На основании вышеизложенного можно предложить электрическую модель системы заземления, показанную на рис. 3.71 [Денисенко, Денисенко]. При составлении модели предполагалось, что система заземления состоит из заземляющих электродов, соединенных между собой сплошной шиной заземления, к которой приварена пластина (клемма) заземления. К клемме заземления подсоединяются, к примеру, две шины (два проводника) заземления, к которым в разных местах подключается заземляемое оборудование.
Рис. 3.71. Электрическая модель системы заземления |
Если шины заземления или заземляющие проводники проходят близко один от другого, то между ними существует магнитная связь с коэффициентом взаимной индукции (рис. 3.71). Каждый участок проводника (шины) системы заземления имеет индуктивность , сопротивление и в нем наводится э.д.с. помехи путем электромагнитной индукции. На разных участках шины заземления к ней подсоединено оборудование автоматики, которое поставляет в шину заземления ток помехи , вызванный описанными в разделе "Источники помех" причинами, и ток цепей питания, возвращающийся к источнику питания по шине земли. Нарис. 3.71 изображено также сопротивление между заземляющими электродами и ток помехи , протекающий по земле, например, при ударах молнии или при к.з. на землю мощного оборудования.
|
|
Если шина сигнального заземления используется одновременно для питания систем автоматизации (этого нужно избегать), то необходимо учитывать ее сопротивление. Сопротивление медного провода длиной 1 м и диаметром 1 мм равно 0,022 Ом. В промышленной автоматике при расположении датчиков на большой площади, например, в элеваторе, длина заземляющего проводника может достигать 100 м и более. Для проводника длиной 100 м сопротивление составит 2,2 Ом. При количестве модулей системы автоматики, питаемых от одного источника, равном 20 и токе типовом потребления одного модуля 0,1 А падение напряжения на сопротивлении заземляющего проводника составит 4,4 В.
При частоте помехи более 1 МГц возрастает роль индуктивного сопротивления цепи заземления, а также емкостной и индуктивной связи между участками цепей заземления. Провода заземления начинают излучать электромагнитные волны и сами становятся источниками помех.
На высоких частотах проводник заземления или экран кабеля, проложенный параллельно полу или стене здания, образует совместно с заземленными металлическими конструкциями здания длинную линию с волновым сопротивление порядка 500...1000 Ом, короткозамкнутую на конце. Поэтому сопротивление проводника для высокочастотных помех определяется не только его индуктивностью, но и явлениями, связанными с интерференцией между падающей волной помехи и отраженной от заземленного конца провода. Зависимость модуля полного комплексного сопротивления между точкой подключения проводника к заземляемому оборудованию и ближайшей точкой железобетонной конструкции здания можно приблизительно описать формулой для двухпроводной воздушной линии передачи: , где - волновое сопротивление, - длина проводника заземления; - длина волны помехи; , - скорость света в вакууме (300 тыс. км/с); - частота помехи. График, построенный по приведенной формуле для типового проводника заземления (экрана) диаметром 3 мм при расстоянии до ближайшего прута железобетонной арматуры здания 50 см (при этом волновое сопротивление составляет 630 Ом), приведен на рис. 3.72. Отметим, что когда длина проводника приближается к 1/4 длины волны помехи, его сопротивление резко возрастает.
|
|
Рис. 3. 72. Зависимость модуля полного комплексного сопротивления заземляющего проводника от длины провода |
Таким образом, шина земли является в общем случае "грязной землей", источником помех, имеет активное и индуктивное сопротивление. Она является эквипотенциальной только с точки зрения защиты от поражения электрическим током, но не с точки зрения передачи сигнала. Поэтому если в контур, включающий источник и приемник сигнала, входит участок "грязной земли", то напряжение помехи будет складываться с напряжением источника сигнала и прикладываться ко входу приемника.