ЗАЗЕМЛЯЮЩИЙ ЭЛЕКТРОД Российский патент 1998 года по МПК H01R4/66 

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 (K_бв) 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 K_бв 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 K_бв 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" ( ε_r = 4...6; σ = 0,001... 0,005 Ом/м), так как при "влажных почвах" ( ε_r = 10, σ = 0,01 Ом/м) особых проблем с большинством заземлений нет, ибо K_бв 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 ε_r= 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 K_бв 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 K_бв (коэффициента бегущей волны) в заземляющей шине.

Известно, что

где
- модуль коэффициента отражения,

где
Z_вх - комплексное входное сопротивление;
Z_вх = R_вх + iX_вх,
R_вх - активная составляющая входного сопротивления;
X_вх = реактивная составляющая входного сопротивления;
ρ - комплексное волновое сопротивление
ρ = ρ_r+iρ_i. (4)
Волновое сопротивление при рассматриваемом соотношении размеров антенн и длины волны рассчитывается по формуле

где
ρ_o - волновое сопротивление в свободном пространстве

- комплексная диэлектрическая проницаемость подстилающей поверхности

a_экв - эквивалентный радиус антенны
a_экв = 0,25 • d_ср. (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=d_ср; 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 (d_ср = 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 ε_r= 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.

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).