, а защита от магнитных полей создается за счет сплетения
проводников в «витую пару». При заземлении с двух сторон
образуется токовая петля, в которой случайное магнитное поле
генерирует ток. Его направление таково, что создаваемое им
магнитное поле нейтрализует случайное поле. Таким образом,
двустороннее заземление защищает от воздействия случайных
магнитных полей. Двустороннее заземление требуется при передаче
низкочастотных сигналов через электрически загрязненную среду
с сильными магнитными полями (так как лишь тогда индуцированные
токи могут распространяться через защитную сеть).
При использовании двустороннего заземления для
случайных токов создается альтернативный путь по сети заземления.
Если токи становятся слишком большими, кабельный экран может
не справиться с ними. В этом случае чтобы отвести случайные
токи от экрана, необходимо обеспечить другой путь, например
параллельную шину для «земли». Принятие решения о ее создании
зависит от качества сети заземления, применяемой системы разводки
питания, величины паразитных токов в сети заземления, электромагнитных
характеристик среды и т.п.
Распределительный шкаф обеспечивает эффективную
электромагнитную совместимость. Если сбой электропитания
происходит внутри здания, ток отводится по защитной сети заземления
к «земле» — столь огромной проводящей поверхности, что ее
потенциал не зависит от величины тока. А поскольку ток сбоя
распределяется по весьма значительной области, его влияние
на работу сети оказывается незначительным. На высоких частотах
полное сопротивление защитной сети становится слишком большим,
т.е. практически исчезает электрический контакт с «землей».
Чтобы предотвратить работу экрана в качестве антенны, его
надо соединить с точкой, потенциал которой не изменяется,
— так называемой «локальной землей». Задача решается с помощью
распределительного шкафа: внутри него соединяются все металлические
части, и этот большой проводящий объект приобретает свойства
«земли».
Антенные эффекты: нет проблем для экранированных
кабельных систем. Когда размеры проводника, например в
кабеле типа «витая пара», становятся сопоставимыми с длиной
волны сигнала, проводник превращается в антенну. При увеличении
частоты сигнала длина волны уменьшается и проводящий объект
излучает более эффективно. Излучение удается снизить за счет
скручивания проводников, однако этот способ эффективен только
до частоты порядка 30 МГц. Поскольку максимальная длина соединения
в кабельной системе ограничена 90 м, то частоты, на которых
может происходить излучение, находятся намного выше 0,1 МГц.
Это означает, что сеть заземления никак не влияет на возможное
излучение экрана.
Однако экран в гораздо меньшей степени является
потенциальной антенной, чем кабель, по которому передаётся
сигнал. Чтобы излучать электромагнитные волны, случайные токи
должны распространяться по проводящей структуре. Экран кабеля
соединён с «локальной землей», потенциал которой не изменяется,
а следовательно, никакие токи в него не попадают. Если на
«локальной земле» все-таки появляются случайные токи, они
никогда не проходят по экрану, поскольку волновое сопротивление
по длине экрана намного выше, чем сопротивление элементов
распределительного шкафа.
