Изобретение относится к радиотехнике, а именно к заземляющим устройствам, используемым при работе подвижных автомобильных радиостанций, аппаратов связи и других защищаемых от импульсных воздействий объектов.
Известны заземляющие устройства в виде кола заземления (заземляющего электрода), системы проводов, размещаемых на поверхности, специальных устройств заземления в виде особых металлоконструкций, зарываемых в землю или располагаемых на поверхности [1, 2].
Однако известные заземляющие электроды имеют высокое переходное сопротивление, которое становится еще большим в условиях установки их в сухих почвах. Последнее приводит к слабому растеканию наводимых токов, то есть к снижению эффективности защиты от электромагнитных импульсов (ЭМИ) воздействия (молниевые разряды, ЭМИ и т.п.).
Наиболее близким по своей технической сущности является заземлитель [3], который представляет собой трубчатый электрод с нижним заостренным концом и наковаленку. Заземлитель снабжен диэлектрическим стержнем, на одном конце которого расположен электрод, а на другом - наковаленка. Внутри диэлектрического стержня установлен проводник, один конец которого соединен с электродом, а к другому подключено заземляющее оборудование. Длина стержня выбирается равной глубине промерзания грунта. Такое устройство, по мнению авторов, обеспечивает меньшее переходное сопротивление току при его перетекании от электрода в землю.
Однако устройство-прототип все же не обеспечивает эффективного проникновения токов в землю, особенно в области высоких частот в диапазоне 1...100 МГц, где коэффициент бегущей волны (Kбв) менее 0,1, а также в сухих почвах (проводимость σ = 0,001 Ом/м).
В то же время в ряде случаев требуется высокая степень защиты от сильных токов и напряжений, например при действии мощных ЭМИ. В результате сильная отраженная волна при низком Kбв от мощных ЭМИ может привести к невосстановимым разрушениям защищаемого оборудования, то есть заземление в этих условиях недостаточно эффективно.
Целью изобретения является разработка технического решения, обеспечивающего более высокую эффективность растекания токов в сухих грунтах, в частности, при воздействии мощных ЭМИ, когда переходное сопротивление току при его перетекании от электрода в землю становится существенно меньшей величиной, чем в прототипе.
Цель достигается тем, что в качестве заземляющего электрода предлагается использовать плоскую самодополнительную антенну, работающую в виде рассеивающей нагрузки. В качестве такой антенны целесообразно применять самодополнительную антенну M-образного типа, полотно которой имеет в поперечном сечении клинообразную форму. В этом случае генератором следует рассматривать устройства молниезащиты, включающие в общем виде провода молниезащиты, разрядные устройства и т.п., с наведенной на них энергией от ЭМИ.
На фиг. 1 показана в двух плоскостях M-образная антенна; на фиг. 2 - порядок установки M-образной антенны в роли заземляющего устройства; на фиг. 3 - экспериментально полученная величина Kбв в зависимости от относительной длины антенны (l/λ) .
Возможность реализации изобретения подтверждается исследованиями на диапазонность заземления и исследованиями на прочность конструкции.
При исследовании диапазонности заземлителя, постоянно, вслед за прототипом, ориентированного на промерзший грунт, выбиралась "сухая почва" ( εr = 4...6; σ = 0,001... 0,005 Ом/м), так как при "влажных почвах" ( εr = 10, σ = 0,01 Ом/м) особых проблем с большинством заземлений нет, ибо Kбв там в широком диапазоне сохраняется порядка 0,5. "Сухие почвы" характерны не только для зимнего периода, но и для песчаных, супесчаных, суглинистых и скалистых почв, поэтому при рассмотрении данного вопроса во внимание брались только почвы с параметрами εr= 6; σ = 5•10-3 Ом/м.
В качестве плоскостных диапазонных антенн известны в эксплуатации несимметричные плоскостные шунтовые антенны, например N - образные или M-образные (Серков В. П. Распространение радиоволн и антенные устройства. Л.: ВАС, 1981). Эти антенные устройства в отличие от антенных устройств аналогичного назначения обеспечивают при длине волны меньше максимальной Kбв более 0,5 для 75-омного фидера, начиная с относительной длины ( l/λ ) более 0,1.
Для использования в качестве заземляющего электрода предпочтительнее оказывается M-образная антенна, как имеющая более жесткую конструкцию с клинообразным гребнем, располагаемую на металлической основе, служащей в данном случае "наковальней" для заглубления заземления в грунт. Короткий диэлектрический стержень внутри несет в себе шину заземления, соединенную с вершиной M-образной антенны.
Экспериментальные данные проверялись теоретическими расчетами.
Наиболее объективным критерием эффективности заземления может служить величина Kбв (коэффициента бегущей волны) в заземляющей шине.
Известно, что
где
- модуль коэффициента отражения,
где
Zвх - комплексное входное сопротивление;
Zвх = Rвх + iXвх,
Rвх - активная составляющая входного сопротивления;
Xвх = реактивная составляющая входного сопротивления;
ρ - комплексное волновое сопротивление
ρ = ρr+iρi. (4)
Волновое сопротивление при рассматриваемом соотношении размеров антенн и длины волны рассчитывается по формуле
где
ρo - волновое сопротивление в свободном пространстве
- комплексная диэлектрическая проницаемость подстилающей поверхности
aэкв - эквивалентный радиус антенны
aэкв = 0,25 • dср. (8)
Активная и реактивная составляющие входного сопротивления M-образной антенны в земле в первом приближении могут быть расчитаны с использованием понятий о собственном и взаимном потенциальных коэффициентах
где
P11 - собственный потенциальный коэффициент M-образной антенны;
P'11 - потенциал от собственного изображения;
P12 - взаимный потенциальный коэффициент антенны и противовеса;
P'12 - взаимный потенциальный коэффициент изображений антенны и противовеса;
- коэффициент отражения в земле
Собственный потенциальный коэффициент эквивалентной M-образной антенны прямоугольной пластины равен
Взаимный потенциальный коэффициент P12 между двумя пластинами в ортогональных плоскостях рассчитывается по формуле
где
U1=U5=U10=U14=l; U2=U6=U9=U13=0; U3=U7U12=U16=l;
U4=U8=U11=U15=0; V1=V2=V3=V4=V9= V10=V11=V12=0;
V5= V6= V7= V8=V13=V14= V15=V16=dср; W1=W2=W3= W4=W5=W6=W7=W8=l; W9=W10= W11=W12=W13=W14=W15=W16=0.
Собственный потенциальный коэффициент изображения получается из взаимного потенциального коэффициента двух одинаковых тел, в данном случае "пластины-пластины" при нулевом расстоянии между ними. При этом
Взаимный потенциальный коэффициент изображения вычисляется через расстояние между центрами рассматриваемых тел, в которых предположительно сосредоточен весь заряд. Очевидно, что это расстояние равно высоте M-образной антенны l, то есть
Далее можно выбрать размеры устройства
Пусть у M-образной антенны (фиг.1) l=0,4 м, d1=0,35 м, d2=0,45 м (dср = 0,4 м), радиус опорного диска-"наковальни" выбран r=0,226 м (при этом эквивалентный диску прямоугольник имеет площадь S ≅ l2 . Параметры "сухой" почвы выбирались такими: диэлектрическая проницаемость εr= 6 , проводимость σ = 5•10-3 Cм/м. Расчет волнового сопротивления по формулам (5)...(8) в табл.1.
Потенциальные коэффициенты, вычисленные по формулам (11)...(14), оказались равны
Данные входного сопротивления в диапазоне частот приведены в табл. 2.
Таким образом, теория дала результаты, достаточно близко совпадающие с экстремальными данными.
Прочность конструкции проверялась многократным заглублением в "сухой" (песчаный) грунт и последующим осмотром мест крепления M-образной антенны к металлическому листу-"наковальне". Заглубление электрода осуществлялось ударами кувалды по опорному диску-наковальне. При заглублении заземления в более твердый грунт оказалось целесообразным предварительно лопатой прорезать почву "на штык" по ширине гребня M-образного заземлителя.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ | 1995 |
|
RU2103824C1 |
АНТЕННА (ВАРИАНТЫ) | 1996 |
|
RU2101812C1 |
ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ РЕЗОНАТОРНАЯ АНТЕННА | 1996 |
|
RU2096871C1 |
БЕЗЫСКРОВОЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) | 2011 |
|
RU2462802C1 |
ПОДЗЕМНАЯ АНТЕННА | 1997 |
|
RU2115980C1 |
ПОДЗЕМНАЯ АНТЕННА | 2006 |
|
RU2314606C1 |
ДИСКОКОНУСНАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ) | 1998 |
|
RU2148287C1 |
СЛАБОНАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА | 1993 |
|
RU2094914C1 |
СПОСОБ МОЛНИЕЗАЩИТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2011 |
|
RU2456727C1 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СРЕДЫ | 1991 |
|
RU2031410C1 |
Изобретение относится к электроэнергетике. Сущность изобретения: в качестве заземляющего электрода используется само-дополнительная антенна, например М-образного типа, полотно которой в поперечном сечении имеет клинообразную форму, работающая, как рассеивающая нагрузка, причем генератором здесь становятся устройства молниезащиты с наведенной на них энергией от мощного ЭМИ. Такое выполнение заземляющего электрода позволяет расширить частотный диапазон заземляющего электрода. 3 ил., 2 табл.
Применение плоской самодополнительной антенны в качестве диапазонного заземляющего электрода (заземлителя).
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Заземлитель | 1978 |
|
SU777764A1 |
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Заземляющее устройство | 1978 |
|
SU716092A1 |
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
Заземлитель | 1979 |
|
SU773800A1 |
Авторы
Даты
1998-06-20—Публикация
1995-03-09—Подача