Ulaz za korisnike

Elektromagnetsko oklapanje i uzemljenje

Elektromagnetsko oklapanje i uzemljenje
 
Elektromagnetsko oklapanje i uzemljenje
Žrtva elektromagnetskih smetnji može biti bilo koji dio opreme, uređaj ili sustav koji je neotporan na elektromagnetske smetnje. Stupanj otpornosti na elektromagnetske smetnje definiran je prema izdržljivosti same opreme i sposobnosti njezinog funkcioniranja u određenim okolnostima

Svaki električni uređaj, oprema ili sustav koji radi u nekom elektromagnetskom (EM) okruženju može izazvati nedopuštenu elektromagnetsku smetnju ili pak biti žrtva elektromagnetskih smetnji koje su prisutne u njegovom okruženju. Npr. prilikom prijema radiosignala može se pojaviti šum ako se radioaparat nalazi u blizini računala. Tada kažemo da je došlo do elektromagnetske interferencije (EMI), a pritom mislimo da je došlo do degradacije karakteristika uređaja, opreme ili sustava uslijed elektromagnetske smetnje. Ujedno kažemo da u navedenom slučaju radioaparat i računalo nisu elektromagnetski kompatibilni. Pojam elektromagnetske kompatibilnosti (EMC) ima dva aspekta, tj. opisuje sposobnost uređaja, opreme ili sustava da ne izaziva nedopuštene interferencije s drugim sustavima, nesmetano radi u danom okruženju.

Proces proučavanja EMC-a veoma je složen, a može se podijeliti u tri osnovne cjeline: generiranje smetnje (izvor smetnje), način prijenosa smetnje od izvora do žrtve (mehanizam sprege), primanje smetnje (prijemnik ili žrtva).

U slučaju stvaranja šuma u radioaparatu u blizini uključenog računala, digitalni krugovi u računalu su izvor smetnje, prijemnik je radio (FM antena), a elektromagnetska se smetnja prenosi zrakom. Izvori elektromagnetskih smetnji mogu se podijeliti na prirodne i umjetne, odnosno one koje je stvorio čovjek. Najvažniji prirodni izvor elektromagnetske smetnje je munja. Umjetni izvori mogu biti elektroenergetski vodovi, elektroenergetska postrojenja, električni i elektronički uređaji, radiostanice, radarske stanice, elektromotori itd.

Prijenos elektromagnetske smetnje od izvora do žrtve uključuje jedan ili više osnovnih mehanizama sprege, a to su:

  • konduktivna sprega (električna struja)
  • induktivna sprega (magnetsko polje)
  • kapacitivna sprega (električno polje)
  • elektromagnetska sprega (elektromagnetsko polje, zračenje).

    Žrtva elektromagnetskih smetnji može biti bilo koji dio opreme, uređaj ili sustav koji je neotporan na elektromagnetske smetnje. Naravno, žrtve mogu biti i živa bića. Stupanj otpornosti na EM smetnje definiran je prema izdržljivosti same opreme i sposobnosti njezinog funkcioniranja u određenim okolnostima. Stoga je za svaku vrstu opreme potrebno odrediti koje su sve perturbacije opasne po njezin pouzdan rad te poduzeti potrebne mjere zaštite.

    EMC problemi mogu biti riješeni eliminacijom ili pak smanjenjem elektromagnetske smetnje, i to smanjenjem smetnje na samom izvoru, smanjenjem stupnja sprege ili pak povećanjem stupnja otpornosti žrtve na smetnju. Djelovanje na izvor je prva linija obrane od elektromagnetske smetnje. U mnogim slučajevima, smanjenje stupnja sprege je jedina raspoloživa mogućnost. Stupanj otpornosti žrtve na smetnju može se povećati nizom konstruktivnih zahvata. Često ti zahvati ne iziskuju velika materijalna sredstva, a mogu biti učinkoviti u pogledu zaštite.

    Osnovne mjere za rješavanje EMC problema su:

  • elektromagnetsko (EM) oklapanje
  • uzemljenje
  • ekvipotencijalizacija
  • izvedba vanjskog sustava za zaštitu od udara munje (vanjskog LPS-a)
  • izvedba prenaponske zaštite
  • filtriranje.

    Izbor jedne ili više mjera ovisi o koncepciji zaštite od EM smetnje, a ovisi i o cijeni potrebnih zahvata. Stoga je potrebno već u fazi idejnog projekta definirati koje će se mjere poduzeti kako ne bi došlo do povećanih troškova tijekom realizacije projekta.

    U ovom članku je obrađena samo problematika EM oklapanja i navedene su osnovne postavke problematike uzemljenja i ekvipotencijalizacije u smislu rješavanja EMC problema.

    Elektromagnetsko oklapanje

    EM oklapanje je postupak ograničavanja sprege između izvora smetnje i žrtve. Tipičan primjer oklopa je ekran koaksijalnog kabela ili pak oklop oko elektroničkog ili električnog uređaja – žrtve EM smetnje. EM oklop je najčešće načinjen od metala, i samo oklapanje zasniva se na principu tzv. Faradayevog kaveza. Vanjski sustav za zaštitu objekta od udara munje (po staroj terminologiji gromobran) sastoji se od hvataljki, odvoda i uzemljenja. Sustav odvoda i sustav horizontalnih hvataljki čine osiromašenu verziju Faradayevog kaveza. Visokonaponski zračni vodovi štite se od izravnog udara munje pomoću zaštitnog užeta koje se nalazi iznad faznih vodiča. I to je jedan vid oklapanja ili, ovdje bolje rečeno, zaklanjanja sustava faznih vodiča. Međutim, u ovom članku se nećemo baviti problematikom zaštite od udara munje.

    EM oklop može biti metalni plašt, metalna mreža, ionizirani plin, plazma, aluminijska folija itd. Stupanj ograničenja EM smetnje ovisi o vrsti rabljenog materijala, o načinu povezivanja dijelova oklopa, o načinu uzemljenja oklopa, a, naravno i o frekvenciji EM smetnje.

    Efikasnost oklapanja

    Oklapanjem držimo vanjske poremećaje izvan oklopa, a unutarnje signale unutar njega. To postižemo na način da prigušujemo neželjena električna i magnetska polja te osiguramo male promjene u impedanciji za neželjena strujanja. Mjera efikasnosti oklapanja štićenog volumena je omjer jakosti polja u tom volumenu s postavljenim oklopom i bez njega. Ta mjera (učinka oklapanja) za velike strukture (npr. oklopljene kabinete) opisana je izrazom [1]-[4]:

    Problematiku oklapanja možemo proučavati rješavanjem Maxwellovih jednadžbi, uz uvrštavanje odgovarajućih rubnih uvjeta. Međutim, analitička rješenja su moguća samo za nekoliko jednostavnih oblika oklopa načinjenih od homogenog materijala koji se nalaze pod utjecajem jasno definiranog polja, a proučavanje ovakvih slučajeva pridonosi razumijevanju funkcioniranja oklopa. Isto tako, omogućuje nam projektiranje EM oklopa.

    Na slici 1 prikazan je upad EM polja na metalnu ploču. EM polje se pri nailasku na takav oklop prigušuje:

  • apsorpcijom uslijed skin efekta
  • refleksijom na granici zrak-metal i na granici metal-zrak
  • višestrukom refleksijom unutar metala.

    Iz ovih razloga, ukupni faktor oklapanja možemo izraziti pomoću izraza:

    gdje je:

    SA – faktor oklapanja uslijed apsorpcije

    SR – faktor oklapanja uslijed refleksije

    SMR – faktor oklapanja uslijed višestruke refleksije unutar metala.

    tzv. dubina prodiranja EM polja u metal [5].

    Faktor oklapanja uslijed refleksije bitno ovisi o tome je li izvor polja u blizini oklopa ili je pak udaljen. Za udaljeni izvor, faktor oklapanja uslijed refleksije može se približno opisati izrazom:

    U izrazima (8) i (9) r predstavlja udaljenost izvora od oklopa. Faktor oklapanja uslijed refleksije je veći na niskim frekvencijama i za visoko vodljive materijale. Kod visokih frekvencija i feromagnetskog oklopa imamo relativno mali faktor oklapanja.

    Faktor oklapanja uslijed višestruke refleksije unutar metala približno je isti za polje bliskog izvora i za polje dalekog izvora, a opisan je izrazom [2]:

    Faktor oklapanja SR izražen u dB jednak je nuli ili je manji od nule. On se može zanemariti ako je debljina oklopa mnogo veća od dubine prodiranja vala u metal oklopa (d >> ).

    Na osnovi izvedenih izraza lako se može pokazati da se s porastom frekvencije povećava efikasnost oklapanja magnetskog polja bliskog izvora, a smanjuje učinak oklapanja električnog polja bliskog izvora. Osim toga, povećanje debljine oklopa nema utjecaja na faktor oklapanja uslijed refleksije, a pozitivno utječe na dva preostala faktora.

    Primjer: Neka je oklop načinjen od aluminija debljine d = 0.5 mm, provodnosti  = 3.48107 S/m, relativne permeabilnosti r = 1, relativne dielektričnosti r = 1. Neka je frekvencija polja f = 1 kHz.

    Treba izračunati faktor oklapanja:

    a) za udaljeni izvor

    b) za bliski izvor udaljen r = 10 cm, za električno polje kao i za magnetsko polje.

    Rješenje:

    a) Na osnovi zadanih podataka, izraza (3) - (7) i izraza (11), za udaljeni se izvor dobiju rezultati prikazani u tablici 1.

    Zaštita od NF magnetskog polja

    Glavni mehanizam zaštite od visokofrekvencijskog (VF) magnetskog polja bliskog izvora predstavlja apsorpcija uslijed skin efekta. No, refleksijski i apsorpcijski gubici su vrlo maleni za niskofrekvencijske (NF) izvore magnetskog polja.

    Faktor oklapanja uslijed apsorpcije može se povećati na tri različita načina:

  • uporabom supravodljivih materijala
  • uporabom specijalnih magnetskih materijala relativno velike permeabilnosti (μ) i provodnosti σ
  • pomoću kratkospojnih petlji u kojima teku inducirane struje koje se suprotstavljaju promjeni glavnog magnetskog toka po principu elektromagnetske indukcije (slika 3).

    Slika 3. TOK Stvaranje suprotnog magnetskog toka

    Uzemljenje oklopa signalnog kabela

    S porastom frekvencije, geometrija oklapanja sve više dobiva na važnosti. Struktura strujnog kruga i oklopa mora biti takva da eventualna parazitna struja teče oklopom, a ne signalnim vodičem.

    Oklop uvijek treba uzemljiti tamo gdje je uzemljen signalni vodič. Primjer pogrešnog uzemljenja prikazan je na slici 4. U ovom slučaju parazitna struja teče signalnim vodičem te na taj način proizvodi šum.

    Slika 4. NEISPRAVNO uzemljenje oklopa

    Na slici 5 prikazano je ispravno uzemljenje oklopa. U ovom slučaju parazitna struja teče oklopom i kućištem ne remeteći prijenos signala unutar oklopa.

    Slika 5. ISPRAVNO uzemljenje oklopa

    Uzemljenje

    Uzemljenje je od velike važnosti za dijelove elektroenergetskog sustava, za niskonaponske električne instalacije, za elektroničke sustave, kao i za sustave informacijske tehnologije. Bez dobrog uzemljivača nema ni dobrog sustava za zaštitu objekta od udara munje.

    Između ostalog, svrha uzemljivačkog sustava može biti:

  • zaštita objekata i živih bića od udara munje
  • zaštita živih bića od električnog udara
  • zaštita električnih i elektroničkih uređaja od električnog udara
  • zadovoljenje zahtijevanih EMC svojstava.

    Uzemljivački sustav se prije svega projektira i izvodi s ciljem da se u zemlju odvedu struje kvara, struja munje ili VF struje elektroničkih uređaja i sustava. Idealni uzemljivač ima impedanciju jednaku nuli.

    Prilikom odvođenja NF struja i impulsne struje isti se uzemljivač ponaša sasvim različito.

    Sa stajališta EMC-a, za uzemljivač je važno istaknuti sljedeće:

    a) Kod vrlo niskih frekvencija dominantna je konduktivna komponenta impedancije uzemljivača, a na visokim frekvencijama (reda veličine MHz) dominantna je induktivna komponenta. Što znači da se kod visokih frekvencija struja može zatvoriti neželjenim putem i na taj način izazvati EM smetnju. 'Dugi' uzemljivači nisu prikladni za odvođenje VF struja.

    b) Postavlja se pitanje je li bolje cjelokupni sustav uzemljiti u jednoj ili pak u više točaka. Ako je sustav uzemljen u jednoj točki, onda se kroz zemlju ne mogu zatvoriti nulte struje. Međutim, taj sustav ima i mane. Jedna od njih je da u distribuiranim sustavima spojni vodiči koji pojedini podsustav povezuju na uzemljivač mogu biti relativno dugi, što znači da imaju veliku impedanciju ili se pak ponašaju kao kratki prijenosni vod, a to može uzrokovati mnoge probleme. Dakle, uzemljenje sustava u jednoj točki nije u svim situacijama najbolje rješenje, ali je to relativno dobro rješenje za LF podsustave. Tipični primjer primjene uzemljenja u više točaka je uzemljenje digitalnih podsustava.

    c) Ponekad postoji potreba za odvajanjem uzemljivačkih sustava. Npr. prilikom uvođenja telekomunikacijskih (TK) linija u elektroenergetska postrojenja poželjno je da TK sustav i elektroenergetski sustav imaju odvojene uzemljivače s ciljem da se spriječi da struja kvara na sabirnicama elektroenergetskog postrojenja uđe u TK sustav.

    Ekvipotencijalizacija

    Ekvipotencijalizacija je povezivanje svih metalnih masa u jednoj zgradi ili električnom postrojenju na sabirnice za izjednačavanje potencijala koje su povezane na uzemljivač. Osnovna svrha ekvipotencijalizacije je zaštita živih bića i elektroničkih krugova koji su veoma osjetljivi na moguće razlike potencijala. Stoga je potrebno pomno razraditi koncepciju ožičenja i povezivanja svih metalnih masa u jednom prostoru.

    U praksi postoje dvije filozofije povezivanja metalnih masa [1]:

  • mreža u obliku zvijezde
  • uzamčena mreža.

    Zaključak

    Rješavanje EMC problema je vrlo važno za inženjersku praksu. Svakom pojedinom uređaju treba omogućiti da nesmetano radi u svom okruženju. Glavninu elektromagnetskih smetnji generira elektroenergetski sustav i na njega priključeni električni uređaji, dok elektronička oprema proizvodi visokofrekvencijske poremećaje.

    Među osnovne mjere za rješavanje EMC problema, između ostalog, spadaju i elektromagnetsko oklapanje, uzemljenje i ekvipotencijalizacija. Oklapanje danas sve više dobiva na važnosti jer se vrlo osjetljivi elektronički sustavi sve više ugrađuju u elektroenergetska postrojenja i pogone gdje su i najznačajniji izvori neželjenih elektromagnetskih smetnji.

    Za dovoljnu debljinu oklopa (d ≈ 1 mm) i za frekvencije veće od 10 kHz, teorija oklapanja predviđa efikasnost veću od 200 dB. Međutim, u praksi je teško postići efikasnost veću od 100 dB. Nedostaci izrađenog oklopa poput spojnih mjesta, kutova, šavova, rupa i točaka pričvršćivanja značajno smanjuju efikasnost oklapanja. Oklopi napravljeni od tankog vodljivog filma mogu osigurati korisno prigušenje u velikom broju slučajeva.

    EM oklop štiti neki uređaj, opremu ili sustav od EM smetnje, ali ujedno štiti okolinu od EM polja koja nastaju unutar njega. Pri postavljanju oklopa jako je važno da je taj oklop ispravno uzemljen kako njegov učinak ne bi bio kontraproduktivan. Sama efikasnost oklapanja ovisi o parametrima materijala i geometriji oklopa, o frekvenciji upadnog polja te o tome radi li se o bliskom ili dalekom izvoru EM smetnje.

    Električno i magnetsko polje dalekog izvora imaju istu valnu impedanciju i na jednak se način od njih štitimo. Međutim, postoji razlika u valnoj impedanciji pa i u pristupu oklapanju radi zaštite od štetnog utjecaja električnog i magnetskog polja bliskog izvora. Najveći problem se javlja kod oklapanja od utjecaja niskofrekvencijskog magnetskog polja bliskog izvora. Efikasnost tog oklapanja može se povećati uporabom visokopermeabilnih dobro vodljivih materijala. Međutim, treba naglasiti da takvi materijali smanjuju efikasnost oklapanja radi zaštite od štetnog utjecaja električnog polja. Općenito rečeno, oklop izrađen na bazi željeza mnogo je bolji od oklopa izrađenog od bakra.

    Pravilna izvedba uzemljivačkog sustava, u što na neki način spada i ekvipotencijalizacija, od velike je važnosti za EMC.

  • Materijali