Резонансная частота и волновое сопротивление последовательного контура

Рассмотрим работу последовательного колебательного контура (рис. 11.1) при воздействии на него идеального источника гармонической э.д.с. .

Определим комплексное сопротивление контура

,

где — мнимая составляющая сопротивления

Поскольку при резонансе напряжений мнимая составляющая сопротивления контура равна нулю , то на резонансной частоте получаем следующее уравнение

,

решая которое находим угловую резонансную частоту

.

Угловой частоте соответствует обычная частота

.

Из полученного выражения следует, что резонансная частота колебательного контура зависит только от параметров реактивных элементов контура , и её можно изменять с помощью перестраиваемых индуктивностей и ёмкостей.

Если частота э.д.с. источника напряжения, действующего в контуре, совпадает с резонансной частотой контура, то такой контур называют

настроенным. В противном случае контур называется расстроенным.

Используя выражение для резонансной частоты контура, можно индуктивность контура выразить через ёмкость и наоборот:

, .

Из условия резонанса следует, что на резонансной частоте реактивное сопротивление емкости равно реактивному сопротивлению индуктивности. Данное значение сопротивления называется волновым (характеристическим) сопротивление контура, которое можно определить в следующем виде

.

Таким образом, на резонансной частоте сопротивление последовательного контура является активным . При этом комплексная и вещественная амплитуды тока контура будут иметь вид

,

и ток в вещественной форме

.

где — действующее значение тока контура при резонансе.

При расстройке контура модуль его сопротивления увеличивается, что вызывает уменьшение амплитуды тока

.

Поскольку на резонансной частоте сопротивления реактивных элементов контура равны и через них проходит один и тот же ток, то амплитуды напряжения на этих элементах будут также равны:

.

Узнать еще:

Брунбендер. Электромагнетизм — Стр 8

Задание 2. Определение параметров контура.

1. Согласно п. 3 методики эксперимента измерьте период колебаний Т, рассчитайте циклическую частоту колебаний .

2. Согласно п. 5 методики измерений снимите данные Um(N), внесите их в табл. 12.2.

Таблица 12.2

	Номер	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	максимума
	Амплитуда	2,7
	(дел)

По данным эксперимента постройте график Um(N). По графику определите число колебаний N , рассчитайте время релаксации и коэффициент затухания . Проверьте выполнение условия слабого затухания ω2 β2 . Рас-

считайте число колебаний за время релаксации Nи добротность Q.

3. Установите на магазине сопротивление Rм ~ 150-200 Ом. Согласно п. 5 методики измерений снимите данные U’m(N), внесите их в таблицу, подобную 12.2. Постройте график U’m(N). По графику U’m(N) определите N ‘ , рассчитайте ‘ и Q’ .

4. Согласно п. 6 методики эксперимента рассчитайте активное сопротивление контура R и его волновое сопротивление RВ. По формулам (12.18) рассчитайте емкость С и индуктивность L цепи контура.

Контрольные вопросы

1.Колебательный контур, возбуждение электромагнитных колебаний в цепи контура, преобразование энергии при электромагнитных колебаниях.

2.Условия установления гармонических колебаний, слабого затухания

иапериодического процесса в цепи колебательного контура.

3.Причина затухания колебаний в контуре, уравнения затухающих ко-

лебаний, характеристики затухающих колебаний: N Q.

4.Волновое сопротивление контура, его связь с параметрами контура.

5.Зависимость добротности контура от величины волнового и активного сопротивлений контура.

Список литературы

1.Савельев И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 5 кн. Кн. 2. Электричество и магнетизм. – М.: Астрель, 2003. – С. 310–317.

2.Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: учеб. пособие для вузов.

–М.: Высш. шк., 1999. – С. 371–0374.

2.Трофимова Т. И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. – М.: Высш.

шк., 2003. – С. 267–271.

Линейные цепи в установившемся режиме: Курс лекций, страница 22

1. Ток, протекающий в контуре при резонансе максимален и совпадает по фазе с приложенной Э.Д.С.

        (4.4)

2. Напряжения на реактивных элементах контура при резонансе равны по амплитуде и противоположны по фазе и в     раз больше э.д.с., действующей на контур:

           (4.5)

  (4.6)

     (4.7)

Векторная диаграмма тока в цепи и напряжений на элементах контура, соответствующая резонансу напряжений приведена на рисунки 4.5

ВОПРОСЫ:

1.  Что называют резонансом напряжений?

2.  Что является условием резонанса напряжений?

3.  Что называется резонансной частотой?

4.  Какие существуют признаки резонанса напряжений?

4.2.2. Основные параметры последовательного колебательного контура

Различают первичные и вторичные параметры контура.

К первичным

параметрам относятся:

— индуктивность L , емкость С, активное сопротивление r.

К вторичным параметрам относятся:

резонансная частота, волновое или характеристическое сопротивление, добротность контура, затухание контура, полоса пропускания.

Резонансная частота характеризует величину частоты источника напряжения, при которой в контуре наступает резонанс напряжений:

   ;

Волновое или характеристическое сопротивление характеризует сопротивление реактивных элементов на резонансной частоте:

Добротность контура характеризует величину отношения волнового сопротивления к активному сопротивлению контура. Добротность контура показывает во сколько раз амплитуда напряжения на реактивных элементах больше амплитуды э.д.с. источника (формулы 4.5 и 4.6):

Затуханием контура называется величина обратная добротности:

Добротность и затухание есть безразмерные величины. Для радиотехнических контуров характерны значения Q= 100 ÷ 500.

Полоса пропускания контура — это область частот в пределах которой амплитуда напряжения на реактивных элементах уменьшается не более чем враз по сравнению с амплитудой напряжения на реактивных элементах на резонансной частоте. Полоса пропускания связана с резонансной частотой и добротностью соотношением:

                             или                     

доказательство которого будет приведено.

ВОПРОСЫ:

1.  Что относится к первичным параметрам?

2.  Что относится к вторичным параметрам?

3.  Что характеризует резонансная частота?

4.  Что характеризует волновое сопротивление?

5.  Что характеризует добротность контура?

6.  Что такое полоса пропускания контура?

4.2.3. Настроенные кривые последовательного колебательного контура

Настроечными кривыми называются зависимости амплитуды тока в контуре от величины емкости  С  и индуктивности  L, т.е. I_m.(c) или  I_m(L).

Для последовательного колебательного контура зависимость амплитуды тока от

ω , L, С и r описывается выражением:

                 (4.8)

Пусть Е_m, r, L и ω неизменны, найдем значения амплитуды тока при различных величинах емкости, данные сведем в таблицу:

C	0	C=Cрез	С=∞
Im(C)	0

Пусть Е_m, ω ,rи С неизменны, найдем значение амплитуды тока при различных величинах индуктивности, данные сведем в таблицу:

L	0	L=Lp	L=∞
Im(L)			0

Графики настроечных кривых приведены на рисунки 4.6 и 4.7.

Кроме представленных функций I_m(C) и I_m(L), могут рассматриваться следующие: U_mc(C), U_mc(L), U_mc(C), U_mL(L), которые могут быть получены путем перемножения функций Im (С) или Im(L) на L или .

4.2.4. Частотные характеристики последовательного колебательного контура

Наиболее часто в радиотехнике пос­ледовательный колебательный кон­тур используется, когда выходное напряжение контура снимается с ем­кости (рис.4.8)

Рассмотрим комплексную передаточную функцию контура по напряжению:                (4.9)

где            обобщенная расстройка,

     АЧХ контура                                                     (4.10)

  ФЧХ контура                                                      (4.11)

Составим таблицу значений АЧХ и ФЧХ для некоторых характерных частот:

				f
0	1	0		0
	0,707Q		-1
	Q		0
	0,707Q		1
	0

ПРИМЕЧАНИЕ. Значение АЧХ на нулевой частоте находят, из рассмотрения процессов в контуре на этой частоте. Пусть ω= 0, это значит, что на контур действует постоянное напряжение, при этом напряжение на выходе будет равно напряжению на входе, т.к. ток в контуре отсутствует и падение напряжения на элементах r и L равны нулю.

Для нахождения граничных частот полосы пропускания будем полагать ω =ω_p.

На граничных частотах значения АЧХ будут в  раз меньше максимального значения, равного Q:

       (4.12)

Это возможно при = ±1. Отсюда

 ;                                 ;

 ;                           ;

  ;                      ;

Отрицательные значения частот ω_rp.1 и ω_rp.2 не имеют смысла, поэтому будем использовать в дальнейшем положительные значения граничных частот. Найдем полосу пропускания контура:

          (4.13)

или      

Как видно из приведенных выражений, ширина полосы пропускания контура не  зависит от емкости C.

Значения граничных частот будем находить, полагая, что график АЧХ симметричен в области полосы пропускания:

                                и                     (4.14)

Построение графиков АЧХ и ФЧХ будем проводить, используя данные, приведенные в таблице. С этой целью,  сначала на частотных осях откладывают значения характерных частот( f=0; f_гр1 = f_p — ; ; ; ) , затем по оси ординат откладывают соответствующие значения АЧХ и ФЧХ. Полученные точки, соединяют плавной кривой (рис.4.9). При необходимости построения точных графиков проводят предварительный расчет для большего числа точек на частотной оси.

Волновое сопротивление электромагнитной волны. Волновое сопротивление и отражение

Одним их параметров любой токопроводящей линии является волновое сопротивление. Особенную актуальность оно приобретает в высокочастотной радиопередающей технике, где малейшее рассогласование работы контура приводит к существенным искажениям на выходе. С другой стороны, каждый владелец компьютера, связанного с другими в локальную сеть, ежедневно сталкивается с понятием «волновое сопротивление». Стоит отметить, что появление сетей Ethernet на основе витой пары позволило конечному пользователю особо не задумываться о коннекторах, заземлениях, терминаторах и качестве разъемов, как это имело место при коаксиальных кабельных линиях на 10 мегабит (и меньше). Однако даже в отношении витой пары применим термин «волновое сопротивление». Вообще, на особенностях эксплуатации компьютерных сетей остановимся чуть позже.

Итак, что же такое волновое сопротивление? Как уже указывалось, это одна их характеристик токопроводящей линии на основе металлических проводников. Последняя оговорка необходима, чтобы не смешивать современные оптические линии передачи данных и классические медные провода, где носителями энергии выступают не заряженные частицы, а свет — там действуют другие законы. Эта величина указывает, какое значение сопротивления линия оказывает генератору (источнику модулированных электрических колебаний). Не следует путать которое можно измерить обычным мультиметром, и волновое сопротивление среды, так как это совершенно разные вещи. Последнее не зависит от длины проводника (уже этого достаточно, чтобы сделать выводы о «сходстве» сопротивлений). Физически оно равняется из отношения индуктивности (Генри) к емкости (Фарады). Небольшая ремарка: несмотря на то, что в расчетах используются реактивные составляющие линии, волновое сопротивление контура всегда в расчетах считается активным.

Лучше всего рассмотреть все на примере. Представим себе простейшую цепь, состоящую из источника энергии (генератора, R1), проводников, обладающих волновым сопротивлением (R2), и потребителя (нагрузки, R3). При равенстве всех трех сопротивлений вся переданная энергия достигает потребителя и там выполняет полезную работу. Если же на каком-либо участке это равенство не соблюдается, то возникает несогласованный режим работы. В точке, где нарушается соответствие, появляется отраженная волна, и часть электромагнитной энергии возвращается назад — к генератору. Соответственно, приходится повышать его мощность, чтобы компенсировать величину отраженной энергии. Другими словами, часть энергии затрачивается «впустую», а это означает потери и неоптимальный режим работы. Кроме того, в некоторых случаях рассогласование вообще нарушает функционирование всей линии.

Теперь вернемся к компьютерным сетям, где волновое сопротивление играет важную роль. Для линий на основе (50 Ом) важно соблюдение условия: сопротивления и проводника между ними должны быть равны. Только в этом случае работает система терминаторов и заземлений. Если же какой-либо участок кабельной линии физически немного растянуть (подвесить на проводнике груз), то из-за изменения диаметра проводников в этом месте изменится волновое сопротивление, возникнет отраженная волна, нарушающая работу системы. При этом замеренное активное сопротивление линии может практически не измениться (бюджетные приборы вообще не зарегистрируют увеличение сопротивления). Попытки восстановить линию путем пайки проводников на поврежденном участке еще больше усугубят ситуацию, так как появится не просто переходное сопротивление, а смесь различных сред (олово, медь), в которых волны распространяются по-разному.

Особенности распространения ультразвука в тканях тела человека.

Диапазоне частот.

Человеческого уха воспринимать упругие колебания среды только в ограниченном

Деление на ультразвук, звук и инфразвук условно. В основе такого деления — свойство

Инфразвуковых волн, имеющих частоту ниже нижней границы слышимого звука.

Но своей природе ультразвуковые волны не отличаются от звуковых, а также

Границу слышимого звука.

Физически тело человека представляет собой неоднородную среду с участками различной плотности и акустических свойств, разделёнными фазовыми поверхностями на различные области.

При прохождении ультразвука в теле человека имеются следующие особенности:

1) Скорость ультразвука в тканях тела человека зависит от вида ткани и тканевой среды. Её значения (м/с) для отдельных тканей следующие:

печень 1570

2) Ткани тела человека сильно рассеивают и отражают ультразвук. Причина — морфологическая неоднородность тканей, наличие множественных поверхностей раздела,
различия в акустических сопротивлениях. Например, акустическое
сопротивление черепа и крови различаются в 3.5 раза.

3) В тканях тела человека происходит сильное ослабление ультразвуковой волны вследствие её поглощения. Пример: значение коэффициента поглощения черепа в 14 раз больше коэффициента поглощения мозга.

Волновое сопротивление — сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения:

где U п и I п — напряжение и ток падающей волны;

U от и I от — то же отраженной волны.

Таким образом, величина волнового сопротивления не зависит от длины кабельной линии и постоянна в любой точке цепи.

В общем виде волновое сопротивление — комплексная величина и может быть выражена через действительную и мнимую части:

В табл. 3-1 приведены формулы для расчета Z в α θ β.

Волновое сопротивление коаксиального или одножильного кабеля в металлической оболочке

У изоляционных материалов, у которых диэлектрическая проницаемость почти не зависит от частоты,

где 3335,8 — постоянная, принятая МЭК;- коэффициент укорочения длины волны.

При расчете радиочастотных кабелей стремятся получить оптимальную конструкцию, обеспечивающую высокие электрические характеристики при наименьшем расходе материалов. Так, например, при использовании меди для внутреннего и внешнего проводников радиочастотного кабеля минимальное затухание достигается при отношении, ом, максимальная электрическая прочность — при, ом и максимум передаваемой мощности — при, ом.

Точность и стабильность параметров кабеля зависят от величины допусков диаметров внутреннего и внешнего проводников и стабильности ε.

Зависимость волнового сопротивления симметричного кабеля от частоты приведена на рис. 3-7. Модуль волнового сопротивления Z B с изменением частоты уменьшается отпри f = 0 дои остается неизменным во всей области высоких частот. Угол волнового сопротивления равен нулю при f = 0 и на высоких частотах. На тональных частотах (f ≈ 800 гц) угол волнового сопротивления — наибольший. В кабельных линиях преобладает емкостная составляющая волнового сопротивления, и поэтому угол волнового сопротивления всегда отрицателен, а по величине не превышает 45°.

В кабельной линии, однородной по электрическим характеристикам на всем протяжении от генератора до приемника, с нагрузкой по концам, имеющей сопротивление, равное волновому (Z r = Z n = Z B), вся передаваемая электромагнитная анергия полностью поглощается приемником без отражения.

В неоднородных линиях и при несогласованных нагрузках в местах электрических несогласованности возникают отраженные волны и часть энергии возвращается к началу линии. Передаваемая энергия при несогласованной нагрузке значительно меньше, чем при согласованной.

Отраженные волны искажают частотную характеристику собственного волнового сопротивления кабеля. В этом случае на входе линии не волновое, а входное сопротивление Z вх.

Соотношение между энергией, поступающей к приемнику, и энергией отраженной зависит от сопротивлений приемника Z B и волнового Z B и характеризуется коэффициентом отражения

При согласованной нагрузке (Z n = Z в) коэффициент отражения равен нулю, и энергия полностью поглощается приемником. При коротком замыкании (Z п = 0) и режиме холостого хода (Z n = ∞) коэффициенты отражения равны соответственно — 1 и + 1.

Для обеспечения хорошего качества связи и телевизионной передачи по коаксиальному кабелю необходимо, чтобы отклонение волнового сопротивления ΔZ не превышало 0,45 ом, что соответствует коэффициенту отражения

В результате деформаций или наличия эксцентриситета в расположении внутреннего проводника по отношению к внешнему параметры кабеля могут оказаться неравномерно распределенными по его длине. В местах неоднородностей происходят отклонения волнового сопротивления от номинального.

Волновое сопротивление спиральных кабелей (кабелей задержки)

Волновое сопротивление двухкоаксиальных кабелей (с индивидуальными экранами поверх изоляции) вычисляют по формулам для коаксиальных кабелей; оно равно сумме волновых сопротивлений обоих кабелей.

Волновое сопротивление симметричного кабеля в области частот f = 15 000 кгц и выше:

неэкранированного

экранированного

Входным сопротивлением Z вх называется сопротивление на входе линии при любом нагрузочном сопротивлении на ее конце и выражается отношением напряжения U 0 к току I o в начале линии:

где.

Таблица 3 — 1

Приближенные формулы для расчета вторичных параметров передачи кабелей связи

Область применения формул	Соотношение между R и ωL	Расчетные формулы
α, неп/км	β, рад/км	Z в, ом
Постоянный ток (f = 0)	ωL = 0
Тональные частоты (f
Высокие частоты и кабели с повышенной индуктивностью
Промежуточные частоты

Волново́е сопротивле́ние

в акустике, в газообразной или жидкой среде — отношение звукового давления р в бегущей плоской волне (См. Волны) к скорости v колебания частиц среды. В. с. характеризует степень жёсткости среды (т. е. способность среды сопротивляться образованию деформаций) в режиме бегущей волны. В. с. не зависит от формы волны и выражается формулой: p/v = ρc ,где ρ — плотность среды, с — скорость звука. В. с. представляет собой Импеданс акустический среды для плоских волн. Термин «В. с.» введён по аналогии с В. с. в теории электрических линий; при этом давление соответствует напряжению, а скорость смещения частиц — электрическому току.

В. с. — важнейшая характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на её границе. При нормальном падении плоской волны на плоскую границу раздела двух сред коэффициент отражения определяется только отношением В. с. этих сред; если В. с. сред равны, то волна проходит границу без отражения. Понятием В. с. можно пользоваться и для твёрдого тела (для продольных и поперечных упругих волн в неограниченном твёрдом теле и для продольных волн в стержне), определяя В. с. как отношение соответствующего механического напряжения (См. Напряжение), взятого с обратным знаком, к скорости частиц среды.

Отраже́ние — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).

В акустике отражение является причиной эха и используется в гидролокации. Вгеологии оно играет важную роль в изучении сейсмических волн. Отражение наблюдается на поверхностных волнах в водоёмах. Отражение наблюдается со многими типами электромагнитных волн, не только для видимого света. Отражение УКВ и радиоволн более высоких частот имеет важное значение для радиопередач и радиолокации. Даже жёсткое рентгеновское излучение и гамма-лучи могут быть отражены на малых углах к поверхности специально изготовленными зеркалами. В медицине отражение ультразвука на границах раздела тканей и органов используется при проведении УЗИ-диагностики.

Количественно коэффициент отражения равен отношению потока излучения, отраженного телом, к потоку, упавшему на тело :

Сумма коэффициента отражения и коэффициентов поглощения, пропускания и рассеяния равна единице. Это утверждение следует из закона сохранения энергии.

В тех случаях, когда спектр падающего излучения настолько узок, что его можно считать монохроматическим, говорят омонохроматическом коэффициенте отражения. Если спектр падающего на тело излучения широк, то соответствующий коэффициент отражения иногда называют интегральным .

В общем случае значение коэффициента отражения тела зависит как от свойств самого тела, так и от угла падения, спектрального состава и поляризации излучения. Вследствие зависимости коэффициента отражения поверхности тела от длины волны падающего на него света визуально тело воспринимается как окрашенное в тот или иной цвет.

1. Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр в точке падения лежат в одной плоскости

2. Угол падения равен углу отражения

Строков Андрей.

Итак, вторая статья из цикла, про которую я уже неоднократно упоминал. Сегодня постараюсь упихать в головы читателей несколько ключевых моментов, без которых нельзя жить на свете. До сих пор я говорил про согласование, согласованную нагрузку. Что-то упоминал про ширину линии, которая вроде как должна быть строго определенной. Пришло время расставить точки. Вам потребуется пластиковая бутылка и ножницы бесконечная пара проводов и немного терпения, добро пожаловать под кат!

Зайдем издалека.
Возьмем генератор с внутренним сопротивлением R. И к нему подключим нагрузку R1. Обычная такая схема.

Вопрос в том, насколько эта схема эффективна? При каком сопротивлении на нагрузке можно получить максимальную мощность?

Немного расчетов:

Чтобы получить максимум мощности вспомним производную и приравняем к нулю.

и вот мы уже получаем, что максимальная мощность выделяется, когда R = R1 . В этом случае говорят, что система генератор-нагрузка согласована.

Ну а теперь пошли фокусы. Подаем в нашу схему большую частоту. В прошлый раз мы видели, что в разных частях линии напряжение может быть совсем разным. Вот пусть на нашей схеме будет вот так:

да, забудьте пока про узлы-пучности, стоячих волн нет, рассматриваем только падающую. В любом случае «в лоб» закон ома для этой картинки уже не применить. Вот когда начинается такая беда, значит мы имеем дело с длинной линией . Заодно можно вспомнить наши сопли из припоя и 1206 конденсаторы, которые начинают вести себя как попало на каких то частотах, опять же из-за того, что размеры сравнимы с длиной волны и там появляются всякие шлейфы, стоячие волны и резонансы. Все это называют устройствами с распределенными параметрами . Обычно говорят про распределенные параметры, когда размеры элементов хотя бы раз в 10 больше длины волны.
Так что же нам делать с нашей схемой? В прошлый раз мы говорили про длину линий, не затрагивая другие параметры. Пора исправить это недоразумение.
Представьте, что генератор (или выходной каскад, например), качает в линию мощность. Никакой отраженной волны (пока) нет, наш генератор вообще не знает, что с той стороны линии, качает в никуда. Это как будто берем динамик, подносим к трубе и в трубу уходят звуковые волны.

Параметры такой системы можно определить по-разному. Можно определить(пока, правда, не понятно, как) ток и напряжение. А можно определить мощность (произведение тока на напряжение) и отношение тока к напряжению в линии. Последняя величина имеет смысл сопротивления. Ее так и называют — волновое сопротивление. И величина эта для конкретно взятой линии (и на конкретной частоте, если быть точным) всегда одинаковая, от генератора не зависит.
Если вы возьмете бесконечную линию с каким-то заданным Z (так обычно обозначают волновое сопротивление) и подключите к ней ваш мультиметр, он это сопротивление и покажет. Хотя, казалось бы, просто пара проводов. А вот если пара будет конечной, как это обычно и бывает в нашей жизни, возникнет отражение на конце линии, стоячая волна. Поэтому ваш мультиметр покажет бесконечное сопротивление (это будет, в принципе, пучность).

Итак, по линии бежит волна. Волновое сопротивление линии не меняется (говорят, что линия регулярна ), отношение напряжения к току одинаковое. А теперь — бах! — сопротивление линии совершает скачок.

Так как дальше соотношения между током и напряжением будут уже другие, «лишний» или недостающий ток в точке скачка формирует отраженную волну. Для более подробного понимания процесса неплохо бы записать для точки телеграфные уравнения, но для начала достаточно помнить, что
При отражении от ХХ фаза не меняется
При отражении от КЗ фаза переворачивается на 180°

Ну и осталось сказать про подключение линии к нагрузке. В принципе, нагрузку, можно рассматривать как бесконечную линию с волновым сопротивлением равным сопротивлению нагрузки. Прошлый пример с мультиметром, я думаю, это показывает весьма наглядно тем, кто в начале поста запасся бесконечным проводом. Так что если сопротивление нагрузки равно сопротивлению линии, система согласована, ничего не отражается, КСВ равно единице. Ну а если сопротивления отличаются, справедливы все вышеописанные рассуждения про отражение.
Собственно, в прошлый раз мы рассматривали КЗ и ХХ, вот на эти вещи можно смотреть как на нагрузки с нулевым или бесконечным сопротивлением.

Используя переотражения на скачках волнового сопротивления и линии с разным волновым сопротивлением, можно получить множество разных вещей в СВЧ. Нужно рассказывать про диаграмму смита и комплексное волновое сопротивление, это не сегодня. Приведу только пару примеров:
1. Если отрезок линии имеет длину в половину длины волны, его волновое сопротивление не важно. Волновое сопротивление на входе равно волновому сопротивлению на выходе.

2. Для отрезка в четверть волны c волновым сопротивлением линии Z волновое сопротивление на входе рассчитывается по формуле

Так можно согласовывать линии с разным волновым сопротивлением в узком диапазоне (в котором одна-три-пять-… четвертей длины волны соответствует длине шлейфа)

А теперь посмотрим на линию передачи поближе.

Любое средство массовой информации передает сигнал на большие расстояния с помощью электромагнитных волн. Одним из свойств такой волны и является волновое сопротивление. Хотя характерные единицы измерения сопротивления — Омы, это не «настоящее» сопротивление, которое можно измерить с помощью специального оборудования, такого как омметр или мультиметр.

Лучший способ понять, волновое сопротивление – это представить себе бесконечно длинный провод, который не создает отраженных или обратных волн при нагрузке. Создание переменного напряжения (V) в такой цепи приведет к появлению тока (I). Волновое сопротивление (Z) в этом случае будет численно равно соотношению:
Z = V/I
Эта справедлива для вакуума. Но если речь идет о «реальном пространстве», где нет бесконечно длинного провода, уравнение принимает вид закона Ома для участка цепи:
R = V/I

Эквивалентная схема расчета линии передач

Для СВЧ инженеров общим выражением, определяющим волновое сопротивление, является:
Z = R+j*w*L/G+j*w*C
Здесь R, G, L и С – номинальные длины волн модели линии передач. Следует отметить, что в общем виде волновое сопротивление может быть комплексным числом. Важным уточнением является то, что такой случай возможен только, если R или G не равны нулю. На практике всегда стараются достичь минимальных потерь на линии передачи сигнала. Поэтому обычно игнорируют вклад R и G в уравнение и, в конечном итоге, количественное значение волнового сопротивления принимает очень маленькое значение.

Внутреннее сопротивление

Волновое сопротивление присутствует даже если нет линии передачи. Оно связано с распространением волн в любой однородной среде. Внутреннее сопротивление является мерой отношения электрического поля к магнитному. Оно рассчитывается так же, как и в линиях передачи. Предполагая, что нет «реальной» проводимости или сопротивления в среде, уравнение сводится к простой квадратичной форме:
Z = SQRT(L/C)
В этом случае индуктивность на единицу длины сводится к проницаемости среды, а емкость на единицу длины – к диэлектрической проницаемости.

Сопротивление вакуума

В пространстве относительная проницаемость среды и диэлектрическая проницаемость всегда постоянны. Таким образом, уравнение внутреннего сопротивления упрощается до уравнения для волнового сопротивления вакуума:
n = SQRT(m/e)
Здесь m – проницаемость вакуума, а е – диэлектрическая проницаемость среды.
Значение волнового сопротивления вакуума является постоянной величиной и приблизительно равно 120 пикоОм.

Волновое сопротивление, или импеданс, — это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль любой однородной (то есть без отражений) направляющей системы, в том числе и витой пары.

Оно свойственно данному типу кабеля и зависит только от его первичных параметров и частоты.

Волновое сопротивление связано с первичными параметрами следующим простым соотношением:

Z=√((R+jωL)/(G+jωC))

Волновое сопротивление численно равно входному сопротивлению линии бесконечной длины, которая имеет оконечную нагрузку, равную ее собственному волновому сопротивлению. Оно измеряется в омах и определяет количественное соотношение между электрической и магнитной составляющей электромагнитной волны. В общем случае волновое сопротивление является комплексной величиной, его модуль падает по мере роста частоты и на высоких частотах стремится к фиксированному активному сопротивлению:

Z ∞ =lim ω → ∞ √((R+jωL)/(G+jωC)) = √(L/C)

Кабели на витых парах на звуковых частотах, то есть при передаче телефонных сигналов, имеют сопротивление около 600 Ом, по мере увеличения частоты оно быстро падает и на частотах свыше 1 МГц вплоть до верхней граничной частоты конкретного кабеля не должно отличаться от 100 Ом более чем на + 15%.

Затухание

При распространении по витой паре электромагнитный сигнал постепенно теряет свою энергию.

Этот эффект называется ослаблением, или затуханием.

Затухание принято оценивать в децибелах как разность между уровнями сигналов на выходе передатчика и входе приемника.

Один децибел соответствует изменению мощности в 1,26 раза или напряжения в 1,12 раза.

Принято различать собственное и рабочее затухание кабеля.

Под собственным затуханием кабеля понимается затухание при работе в идеальных условиях.

В обобщенном виде его величину теоретически можно определить как реальную часть так называемого коэффициента распространения γ, который связан с первичными параметрами следующим простым соотношением:

γ=√((R+jωL)(G+jωC))

Экспериментально собственное затухание кабеля можно определить как разность уровней входного и выходного сигналов в том случае, если сопротивление источника сигнала и нагрузки равны между собой и волновому сопротивлению кабеля.

В процессе реальной эксплуатации это условие выполняется не во всех случаях, что обычно сопровождается увеличением затухания.

Такое затухание называется рабочим.

Из изложенного следует важный практический вывод о том, что для минимизации рабочего затухания и его приближения к собственному сопротивление источника сигнала и нагрузка должны быть равны волновому сопротивлению, то есть, по терминологии электротехники, должна быть обеспечена согласованная нагрузка как источника сигнала, так и самого кабеля.

Из формулы выше следует, что затухание является частотнозависимой величиной и, как все входящие в него параметры, зависит от длины кабеля.

Результаты анализа формулы показывают, что затухание связано с длиной витой пары линейной зависимостью на всех частотах.

Для упрощения выполнения инженерных расчетов удобно пользоваться параметром коэффициента затухания или погонного затухания α, который численно равен затуханию кабеля фиксированной длины (применительно к кабелю типа витой пары это обычно 100 м).

Величины коэффициента затухания α, длины L и затухания А связаны между собой следующим простым соотношением:

А |дБ| = α |дБ/100 м| х L |м|/100

Чем меньше величина затухания, тем более мощным оказывается сигнал на входе приемника и тем устойчивее при прочих равных условиях связь. Затухание вызывается активным сопротивлением и потерями в диэлектрической изоляции. Определенный вклад в затухание вносят также излучение электромагнитной энергии и отражения.

Любой проводник, по которому течет переменный ток, является источником излучения в окружающее пространство. Оно отбирает у сигнала энергию и ведет к возрастанию затухания сигнала. Это явление резко возрастает с увеличением частоты сигнала. При λ

Как было отмечено выше, в идеальной симметричной цепи электромагнитное излучение отсутствует. На практике таких идеальных симметричных цепей не существует. Дело в том, что в такой цепи проводники должны бесконечно плотно прилегать друг к другу и в пределе быть стянутыми в бесконечно тонкую линию, суммарный протекающий через которую ток равен нулю. Проводники с меньшим диаметром и более тонкой изоляцией плотнее прилегают друг к другу. Однако чрезмерное уменьшение сечения проводника и утоньшение изоляции ведет к повышению затухания за счет роста активного сопротивления и увеличения проводимости изолирующих покровов.

Частотная зависимость первичных параметров электрического кабеля

Из эквивалентной схемы можно сделать вывод о том, что затухание с ростом частоты имеет тенденцию к росту. Это обусловлено как ростом сопротивления продольной ветви в основном за счет элемента L, так и падением сопротивления поперечной ветви, которое обусловлено главным образом наличием емкости (элемент С). По стандарту TIA/EIA-568-А на длине 100 м и при температуре 20° С частотная характеристика A(f) максимально допустимого затухания, начиная с 0,772 МГц, для кабелей категорий 3, 4 и 5 определяется согласно следующему выражению

A (f) = k1√f + k2f + k3√f,

А, дБ — максимальное допустимое затухание

f, МГц — частота сигнала

k1, k2, k3 — константы, определяемые в зависимости от категории кабеля (см. таблицу ниже)

Кроме аналитического задания величины затухания стандарт TIA/EIA-568-А определяет этот параметр также в табличной форме с расширением нормируемых значений в область нижних частот. Это бывает полезным при выполнении инженерных расчетов трактов связи, предназначенных для поддержки работы некоторых приложений, а также позволяет сразу же получить необходимую информацию без выполнения вычислений.

Максимальное допустимое затухание кабелей категории 3,4 и 5 на длине 100 м при t=20ºС по стандарту TIA/EIA-568-A

На рисунке выше показаны частотные зависимости предельно допустимых затуханий кабелей различных категорий, вычисленные по формуле выше.

Аппроксимация по формуле оказалась очень удачной и достаточно часто используется многими производителями кабельной продукции для описания характеристик их изделий. При этом принимаются свои значения коэффициентов k 1 -k 3 , а область действия распространяется на частоты до 400 и даже 550 МГц.

Переходное затухание

При передаче сигнала часть его энергии вследствие неидеальности балансировки витой пары переходит в электромагнитное излучение, которое вызывает наведенные токи в соседних парах. Этот эффект называется переходными наводками. Наводки, накладываясь на полезные сигналы, передаваемые по соседним парам, могут приводить к ошибкам приема и в конечном итоге снижают качество связи.

Разность между уровнями передаваемого сигнала и создаваемой им помехи на соседней паре называется переходным затуханием. В зависимости от места и метода измерения этого параметра различают несколько видов переходного затухания, см. рисунок, на котором через Ii обозначены токи наводок, создаваемые различными участками влияющей витой пары во влияемой.

Переходные наводки на ближнем (слева) и дальнем (справа) концах соседней пары

Если источник сигнала и точка измерения находятся на одном конце, то говорят о переходном затухании на ближнем конце, если на разных — то о переходном затухании на дальнем конце. В технике СКС первое из них традиционно имеет заимствованное из англоязычной технической литературы обозначение NEXT (Near End Crosstalk), а второе — FEXT (Far End Crosstalk). В отечественной технической литературе, посвященной кабелям городской и междугородной связи, аналогичные параметры обозначаются соответственно А 0 и А 1 .

Чем выше значение NEXT и FEXT, тем меньший уровень имеет наводка в соседних парах, и соответственно тем более качественным является кабель. С практической точки зрения представляет интерес частотная зависимость переходного затухания на ближнем и дальнем концах, а также зависимость этих параметров от длины линии. Влияющая пара и пара, подверженная влиянию, проложены параллельно под общей защитной оболочкой. За счет этого их проводники могут рассматриваться как обкладки конденсатора. Это означает, что с ростом частоты переходное затухание падает. Стандарт TIA/EIA-568-A нормирует минимальные значения переходного затухания на ближнем конце при длине кабеля 100 м. Для определения минимально допустимого параметра NEXT на частотах, превышающих 0,772 МГц, используется следующее аппроксимирующее выражение:

NEXT(f) = NEXT(0,772) — 15 lg (f/0,772)

NEXT(0,772) — минимально допустимое переходное затухание на ближнем конце на частоте 0,772 МГц, которое для кабелей категорий 3, 4 и 5 принимается равным 43, 58 и 64 дБ соответственно

f, МГц — частота сигнала.

Дополнительно стандарт нормирует значения NEXT на частотах менее 0,772 МГц, что бывает необходимо для некоторых приложений. Нормируемые значения в этом случае представляются в табличной форме.

Результаты расчетов по формуле выше приведены на рисунке.

Максимально допустимые значения NEXT для кабелей категории 3,4 и 5 на длине 100 м по стандарту TIA/EIA-568-A

Суммирование отдельных составляющих одной частоты переходной помехи на ближнем конце происходит с различными фазами (по напряжению). Поэтому реальный график частотной зависимости величины NEXT имеет вид шумообразной кривой с резкими перепадами величин переходного затухания на близких частотах. Стандарты нормируют только минимальную величину параметра NEXT, и кабель считается соответствующим требованиям стандарта, если во всем рабочем частотном диапазоне реальная величина NEXT не падает ниже определенного нормами значения.

Типовая зависимость переходного затухания на ближнем и дальнем концах от длины линии показана на рисунке.

Зависимость переходного затухания не дальнем и ближнем концах от длины линии

Переходное затухание на ближнем конце с увеличением длины линии сначала несколько уменьшается, а затем стабилизируется. Качественное объяснение этого эффекта состоит в том, что, начиная с определенной длины линии, токи помех с отдаленных участков приходят на ближний конец настолько ослабленными, что практически не увеличивают взаимного влияния между цепями, и величина NEXT остается постоянной. Отсюда следует, что значения NEXT для двух концов одной пары могут существенно различаться между собой, поэтому все стандарты требуют его измерения с обеих сторон. График зависимости переходного затухания на дальнем конце от длины линии носит экстремальный характер. Вначале, пока длина линии мала, увеличение ее протяженности увеличивает мощность помехи. По мере увеличения длины начинает проявляться рост затухания помеховых составляющих, и FEXT монотонно возрастает.

Для улучшения параметра NEXT в симметричных кабелях применяют различный шаг скрутки витых пар. Кроме ослабления электромагнитной связи отдельных пар такое решение не позволяет им плотно прилегать друг к другу по всей длине, что дополнительно увеличивает переходное затухание.

Известно, что сетевое оборудование различного назначения по-разному использует симметричный кабель как среду передачи. Поэтому в зависимости от приложения и метода использования кабеля нормирование величины переходных помех или, что эквивалентно, переходного затухания выполняется по-разному.

Наиболее популярными ЛВС в настоящее время являются сети Ethernet. При использовании полнодуплексного режима передатчик и приемник работают одновременно, и эта аппаратура использует для работы две витые пары одного кабеля. Этот случай в схематическом виде изображен на рисунке.

К определению NEXT

При этом ослабленный после прохождения по витой паре информационный сигнал взаимодействует на входе приемника с мощной переходной помехой работающего на этом же конце передатчика. Поэтому достаточно нормировать следующий параметр:

NEXT = Р с — max Р п

Р с — уровень сигнала,

Р п — уровень создаваемой им переходной помехи

Величина max Р п берется на наихудший случай, так как заранее неизвестно, какие две пары будут использоваться сетевым оборудованием для организации информационного обмена.

В последнее время при построении сетевого оборудования четко обозначилась тенденция использования им для передачи информации одновременно нескольких пар (оборудование ЛВС 100Base-T4, 100VG AnyLAN и 1000Base-TX). С другой стороны, сигналы нескольких приложений все чаще передаются в одном многопарном кабеле. В данной ситуации нормирование только параметра NEXT оказывается недостаточным, так как на приемник одновременно действует несколько источников помех. Для учета этого обстоятельства используется более сложная расчетная модель, которая для 4-парного кабеля имеет вид, изображенный на рисунке (все пары действуют на одну), и нормируется параметр так называемой суммарной мощности (power sum).

К определению PS-NEXT

Из-за разного расстояния между парами, различного шага скрутки и т.д. разность между величинами NEXT и PS- NEXT оказывается равной не 4,8 д Б, а примерно 2 дБ.

Наконец, в новейших перспективных приложениях типа Gigabit Ethernet вход приемника и выход передатчика развязаны с помощью дифференциальной системы. Это позволяет одновременно использовать одну витую пару для приема и передачи сигналов. В этой ситуации дополнительно к переходным помехам на ближнем конце необходимо учитывать также помехи на дальнем конце и соответственно нормировать величину переходного затухания на дальнем конце:

FEXT=P c — max P п

P п — уровень переходной помехи на дальнем конце

К определению PS-NEXT

Аналогично переходной помехе на ближнем конце можно также ввести параметр PS-FEXT. Аналогично переходной помехе на ближнем конце может нормироваться и значение суммарной переходной помехи на дальнем конце. Переходная помеха на дальнем конце обычно оказывается меньшей по сравнению с переходной помехой на ближнем конце. Однако в отличие от помех на.ближнем конце эти помеховые составляющие достаточно часто суммируются синфазно или с небольшой разностью фаз, что может дополнительно увеличить их мощность.

И, наконец, некоторые производители начинают нормировать так называемую глобальную переходную помеху GXT (global crosstalk), которая равна сумме наведенных переходных помех на обоих концах кабеля.

В настоящий момент официальными редакциями стандартов задаются только величины NEXT и PS-NEXT (последнее значение приводится для многопарных и комбинированных кабелей), нормирование величин FEXT и GXT производится ограниченным количеством фирм.

Защищенность

Для оценки качества передачи информации в технике проводной связи широко используется параметр защищенности от помех, или просто защищенности, который представляет собой разность между уровнями полезного сигнала и помехи в рассматриваемой точке.

К определению NEXT

Для расчетной модели уровень сигнала составляет Р с = Р пер — А, а уровень переходной помехи Р пп = Р пер — NEXT. Защищенность согласно определению будет равна:

то есть зависит только от величин затухания и переходного затухания.

Параметр ACR определяет величину превышения помехи полезным сигналом и поэтому является интегральной характеристикой качества кабеля. Использованная для обозначения защищенности аббревиатура ACR означает Attenuation to Crosstalk Ratio. По мере увеличения величины ACR при прочих равных условиях начинает возрастать отношение сигнал/шум, и соответственно растет устойчивость связи. Из-за того что NEXT и А зависят от частоты, параметр ACR также является частотно-зависимым. Стандарт ISO/IEC 11801 регламентирует минимально допустимые значения ACR для кабелей категории 5 на частотах 20 МГц и выше. TIA/EIA-568-A специально не оговаривает предельных значений ACR на разных частотах, однако они могут быть вычислены по формуле ACR = NEXT — А. Результаты этих расчетов для кабелей категорий 3, 4 и 5 на длине 100 м представлены на рисунке.

Расчетные значения минимально допустимых параметров ACR по данным стандарта TIA/EIA-568-A для кабелей категории 3,4 и 5 на длине 100 м

Из этого рисунка видно, что, в худшем случае, сигнал на входе приемника должен превышать шумы наводок от соседней пары не менее чем на 10 дБ, что эквивалентно отношению сигнал/шум в 3,16 раз по напряжению или в 10 раз по мощности.

Введение параметра ACR позволяет конкретизировать понятие верхней граничной частоты кабеля. Считается, что кабели из витых пар с установленными на них оконечными разъемами обеспечивают устойчивую полнодуплексную работу любого приложения с такой верхней граничной частотой, на которой параметр ACR составляет 10 дБ. Это положение отдельно выделено на рисунке.

К определению параметра защищенности

Исключением из данного правила являются кабели категории 4, у которых на частоте 20 МГц ACR = 26 дБ. При этом верхнюю граничную частоту приложения не следует путать с максимальной частотой кабеля, на которой изготовитель сертифицирует его параметры, так как зачастую на ней значения ACR получаются отрицательными (особенно ярко это проявляется для неэкранированных конструкций с относительно невысоким NEXT). Необходимость сертификации параметров кабеля на этих частотах возникает для оценки возможности его использования для полудуплексной или однонаправленной (симплексной) передачи каких-либо сигналов, например телевизионных.

В случае высокочастотных приложений, которые в процессе работы используют для передачи информации все витые пары и одновременно в двух направлениях, нормирование только величины ACR оказывается недостаточным. Для расчета помеховой составляющей, создаваемой наводками на дальнем конце, используется аналогичная ACR величина

Применяемое для обозначения этого параметра сокращение ELFEXT означает Equal Lewel for Far End Crosstalk — эквивалентный уровень переходного затухания на дальнем конце.

Волновое сопротивление микрополосковой линии, Гарольд Уилер и Эрик Богатин / Хабр

Сейчас занимаюсь разработкой калькулятора для печатных плат и изучаю расчетные модели, которые стоят за табличными формулами. Добрался до волнового сопротивления микрополосковой линии и решил рассказать про модель Гарольда Уилера и то, как его Эрик Богатин недооценил, а оказалось, что у меня тут публикаций на тему волнового сопротивления вообще не было, поэтому сначала немного теории, а потом к восстановлению справедливости.

Волновое сопротивление для линии без потерь выражается всем известной формулой:

где L

_L

и C

_L

– погонные индуктивность и ёмкость линии (то есть в расчёте на единицу длины). Думаю, будет полезно пояснить, откуда она берётся. Рассмотрим предельно малый участок длинной двухпроводной линии передачи, по которой течёт переменный ток (рис. 1). Ток переменный, поэтому мгновенные значения тока, напряжения между проводами, линейной плотности электрического заряда меняются вдоль проводов.

Закон сохранения заряда для участка провода и закон Фарадея для контура выглядят следующим образом:

Для линии без потерь (R

_L

= 0) и с учётом Φ

_L

= L

_L

∙ i и q

_L

= C

_L

∙ v получим:

Эти дифференциальные уравнения приводятся к волновой форме, для которой получаем:

где u – скорость распространения волны, а коэффициент, связывающий ток в проводах и напряжение между проводами – волновое сопротивление. Сразу приведем полезные соотношения (TD – временная задержка линии):

Ёмкость и индуктивность зависят от частоты, поэтому и волновое сопротивление меняется с изменением частоты. Влияние скин-эффекта на индуктивность ограничивается частотами до нескольких десятков мегагерц, в верхнем диапазоне частот она меняется незначительно. На значение ёмкости оказывает зависимость диэлектрической проницаемости материала печатной платы от частоты, а для микрополосковых линий из-за несимметричности диэлектрика ещё и эффект дисперсии. Данные для стеклотекстолита FR-4 в различных источниках отличаются, однако в качестве оценки можно принять, что диэлектрическая проницаемость снижается на 0,15-0,2 каждую декаду (рис. 2). Отличие в данных объясняется тем, что FR-4 — это класс материалов. Он состоит из стекловолокна и эпоксидной смолы, имеющих значительно отличающиеся диэлектрические проницаемости (рис. 3). Чем больше смолы в материале, тем меньше усреднённое по объёму значение диэлектрической проницаемости стеклотекстолита. Отсюда разные значения у разных производителей. Кстати, из-за такой анизотропии диэлектрическая проницаемость зависит и от направления — продольное или поперечное, что влияет на расчёты для дифференциальных линий, так как в зависимости от режима конфигурация полей будет отличаться.

Взаимное расположение волокон стекловолокна и проводника также влияет на волновое сопротивление. Если проводник расположен над волокном, то его волновое сопротивление будет несколько выше по сравнению с соседним проводником, который попал в промежуток между волокнами. Если проводник направлен под углом к волокнам, то это приводит к периодическому изменению волнового сопротивления и резонансным эффектам на частотах в области десяток ГГц. Степень влияния значительно зависит от типа плетения стекловолокна (рис. 4). Именно поэтому существуют специализированные материалы для высокочастотных печатных плат, где влияние этих эффектов становится значимым. Параметры таких диэлектриков обладают лучшей стабильностью в широком диапазоне частот и гораздо лучше документированы.

Что касается потерь (рис. 5), то для большинства практических случаев применима модель с низкими потерями (англ. low-loss model), для которой на высоких частотах потерями можно пренебречь R

_SER

≪ ωL, R

_LEAK

≫1⁄ωC. Такое упрощение позволило разработать эффективные модели, позволяющие с высокой точностью вычислять параметры сигнальных линий при помощи стандартных функций.

Планарные сигнальные линии были изобретены в начале 50-ых годов прошлого столетия, и для полосковых линий почти сразу были разработаны точные математические модели, а на создание точной модели анализа микрополосковой линии понадобилось несколько десятилетий. Одним из первых (в 1965 году) точные решения для частных случаев

дал

Гарольд Уилер, которые позже (к 1977 году) были им

обобщены

. Причина в несимметричности диэлектрика, которая приводит к сложному распределению электрического поля, которое ещё и зависит от частоты.

Естественно, эта модель была не единственная – и к 1988 году их накопилось достаточное количество, чтобы их было интересно сравнить. Это сделал великий и ужасный Эрик Богатин. Я наткнулся на эту статью, когда выбирал расчётную модель для калькулятора. Потом я добрался до публикаций Уилера, где много страниц крутой математики с конформными преобразованиями, и понял, что Богатин невнимательно его читал (или вообще не читал) и загрубил его модель, что повлияло на результаты сравнения. Потом эта ошибка перекочевала в 2007-ой год. При этом сам Богатин ссылается на монографию ”Microwave Transmission Line Impedance Data” некоего М.А.Р. Гунстана, но я уже не стал дальше копать, откуда ноги растут, признав виновником товарища Богатина (которого я, кстати, очень уважаю, Богатин – сила).

Итак, в чём суть. Богатин экспериментально измерял погонную ёмкость микрополосковых линий различной ширины (на частоте 1 кГц) и сравнивал с расчётными значениями (рис. 6).

Во всех моделях, у которых я изучал первоисточники, приводятся аналитические соотношения для волнового сопротивления. Ёмкость же рассчитывается, используя следующее соотношение:

где ε

_r

– диэлектрическая проницаемость, c – скорость света. Несимметричность диэлектрика приводит к тому, что приходится изобретать эффективное значение диэлектрической проницаемости. Богатин пишет:

In the case of Wheeler [13], no model for the effective dielectric constant is offered. However, based on the suggestion by Gunsten [6], the plot for Wheeler’s model uses the effective dielectric constant from Schneider’s model.

и использует гибридную модель «Уилера-Шнайдера» (результат в пФ/дюйм):

Модель даёт по результатам эксперимента неплохую точность и Богатин хвалит свой изобретённый велосипед:

The combination of Wheeler’s and Schneider’s model is found to agree with previous published data and new data presented here to better than 3 percent, and is of a form suitable for use in a spread sheet. In addition to being useful for computer simulation of specific designs, this model can yield some useful insight to add to the intuition of fabrication and design engineers

А теперь обратимся к первоисточнику. Те формулы, которые использует Богатин – это упрощённые формулы для случая без диэлектрика:

а полная модель выглядит так:

здесь в обозначениях Уилера R – волновое сопротивление, k – диэлектрическая проницаемость, R

₁

= R(k = 1) – сопротивление без диэлектрика, ∆w – корректировка ширины, учитывающая толщину проводника, ∆w’ – корректировка с учётом влияния диэлектрика. Для эффективного значения диэлектрической проницаемости Уилер использует обозначение k’ и приводит для него следующую формулу:

которая не так проста, конечно, как у Шнайдера, но тем не менее, она в модели есть. Я повторил расчёты Богатина, оставив самые точные модели: Шнайдера, Уилера, их гибридный вариант – и добавил результаты расчёта с помощью калькулятора

Saturn PCB Toolkit

и модели

Хаммерстэда

. Для наглядности привожу и график, и табличные данные с ошибкой относительно экспериментальных данных.

С учётом погрешностей измерения и значения диэлектрической проницаемости базового материала (2,2 ± 1%) можно сказать, что все модели хорошо коррелируют с экспериментальными данными, не зря исследователи годами формулы подгоняли. От Saturn ожидал большей точности, так как там прямо написано, что он использует «не простую, а сложную» формулу и точность сравнима с Sonnet 3D. К тому же там толщину можно только в унциях выбирать, а это либо ½ oz. (18 мкм), либо 1 oz. (35 мкм), а 1 мил (25,4 мкм) не задать. Значения в таблице приведены для ½ oz., так как они ближе к экспериментальным данным так получаются. Также очевидно, что исходная модель Уилера дала бы большую точность на этой выборке данных, поэтому мне и было за него досадно. Особенно с учётом того, что как раз-таки модель Шнайдера имеет серьёзный недостаток – она не учитывает влияние толщины проводника, что почти не влияет на ёмкость, но значимо для индуктивности и поэтому самого волнового сопротивления. Богатин значения волнового сопротивления, к сожалению, не приводит, поэтому в качестве опорного значения использовал калькулятор от уважаемой фирмы Rogers. В Saturn в этот раз 1 oz. несколько лучшую точность дало, не очень мне пока понятна логика его работы. На графике видно, что при снижении ширины (где влияние толщины возрастает) Шнайдер отваливается. А Rogers, видимо, как раз на модели Хаммерстэда основан. Я первоначально на Уилере сделал, но раз большинство продвинутых калькуляторов на Хаммерстэде, то можно будет на эту модель перейти, чтоб от них не отставать (хотя в модели нет явной формулы для синтеза, в отличие от уилеровской).

Собственно, на этом считаю справедливость восстановленной. Уилер — мощь. Даже Богатин иногда ошибается. Поэтому не доверяйте, проверяйте и перепроверяйте. Используйте расчёты для Ваших сигнальных линий. Кстати. Просьба поделится в комментариях, используете ли Вы расчёт волнового сопротивления и если да, то с помощью чего считаете?

P.S. Я в процессе работы над калькулятором и книгу дорабатываю, сейчас до бесплатной версии руки дошли – добавил все улучшения и исправления, которые были до этого только в полную внесены. Всем удачи!

3.2.6 Простейшие фильтры второго порядка

К простешим фильтрам второго порядка относят цепочки, содержащие две реактивности разного знака: индуктивность и емкость. В зависимости от схемы включения контура к источнику сигнала различают последовательный и параллельный колебательный контуры. В последовательном контуре источник сигнала и элементы контура (обычно это конденсаторы и катушки индуктивности) соединены последовательно. Выходное напряжение чаще снимают с конденсатора (см. рис.12).

Рис. 12

Моделью конденсатора является емкость С, катушку индуктивности обычно представляют последовательным соединением индуктивности L и активного сопротивления , отражающего сопротивление провода катушки постоянному току. На схеме рис.12 источник сигнала представлен источником ЭДС e(t) с внутренним сопротивлением .

В параллельном контуре источник сигнала представляют в виде источника тока, параллельно с которым соединены емкость и катушка индуктивности (рис.13).

Рис. 13

Частотный коэффициент передачи определяется при гармоническом сигнале на входе. Определим собственные параметры контуров (при R_c =0 для источника ЭДС и R_c = для источника тока в режиме холостого хода на выходе).

Для последовательного контура, используя комплексный метод, получаем

.

(1)

Для параллельного контура коэффициентом передачи является сопротивление контура, т.к.

(2)

В обоих случаях знаменатель определяется полным последовательным сопротивлением контура

.

На частоте, называемой резонансной, мнимая часть последовательного сопротивления равна нулю, т.е. , откуда получаем известное соотношение (формула Томпсона) .

Величины определяют волновое или характеристическое сопротивление контура, т.е. сопротивление реактивных элементов на резонансной частоте.

Таким образом, на резонансной частоте .

Отношение волнового сопротивления последовательного контура к сопротивлению потерь катушки называют собственной добротностью контура

.

(3)

Соотношения (1) и (2) с учетом введенных обозначений легко преобразуются к виду

,  ,

(4) (5)

где приближенное равенство справедливо для Q>1.

Коэффициент передачи последовательного контура на резонансной частоте равен добротности, т.е. амплитуда выходного напряжения в Q раз больше амплитуды входного. Собственное сопротивление же последовательного контура на резонансной частоте действительно и равно и увеличивается по модулю с изменением частоты влево или вправо от резонансной.

Коэффициент передачи параллельного контура (а, следовательно, и его полное сопротивление) на резонансной частоте максимальны и равны:

.

С изменением частоты модуль полного сопротивления уменьшается.

При определении характера поведения АЧХ и ФЧХ цепей вблизи резонанса() преобразуем выражение под корнем с учетом следующих обозначений:

,

,

где – абсолютная расстройка частоты сигнала относительно резонансной частоты, — относительная расстройка;

,

(6)

где величина называется обобщенной расстройкой. Тогда вблизи резонанса можно записать

; .

(7) (8)

На частотах, соответствующих = 1, коэффициенты передачи в раз меньше резонансных. При = 1, имеем , где абсолютная расстройка, соответствующая этому случаю. Величина называется полосой пропускания контура как полосового фильтра. Отсюда получают второе определение добротности контура в виде отношения резонансной частоты к полосе частот , определяемой на уровне от максимума.

В области низких частот ()

, .

В области высоких частот ()

, .

Рис. 14

На рис.14 показаны АЧХ и ФЧХ последовательного (а) и параллельного (б) контуров.

На границах полосы пропускания ФЧХ имеет значение от значения ФЧХ на резонансной частоте ().

С увеличением добротности полоса пропускания уменьшается (избирательность увеличивается), наклон ФЧХ в полосе пропускания увеличивается.

Легко показать, что конечные значения сопротивления источника сигнала и нагрузки уменьшают добротность системы, расширяя ее полосу пропускания, т.к. при этом увеличивается последовательное сопротивление контура постоянному току. Так как сопротивление в схеме последовательного контура просто складывается с , то добротность оказывается равной . Для определения влияния и в параллельном контуре заменим последовательную модель катушки индуктивности на параллельную (см. рис.15).

Рис. 15

Величины и выразим из равенства:

.

Преобразуем правую часть в обычную алгебраическую форму комплексного числа, избавившись от комплексности в знаменателе:

.

Вблизи резонансной частоты величина , следовательно

,

(9)

откуда .

Кроме того, при Q>1 можно считать, что , поэтому

,

следовательно, .

Собственная добротность контура в схеме рис.15, б определяется как

.

При учете сопротивлений и общее активное сопротивление контура равно меньше сопротивления , следовательно, добротность меньше собственной добротности контура.

Резонансное сопротивление параллельного контура в этом случае определяется как , и, таким образом, меньше самого меньшего из сопротивлений и . Следовательно, чтобы полностью использовать избирательные свойства контура (заданные полосой ), необходимо на входе использовать источник сигнала с большим выходным сопротивлением , и подключать нагрузку с .

При анализе схем с параллельными контурами можно источник тока с большим заменить источником ЭДС с большим (рис.16).

Рис. 16

При характеристики такой схемы будут определяться собственными параметрами контура. В этом случае в контур втекает ток . На резонансной частоте

,

Откуда коэффициент передачи на резонансной частоте по напряжению

.

Поведение же АЧХ и ФЧХ этого коэффициента передачи будет аналогично рассмотренному выше поведению АЧХ и ФЧХ сопротивления параллельного контура с добротностью

 .

Сопротивления и можно с помощью формулы (9) пересчитать в последовательные, которые называют вносимыми сопротивлениями:

; ,

откуда ясен смысл уменьшения добротности при и .

При невозможности выполнить эти требования используют так называемое частичное (неполное) включение контура.

Разновидности схем таких контуров приведены на рис.17.

Рис. 17

Схема рис.17,а называется параллельным контуром второго вида, а рис.17,б – параллельным контуром третьего вида. Полное включение, рассмотренное выше, образует контур первого вида.

Коэффициентом включения называют отношение индуктивности (или емкости), к которым подключен источник (или нагрузка), к полной индуктивности (или емкости) контура. Для схемы рис.17,а ; для схемы рис.17,б .

Резонансное сопротивление контуров с неполным включением определяется как . Вносимые сопротивления также уменьшаются в p ² раз. Поэтому полная добротность системы уменьшается меньше, чем при полном включении, а при очень малых практически не уменьшается (правда ценой значительного уменьшения резонансного сопротивления, и, следовательно, выходного напряжения).

На схеме рис.17,в показано подключение источника и нагрузки к контуру так, чтобы ослабить их шунтирующее действие на контур.

Неполное влючение контура используется также для такого согласования с источником и нагрузкой, при котором в нагрузку передается максимальная мощность. Это возможно при выполнении равенств . При этом добротность контура уменьшается в два раза, а полоса вдвое увеличивается.

Одним из недостатков использования схем с неполным включением является дополнительный электротехнический резонанс напряжений, возникающий в ветви, содержащей емкость и индуктивность.

Эти последовательные резонансы происходят на частотах, отличных от резонансной частоты всего контура. Так для схемы рис.17,а , а последовательный резонанс возникает на частоте ; для схемы рис.17,б , а .

Подбирая коэффициенты включения, можно менять частоты последовательных резонансов так, чтобы они не влияли на прохождение сигналов.

Волновое сопротивление — цепь — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Волновое сопротивление — цепь

Cтраница 1

Волновое сопротивление цепи необходимо знать для расчета входных и характеристических сопротивлений приборов, включаемых в цепь. Например, чтобы ке было отраженных волн и приемный аппарат получил наибольшую кажущуюся мощность, входное сопротивление приемного аппарата должно равняться волновому сопротивлению цепи. Кроме того, волновое сопротивление цепи необходимо знать для расчета балансных контуров, применяемых в телефонии и телеграфии при дуплексной связи.  [2]

Волновое сопротивление цепи необходимо знать для расчета входных и характеристических сопротивлений приборов, включаемых в цепь. Например, чтобы не было отраженных волн и приемный аппарат получил наи — Стапь Ъмм большую кажущуюся мощность, входное сопротивление приемного аппарата должно равняться волновому сопротивлению цеди.  [4]

Модуль волнового сопротивления цепей междугородного кабеля с жилами dl 2 мм с кордельно-бумажной изоляцией при высоких частотах изменяется незначительно.  [6]

Модуль волнового сопротивления цепей междугородного кабеля с жилами d — 2 мм с ордельно-бумаж-ной изоляцией при высоких частотах изменяется незначительно.  [8]

При несогласованности волнового сопротивления цепи и входного сопротивления включенной в цепь нагрузки, а также при конструктивных неоднородностях цепи, по концам цепи и в точках нарушения однородности возникают отраженные волны. Это приводит к появлению двух дополнительных потоков энергии: 1) потока, движущегося к началу цепи; 2) попутного потока, возникающего из-за двойных отражений и движущегося к концу цепи вместе с основной энергией сигнала.  [9]

С называется волновым сопротивлением цепи. В системе, содержащей емкость и самоиндукцию ( колебательный контур), могут возникать собственные колебания с частотой / 1: ( 2т: У LC) ( Радиотехника, том IV, нем. R очень велико, увеличение периода колебаний и соответственно уменьшение частоты.  [10]

Эту величину называют волновым сопротивлением цепи ( как пояснено подробнее на стр.  [11]

Для чего необходимо знать волновое сопротивление цепи.  [12]

Если сопротивление нагрузки ZH равно волновому сопротивлению цепи Zc, то энергия падающего импульса будет целиком поглощена сопротивлением нагрузки ( ZH Zc; U0 0; р s 0), отраженной волны в цепи не появится и осциллограмма явления будет иметь вид, изображенный на фиг.  [13]

У существующих типов линий связи волновое сопротивление цепей в полосе используемых частот является — комплексной величиной, состоящей из активной и емкостной ( реактивной) составляющих.  [14]

У существующих типов линий связи волновое сопротивление цепей в полосе используемых частот является комплексной величиной, состоящей из активной и емкостной ( реактивной) составляющих.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Демистификация испытаний сопротивления контура заземления

Из всех испытаний, которые подрядчики обычно проводят на электрических установках, испытание полного сопротивления контура заземления создает наибольшую путаницу и неопределенность. Зачем нужен тест и какой метод тестирования лучше всего использовать? Саймон Вуд из Megger отвечает на эти и другие часто задаваемые вопросы.

Основная причина тестирования сопротивления контура заземления, которое часто называют испытанием контура, заключается в том, чтобы убедиться, что при возникновении неисправности в электрической установке будет протекать ток, достаточный для срабатывания предохранителя или автоматического выключателя, защищающего неисправную цепь в течение заданного времени. .Цель состоит в том, чтобы убедиться, что цепь отключена достаточно быстро, чтобы предотвратить перегрев и, возможно, возгорание.

Правила требуют, чтобы регистрировались два импеданса контура. Первый — это Ze, полное сопротивление контура внешнего замыкания, которое обычно измеряется на распределительном щите или на блоке потребителя, где источник питания входит в здание. Второй — это Zs, полное сопротивление контура неисправности системы, которое необходимо измерять отдельно для каждой цепи в месте, электрически наиболее удаленном от точки питания.
Для проведения испытаний импеданса контура у подрядчиков есть два варианта: либо использовать специальный тестер, например, в линейках Megger LTW и LT, либо использовать функцию тестирования контура многофункционального тестера установки (MFT), такого как устройство серии Megger MFT1700. Оба варианта дадут одинаково хорошие результаты, поэтому выбор остается за индивидуальным подрядчиком.

Когда дело доходит до фактического проведения испытаний, у подрядчиков есть более широкий выбор, поскольку существует пять широко используемых методов испытаний! Это двухпроводные сильноточные, двухпроводные без отключения с подачей постоянного тока, трехпроводные без отключения, двухпроводные без отключения и четырехпроводные испытания импеданса сети.Давайте посмотрим на преимущества, ограничения и возможности применения каждого метода.

Традиционные двухпроводные сильноточные испытания с заземлением под напряжением и испытательным током 20 А или более дают быстрые, точные и воспроизводимые результаты, на которые не влияют внешние воздействия. Обратной стороной является то, что он всегда будет отключать УЗО и АВДТ, а также иногда отключать малоточные (6 А) автоматические выключатели. Этот метод испытаний лучше всего использовать при измерении Zs для цепей, которые не защищены УЗО или АВДТ, и его всегда следует использовать для измерения Ze и полного сопротивления контура между фазой и нейтралью.
Двухпроводные испытания без отключения с подачей постоянного тока устарели из-за изменений в конструкции УЗО и АВДТ. Современные версии этих устройств не могут быть «отключены» подачей постоянного тока и будут отключаться во время теста. Следовательно, этот метод тестирования больше не особенно полезен.

Трехпроводная проверка без отключения требует подключения к токоведущим, нейтральным и заземляющим проводам и обычно использует испытательный ток не более 15 мА. Его преимущества заключаются в том, что нет необходимости в обходе УЗО и АВДТ во время тестирования, что экономит время и не срабатывает автоматические выключатели.Однако есть несколько ограничений.

Результаты не так согласованы, как результаты, полученные при сильноточных испытаниях, прибору требуется больше времени для выполнения измерений, на результаты могут влиять внешние факторы; также внутренний импеданс УЗО может иногда влиять на результат. Кроме того, даже несмотря на то, что это тест без отключения, иногда случается, что существующие и тестовые токи заземления складываются, чтобы отключить УЗО или АВДТ.
Однако эти ограничения влияют только на меньшую часть случаев, и трехпроводное испытание без отключения является предпочтительным методом для цепей, защищенных УЗО и АВДТ, где легко доступен доступ к токоведущим, нейтральным и заземляющим проводам.

Двухпроводное отключение требует подключения только к токоведущим и заземляющим проводам и, следовательно, может использоваться в таких местах, как переключатели света, где нет нейтрали. На этот метод испытания, как правило, не влияют внутреннее сопротивление УЗО или токи утечки на землю, но время измерения все же больше, чем при сильноточном испытании, и на результаты иногда все же влияют внешние воздействия. Также могут возникать случайные срабатывания УЗО или АВДТ. Тем не менее, это очень полезный метод тестирования и всегда предпочтительный вариант, когда нет удобного нейтрального подключения.

Для испытания импеданса четырехпроводной сети требуется специальное испытательное оборудование и используются испытательные токи до 1000 А. В первую очередь он предназначен для измерения Ze, он обеспечивает точные и надежные результаты даже в сложных условиях — например, вблизи питающего трансформатора — но из-за стоимость и размер задействованного оборудования, его используют только специализированные подрядчики, которые регулярно работают на крупных промышленных установках и инфраструктурных проектах.

Надеюсь, эта статья прояснила по крайней мере некоторую путаницу и неопределенность, которые часто связаны с тестированием импеданса контура.Чтобы получить более подробную информацию, почему бы не загрузить буклет, выпущенный Megger, щелкнув здесь.

Если вы желаете продемонстрировать какой-либо из упомянутых продуктов, щелкните здесь.

Узнайте больше о тестерах петель, упомянутых в статье.

Щелкните здесь для MFT1700 серии

Нажмите здесь, чтобы увидеть LTW300 series

Щелкните здесь, чтобы получить LT300

Щелкните здесь, чтобы получить NIM1000

Проверка сопротивления заземляющего электрода и контура заземления (теория и приложения)

Испытание импеданса контура заземления

При проведении измерений импеданса контура заземления или предполагаемого тока повреждения (PFC) в этом отношении всегда стоит помнить, почему показания берется.Слишком часто время на месте теряется, потому что теряется принцип того, что должен доказать тест.

Тестирование сопротивления заземляющего электрода и контура заземления (теория и приложения)

Тестирование контура можно охарактеризовать как «Темное искусство». — это наиболее сложное измерение, выполняемое подрядчиком по электротехнике в его повседневной работе. Под трудностью следует уточнить, что трудность остается в методе получения неуловимых, стабильных, повторяемых показаний, которые мы все ищем, а не в применении самого теста.

Когда вы смотрите и сравниваете принципы проверки целостности цепи, изоляции, контура или УЗО, тесты контура не должны вызывать такого уровня ужаса, который они вызывают. Это простой тест.

Какому сопротивлению будет подвергаться замыкание между фазой и землей? ?

Схема импеданса контура заземления для тестирования

Испытания контура заземления проводились десятилетиями, так почему мы до сих пор получаем колеблющиеся показания в определенных цепях или, что еще хуже, показания, которые на первый взгляд осуждают установку?

Производители испытательного оборудования продолжают искать Святой Грааль методов испытания контура заземления — один тест, который можно использовать в любой цепи, в любом месте, при любом напряжении , который даст нам стабильные точные показания, которые мы желаем.

С каждым технологическим прогрессом в тестировании схемы и их компоненты меняются, создавая препятствия на пути плохого тестера импеданса контура!

Мы надеемся, что этот буклет даст вам представление о различных методах, доступных сегодня на рынке, и вооружит вас знаниями, чтобы вести свой распорядок дня, будучи уверенными в том, что показания снимаются и записываются.

Проверка сопротивления заземляющего электрода и контура заземления (теория и приложения)

Соответствующее содержание EEP с спонсорскими ссылками

Как определить импеданс контура замыкания на землю

Дополнительные советы экспертов от команды ELECSA.

В этой статье объясняется, почему необходимо определять значения полного сопротивления контура замыкания на землю (Zs) для новых установок и для находящихся в эксплуатации, которые проверяются и испытываются для определения их состояния. В статье также обсуждается использование расчета в качестве альтернативы измерению импеданса контура, как это разрешено BS 7671.

Полное сопротивление внешнего контура заземления (Ze)

Правило 313.1 требует определения ряда характеристик источника питания установки, включая номинальное напряжение относительно земли (U₀), полное сопротивление контура заземления той части системы, которая находится вне установки (Ze), и предполагаемое короткое замыкание. -ток цепи в источнике установки.

Значение полного сопротивления внешнего контура заземления (Ze), измеренное или определенное иным образом в соответствии с Правилом 313.1, может отличаться от применимого типичного максимального значения, заявленного поставщиком электроэнергии, которое обычно составляет:

• 0,8 Ом для системы TN-S
• 0,35 Ом для системы TN-C-S
• 21 Ом плюс сопротивление заземляющего электрода установки для системы TT.

Импеданс контура заземления конечных цепей

Для каждой конечной цепи и цепи распределения необходимо подтвердить, что значение полного сопротивления контура линия-земля (Zs) достаточно низкое, чтобы обеспечить автоматическое отключение питания цепи в течение соответствующего максимального времени, указанного в группе правил 411.3.2 в случае замыкания на землю.

В таблице 1 приведены максимальные времена отключения, разрешенные для конечных цепей и распределительных цепей в системах TN и TT при номинальном напряжении относительно земли (U₀) 230 В. При проверке того, что значение Zs достаточно низкое, чтобы обеспечить отключение в пределах требуемого максимума. При этом необходимо учитывать характеристики защитного устройства, используемого для автоматического отключения.

Для широко используемых устройств максимального тока это обычно выполняется путем проверки того, что измеренное значение Zs в электрически наиболее удаленной части цепи не превышает 80% применимого максимального значения, указанного в таблицах 41.2, 41.3 из 41.4 БС 7671.

Для устройств максимального тока, не указанных в этих таблицах, необходимо обратиться к другому надежному источнику информации о предельных значениях Zs, например, к данным производителя.

Если защитное устройство представляет собой УЗО без задержки, максимальное значение Zs можно найти в таблице 41.5 стандарта BS 7671. Значения Zs в этой таблице предназначены для системы TT, но также могут применяться к системе TN. Эти значения Zs не только соответствуют требованиям стандарта BS 7671 по времени отключения, но также соответствуют условию RA × I∆n ≤ 50 В, указанному в Положении 411.5.3 (ii) для системы TT. (RA — это сумма сопротивлений заземляющего электрода (относительно земли) и защитного проводника, соединяющего его с открытой проводящей частью. I∆n — номинальный остаточный рабочий ток УЗО.)

Для УЗО, не указанных в таблице 41.5, максимальное значение Ze можно определить из информации, приведенной в таблице 3A Приложения 3 стандарта BS 7671, используя формулу, приведенную на той же странице, что и эта таблица. Кроме того, для системы TT, Zs должно быть достаточно низким, чтобы удовлетворять условию RA × I∆n ≤ 50 В, упомянутому выше.

Последствия при проведении испытаний полного сопротивления контура заземления

Для новых установок испытание импеданса контура заземления не должно вызывать проблем в работе во время процесса первоначальной проверки, поскольку установка не будет введена в эксплуатацию.

Однако для установки, которая находится в эксплуатации, могут возникнуть серьезные последствия для пользователя помещения, если, например, потеряны компьютерные данные или отключена домашняя система жизнеобеспечения в результате непреднамеренного прерывания подачи электроэнергии во время испытание, например, вызванное непреднамеренным срабатыванием УЗО.

Непреднамеренное отключение цепи, группы цепей, распределительного щита или даже всей установки может произойти, если срабатывает УЗО при выполнении испытания полного сопротивления контура замыкания на землю. В результате был разработан ряд методов, позволяющих минимизировать вероятность срабатывания УЗО во время такого испытания.

Один из таких методов, расчет, описан ниже. Другой метод — измерить полное сопротивление контура заземления с помощью прибора для тестирования контура, который подает испытательный ток, достаточно низкий, чтобы не сработать УЗО, например 15 мА.

Определение полного сопротивления контура заземления расчетным путем

Регламент 612.9 разрешает определять полное сопротивление контура заземления не только путем измерения, но и другими способами. Следовательно, если доступны надежные измеренные значения для внешнего сопротивления контура заземления (Ze) и для сопротивления контура линии и защитных проводников (R₁ + R₂) цепи, допустимо определить полное сопротивление контура цепи, используя по следующей формуле: Zs = Ze + (R₁ + R₂).

Однако использование ранее измеренного значения Ze или значения Ze, которое было определено в результате запроса, сделанного с помощью распределителя электроэнергии, не обеспечивает подтверждения того, что предусмотренные средства заземления присутствуют и имеют достаточно низкое омическое значение.Такое подтверждение может быть получено только путем измерения значения Ze с помощью прибора для измерения импеданса контура, когда установка изолирована от источника питания, а средства заземления отсоединены от проводов защитного заземления установки, как показано на рис. 1.

В более крупных и сложных установках значение полного сопротивления контура заземления, измеренное на распределительном щите (Zdb), от которого исходит распределительный контур или конечный контур, можно заменить на Ze в приведенной выше формуле.

Кроме того, поскольку проверка контура выполняется на стороне питания любого УЗО, защищающего рассматриваемую цепь, в большинстве случаев она не должна вызывать срабатывание УЗО при измерении Ze или Zdb. Однако лица, использующие этот метод, должны убедиться, что перед тестируемой цепью нет других УЗО, защищающих, например, вспомогательную главную цепь.

Разумные меры предосторожности

Использование патентованных сменных адаптеров рекомендуется всякий раз, когда необходимо провести испытание полного сопротивления контура высокого или низкого тока, которое в противном случае потребовало бы использования испытательных щупов и частичного демонтажа (например, для проверки цепей освещения в жилых помещениях).Использование зондов для проведения испытаний под напряжением может увеличить риск поражения электрическим током.

Правило 14 Правил об электричестве на рабочем месте 1989 года гласит, что никто не должен заниматься какой-либо работой на любом проводе под напряжением или рядом с ним, за исключением случаев, когда такая работа является разумной, и соответствующие меры предосторожности для предотвращения травм в результате поражения электрическим током. были взяты. Термин «работа» не ограничивается только электромонтажными работами, но включает любую рабочую деятельность, например, электрические испытания.

Узнайте, как проводятся испытания сопротивления контура замыкания на землю

Зачем проводится проверка импеданса петли для уха -го короткого замыкания?

Каждая цепь должна быть протестирована, чтобы убедиться, что фактическое полное сопротивление контура не превышает указанного для соответствующего защитного устройства.Из-за серьезности контакта с электрическими повреждениями критически важно проверить электрические установки и точки питания на полное сопротивление контура замыкания на землю. Ваши системы ценны, а схемы необходимо поддерживать в рабочем состоянии, чтобы обеспечить надежность и функциональность вашего бизнеса. В большинстве домов базовая защита от ударов осуществляется путем организации цепи заземления с автоматическими выключателями во внутренних цепях электропроводки. Это быстро прерывает подачу питания в цепь заземления, где возникает неисправность и напряжение прикосновения превышает допустимый предел.

В соответствии с действующими национальными стандартами безопасности, вы должны провести испытание импеданса контура в своем помещении, чтобы гарантировать безопасность всех гостей и сотрудников. Необходимо проверить электрическое заземление всех ваших электрических установок и точек питания, чтобы обнаружить какие-либо неисправности в вашей электрической цепи. Наличие функциональной цепи возврата на землю позволит обнаруживать неисправности цепи и облегчать реакцию вашего MCB (миниатюрный автоматический выключатель). Техник Carelabs определит уровень сопротивления в вашей цепи заземления и уведомит вас, если он находится на неправильном уровне — он должен быть достаточно низким, чтобы автоматический выключатель работал правильно.Carelabs проверит и протестирует вашу электрическую проводку, и, попросив нас проверить, вы защищаете как своих сотрудников, так и свою ответственность. Важно соблюдать национальное законодательство, чтобы избежать суровых наказаний.

Требуемые значения импеданса и времени будут меняться в зависимости от типа установки (TN / TT и т. Д.) И типа защиты, будь то, например, миниатюрный автоматический выключатель (MCB), патронный предохранитель или предохранитель с возможностью перенастройки. Ток короткого замыкания может быть либо в цепи фаза-нейтраль, либо в цепи фаза-земля, поэтому необходимо подтверждать полное сопротивление контура каждого

.

Что делается во время испытания импеданса контура замыкания на землю?

Принято считать, что, если измеренное полное сопротивление контура замыкания на землю цепи не превышает 80% соответствующего предела, указанного в BS 7671, можно ожидать, что полное сопротивление будет достаточно низким в условиях замыкания на землю, чтобы соответствовать соответствующему пределу. указанного в BS 7671, и для автоматического отключения защитного устройства в течение указанного времени.

Надлежащая защита от поражения электрическим током обеспечивается, если система электропроводки TT соответствует:

Ra x Ia <50,

Где «Ra» — это сумма сопротивлений шин заземления и защитных проводов, а «Ia» — максимальный ток системы защиты. Ra, умноженное на Ia, не должно превышать 50 В, т.е. максимальное напряжение, к которому можно прикоснуться, не будет превышать 50 В в случае замыкания на землю.

Проверка сопротивления контура короткого замыкания выполняется между активным проводником и землей.Чтобы проверить импеданс контура, наш техник будет использовать тестер сопротивления контура заземления, который подключается к розетке питания (GPO) для снятия показаний.

Наши высококвалифицированные сотрудники полностью мобильны и предлагают услуги по тестированию импеданса контура заземления по всей стране.

Как мы проводим испытание сопротивления контура замыкания на землю?

Рекомендуется сначала провести испытание полного сопротивления контура заземления (Ze). Этот тест, проводимый на распределительном щите, дает полное сопротивление контура цепи, исключая установку.Затем необходимо провести испытание полного сопротивления контура системы (Zs), которое включает в себя схему, испытанную в ходе испытания Ze, а также сопротивление установки.

Полное сопротивление цепи переменного тока может отличаться от ее сопротивления постоянному току — особенно для цепей с номиналом более 100 А — таким образом, полное сопротивление цепи повреждения измеряется с использованием той же частоты, что и номинальная частота сети (50 Гц).

Измерение импеданса контура замыкания на землю Ze производится на стороне питания распределительного щита и основных средств заземления, при разомкнутом главном выключателе и изолировании всех цепей.Во время испытания средства заземления будут изолированы от системы заземления установки (заземляющие стержни). Измерение Ze подтвердит полное сопротивление контура замыкания на землю как сумму сопротивлений.

Последовательность проверки внешней цепи замыкания на землю:

• Шаг 1: Используйте тестер контура замыкания на землю или выберите опцию «Проверка контура замыкания на землю» на многофункциональном тестере, таком как Megger 1553.
• Шаг 2: Проверьте входную сторону установки.Подключите один измерительный провод к линейной клемме, второй измерительный провод к нейтральной клемме и третий (обычно зеленый) измерительный провод к входящему заземляющему проводу.
• Шаг 3: Нажмите кнопку ТЕСТ. Измеренное значение должно быть низким.
• Не забудьте записать это значение Ze в Свидетельстве об электроустановке.
• Получив значение «Ze» для установки, значение «Zs» можно легко рассчитать для каждой цепи.

Зарегистрированные максимальные измеренные значения полного сопротивления контура замыкания на землю (Zs) должны быть совместимы со значением Ze + R1 + R2 каждой цепи, независимо от требований соответствующего защитного устройства (устройств). Результаты испытаний, измеренные с помощью слаботочных испытаний, не записываются в графики результатов испытаний, предпочтительно записывать значения Zs, рассчитанные по результатам отдельных испытаний, т. Е.

.

Формула определения Zs:

Zs = Ze + (R1 + R2)

Zs — полное сопротивление контура замыкания на землю проверяемой цепи

Ze — полное сопротивление контура замыкания на землю вне источника питания

(R1 + R2) — Сумма сопротивлений линии и земли для тестируемой цепи.

Где Ze получено в результате сильноточного испытания, а R1 + R2 получено во время проверки целостности цепей. Тип записанных результатов испытаний и используемый метод испытаний будут указаны в соответствующем столбце примечаний таблицы результатов испытаний.

Полное сопротивление контура замыкания на землю Zs проверяется в самой дальней точке каждой цепи. В большинстве случаев автоматический выключатель необходимо замкнуть перемычкой. Полное сопротивление контура замыкания на землю измеряется путем подключения тестера контура к розетке или, в некоторых случаях, с помощью внешнего зонда заземления.Значение полного сопротивления контура замыкания на землю является суммой сопротивлений. При использовании внешнего датчика заземления полное сопротивление контура замыкания на землю измеряется путем прикосновения внешнего датчика непосредственно к шине заземления, коллектору и точке подключения шины заземления. Такое же измерение можно выполнить, прикоснувшись щупом заземления к открытым проводящим частям оборудования в цепях и открытым металлическим частям.

Последовательность проверки контура замыкания на землю:

• Шаг 1: Найдите самую дальнюю точку тестируемой цепи (например, самую дальнюю розетку)
• Шаг 2: С помощью соответствующего тестера цепи замыкания на землю подключите измерительные провода к клеммам линии, нейтрали и заземления.
• Шаг 3: Измерьте и запишите результаты теста в График результатов теста.
• Если цепь защищена УЗО, вам необходимо выбрать функцию «Без отключения» Megger 1553, чтобы избежать ложного срабатывания УЗО. Если у вашего тестера нет этой опции, вам придется подключить УЗО.

• Получив значение Zs для каждой цепи, вы должны будете убедиться, что эти значения находятся в допустимых пределах, описанных в BS 7671.

Методы измерения импеданса контура

В настоящее время большинство подрядчиков будут использовать один из 5 различных методов тестирования при тестировании импеданса контура:

• Двухпроводный сильноточный тест
• 2-проводной тест насыщения постоянным током без отключения (Устарело)
• Трехпроводной тест без отключения
• Двухпроводной тест без отключения
• Проверка полного сопротивления 4-проводной сети

Двухпроводный сильноточный тест

Это традиционный тест импеданса контура.Используя испытательный ток до 20 А и простое двухпроводное соединение, это, по большому счету, самый быстрый и точный тест, доступный на повседневной основе. Большинство стандартных тестеров импеданса контура включают этот тип теста. Из-за относительно высокого испытательного тока на показания обычно не влияют внешние факторы, и в большинстве сценариев они будут давать воспроизводимые и стабильные показания.

2-проводное испытание на насыщение постоянным током без отключения

A Испытательный ток постоянного тока был введен в цепь перед проведением стандартного двухпроводного сильноточного испытания.Целью этого испытания постоянным током было насыщение контрольной катушки внутри УЗО, чтобы дать достаточно времени для проведения сильноточного испытания переменным током. Однако из-за увеличения количества электронных УЗО этот метод теперь имеет ограниченное применение

Трехпроводный тест без отключения

Этот метод испытаний преодолел необходимость обхода даже новых электронных устройств защиты за счет использования слаботочного испытательного тока между фазой и землей, сохраняя при этом определенную степень точности. Отсутствие обхода RCD / RCBO, очевидно, позволило сэкономить время.Кроме того, имея требование подключения к линии, нейтрали и земле, тестеры теперь могли подтверждать наличие всех трех, а также указывать, была ли обратная полярность в контрольной точке, и из-за ограниченного испытательного тока , проблем с отключением MCB не было.

Двухпроводной тест «без отключения»

Они позволяют проверять большинство УЗО и АВДТ без их обхода. При отсутствии необходимости в подключении нейтрали они поддерживают работу с двумя руками, но больше не будут указывать на обратную полярность или предупреждать об отсутствии нейтрали.Хотя время физического испытания аналогично 3-проводному методу, экономия времени, связанная с отсутствием необходимости обхода УЗО, по-прежнему делает испытание более эффективным.

Проверка полного сопротивления 4-проводной сети

В тесте используется 4-проводное соединение Кельвина, при котором внутреннее сопротивление провода и контактное сопротивление не учитываются; такова точность теста. Испытательные токи до 1000 А позволяют проводить точные измерения до 10 МОм. Следовательно, в этом методе тестирования нет опции «Без отключения».Этот тестер дает инженерам-испытателям возможность снимать точные показания с учетом конкретных приложений, связанных с измерением в условиях подстанции / коммутационной станции.

Цепь, защищенная с помощью УЗО, требует особого внимания, потому что при испытании контура замыкания на землю будет потребляться ток из фазы, который возвращается через систему защиты. Таким образом, при испытании цепей, защищенных УЗО, производители приборов столкнулись с трудностями в предоставлении результатов испытаний, аналогичных результатам испытаний цепей, защищенных УЗО, без отключения УЗО во время испытаний.Следовательно, любые УЗО должны быть отключены путем короткого замыкания перед проведением испытаний контура замыкания на землю. Конечно, очень важно убедиться, что такие соединения удалены после тестирования.

В компании Carelabs мы используем тестер сопротивления контура заземления, который не срабатывает в цепи УЗО, которую мы тестируем. Наша команда проведет все испытания и проверки в соответствии с действующими стандартами безопасности. Тестирование обязательно для безопасности всех сотрудников. Пройдите тестирование сегодня, чтобы убедиться, что ваше рабочее место безопасно — мы готовы помочь вам в соблюдении всех ваших нормативных требований

Поскольку результат теста зависит от напряжения питания, небольшие отклонения могут повлиять на показания.Таким образом, тест следует повторить несколько раз, чтобы гарантировать стабильные результаты. Любой на месте должен избегать опасности поражения электрическим током при установлении контакта и проведении теста. При покупке тестера контура попросите испытательные провода распределительного щита, чтобы можно было провести измерения Ze и Zs.

Значение импеданса:

Тестирование и регистрация сопротивления контура замыкания на землю Испытание полного сопротивления контура замыкания на землю проводится на завершенной электрической установке для проверки соответствия BS 7671 (Правила электропроводки IET) в отношении защиты от замыканий и обычно выполняется следующим образом:

1. С испытательным током приблизительно 23 А, если цепи защищены устройствами максимального тока, такими как только предохранители или автоматические выключатели; или
2. С испытательным током приблизительно 15 мА, чтобы предотвратить нежелательное отключение, если цепи защищены 30 мА или другими УЗО.

Обычно результаты испытаний для сильноточных (23 А) испытаний в диапазоне от 0,1 Ом до 1,0 Ом в основном стабильны с разрешением 0,01 Ом. Для тестов с низким током (15 мА) разрешение составляло 0,1 Ом, но попытки уменьшить это значение до 0,01 Ом были в значительной степени безуспешными для обеспечения таких же стабильных результатов для показаний менее 1,0 Ом.

Недавнее исследование, проведенное одним из ведущих производителей приборов Великобритании с использованием приборов семи разных производителей в контролируемых условиях, обнаружило значительные расхождения в показаниях приборов.Дальнейшее исследование показало, что проблема, по-видимому, заключалась в основном в низких испытательных токах, вызванных колебаниями качества источника питания, вызванными величиной напряжения, переходными процессами, гармониками и т. Д. полученные результаты. Однако следует отметить, что эти расхождения, обычно порядка 1,0 Ом или меньше, не являются существенными с точки зрения правильной работы УЗО.

После завершения тестирования мы сообщим вам дату повторного тестирования (для следующего теста полного сопротивления контура заземления), которая соответствует национальным стандартам.Когда придет время, наша команда сообщит вам о повторном тестировании. Все результаты будут задокументированы в подробном отчете, который предоставляется каждому клиенту. В этом отчете вашему оборудованию будет присвоено либо одобрение, либо отказ. Этот документ будет храниться в файле, если вам понадобится доступ к нему в будущем для проверки соответствия. Мы предоставляем клиентам широкий спектр услуг по проверке и тестированию, чтобы вы могли обезопасить все свое рабочее место за одно посещение. После того, как вы пройдете тест импеданса, мы можем предоставить вам и другие услуги по проверке.С таким широким спектром услуг нет причин обращаться к другим специалистам по тестированию на безопасность.

Проверка сопротивления контура замыкания на землю — это способ убедиться, что вы выполнили электрически безопасное заземление с достаточно низким остаточным сопротивлением. Проверка импеданса контура заземления имеет важное значение, поскольку, если токоведущий провод случайно подключается к заземляющему проводнику в неисправном приборе или цепи, результирующий ток короткого замыкания на землю может легко быть достаточно высоким, чтобы вызвать электрический шок или произвести достаточно тепла, чтобы вызвать пожар. .Обычно срабатывает предохранитель или срабатывает другое устройство защиты цепи, но может возникнуть ситуация, когда фактический ток короткого замыкания в неисправной установке окажется недостаточным, и, таким образом, срабатывание защитного устройства займет слишком много времени. Промедление может иметь катастрофические последствия для жизни и имущества. Следовательно, необходимо знать, достаточно ли низкое полное сопротивление пути, по которому может протекать любой ток повреждения, чтобы обеспечить протекание достаточного тока в случае повреждения, и что любое установленное защитное устройство будет работать в течение безопасного периода времени.

Измерение импеданса контура переменного тока | EC&M

Тестирование импеданса контура переменного тока (переменного тока) — процедура тестирования, давно принятая в Европе, только недавно начала находить применение в практике США. Этот метод, наиболее известный как «тестирование контура», предназначен для быстро расширяющейся разработки и развертывания все более сложного электронного оборудования, что предъявляет повышенные требования к средствам измерений и возможностям тестирования.

Тестирование контура — это быстрый, удобный и высокоспецифичный метод оценки электрической цепи на ее способность задействовать защитные устройства (автоматические выключатели, предохранители, GFCI).Это было санкционировано в Европе, но игнорируется в Соединенных Штатах, потому что это не требуется.

«Петля» — это не то же самое, что и цепь. Схема соответствует проекту, тогда как петля может определять себя, включая неожиданные элементы, в которых ток нашел параллельные пути к земле. Поскольку контур заземления определяет эффективность защитных устройств, очень важно иметь возможность измерить его, чтобы обнаружить и исправить проблемы.

Представьте себе контур замыкания на землю следующим образом: происходит замыкание, ток проходит через заземляющий провод обратно в сеть, затем по заземляющему соединителю к заземляющему стержню или решетке и в почву.Тогда существуют параллельные пути через землю и заземленный нейтральный провод обратно к трансформатору питания; обмотка трансформатора и фазный провод обратно к месту повреждения замыкают петлю (рис. 1). Чтобы защитные устройства функционировали должным образом, этот контур должен иметь достаточно низкий импеданс, чтобы пропускать ток, достаточный для активации устройств. Высокий импеданс может сделать защитные устройства бесполезными, поскольку ток будет меньше, чем требуется для срабатывания предохранителя или прерывателя.Неисправная цепь останется под напряжением, что приведет к повреждению, возгоранию и даже к смертельным ударам.

Различные кодексы устанавливают требования без специального указания процедуры тестирования. Национальный электротехнический кодекс, раздел 250-51, требует, чтобы заземление было достаточным для облегчения работы защитных устройств. Чаще всего это реализуется с помощью вычислений, таких как двухточечные или единичные методы.

Расчеты занимают много времени, редко выполняются не инженерами и могут выполняться неправильно.Становится проще сократить путь, просто назначив схему схемы, которая работала в прошлом. Даже при добросовестном использовании расчеты подвержены внутренним ошибкам. Трудно учесть всю длину цепи, включая ответвление и фидер, до трансформатора. Между объектом и трансформатором существуют параллельно два обратных пути: нейтраль электросети и возврат заземления от заземляющего электрода на служебном входе. Точный расчет этих параллельных путей затруднен и обычно не выполняется.

Тем не менее, эти пути могут вносить значительный вклад в общий ток в условиях фактического повреждения. Даже проводники с размерами в соответствии с таблицей 250-95 NEC, хотя и обеспечивают базовую защиту, могут обладать чрезмерным сопротивлением в длинной цепи и не вмещать защитные устройства.

Готовым решением для предотвращения этих потенциальных ошибок является выполнение теста импеданса. Новая технология позволяет точно считывать полное сопротивление в данной цепи. Электротехники США уже знакомы с соответствующей концепцией падения напряжения.Раздел 210-19 NEC рекомендует не более 5% падения напряжения из-за полного сопротивления данной цепи. Непредвиденные параллельные заземления, помимо увеличения токов короткого замыкания, могут уменьшить падение напряжения в цепи и замаскировать высокий импеданс. Для определения падения напряжения используются различные методы, как специфические, так и навязанные жюри. Но тестеры контуров являются наиболее точным средством измерения импеданса, потому что они включают фактические условия цепи, принимая во внимание температуру и потерянные токи, проходящие по параллельным путям.

Тестер импеданса контура — это заметный шаг вперед по сравнению с более трудоемкими и подверженными ошибкам методами. За несколько секунд он дает точное измерение, оценивающее все факторы, влияющие на фактическую работу защитных устройств в аварийном состоянии. Он делает это путем имитации короткого замыкания из «горячего» состояния на землю (замыкание на землю) или из горячего состояния на нейтраль (короткое замыкание). Тестер сначала измеряет ненагруженное напряжение, а затем подключает известное сопротивление между проводниками, тем самым моделируя неисправность.Падение напряжения измеряется на известном резисторе, включенном последовательно с контуром, и доля напряжения питания, которое появляется на резисторе, будет зависеть от импеданса контура (рис. 2). Скорость — ключ к успешному измерению. Тестер завершает измерение за два полупериода основного питания (16 миллисекунд при 60 Гц), в которых защитные устройства не успевают среагировать.

Обязательным дополнительным измерением, также выполняемым тестером контура, является измерение предполагаемого тока короткого замыкания (PSCC).Это максимальный ток короткого замыкания, который может протекать в случае неисправности. Это необходимая информация для правильного определения размеров защитных устройств в соответствии с разделами 110-9 и 110-10 NEC, чтобы они не были опасно принесены в жертву при вызове на линии. Максимальная точка тестирования PSCC находится на служебном входе, в то время как полное сопротивление лучше всего проверять в самой дальней точке от входящего источника питания. Краткая справка по таблице показывает, достаточно ли низкое сопротивление (см. Таблицу 1), и размеры выключателя (см. Таблицу 2).

Проверка импеданса контура сокращает сложный процесс, связанный с неопределенностью, до надежной задачи, выполняемой за считанные минуты.

Импеданс контура замыкания на землю | 2K Электротехнические услуги

Что такое полное сопротивление замыкания на землю?

Полное сопротивление контура замыкания на землю — это путь, по которому проходит ток короткого замыкания, когда замыкание с низким импедансом происходит между фазным проводом и землей, т. Е. «Контур замыкания на землю». Ток повреждения проходит по контуру под действием напряжения питания. Чем выше импеданс, тем меньше ток короткого замыкания и тем больше времени потребуется для срабатывания защиты цепи.Короче говоря, это импеданс токовой петли замыкания на землю, начинающейся и заканчивающейся в точке замыкания на землю. Этот импеданс сокращенно обозначается Zs.

Полное сопротивление контура замыкания на землю можно использовать с напряжением питания для расчета тока замыкания на землю и, следовательно, для правильного определения сечения заземляющего кабеля.

Полное сопротивление внешнего контура заземления (Ze)

Правило 313.1 требует определения ряда характеристик источника питания установки, включая номинальное напряжение относительно земли (U₀), полное сопротивление контура заземления той части системы, которая находится вне установки (Ze), и предполагаемое короткое замыкание. -ток цепи в источнике установки.

Значение полного сопротивления внешнего контура заземления (Ze), измеренное или определенное иным образом в соответствии с Правилом 313.1, может отличаться от применимого типичного максимального значения, заявленного поставщиком электроэнергии, которое обычно составляет:

• 0,8 Ом для системы TN-S
• 0,35 Ом для системы TN-C-S
• 21 Ом плюс сопротивление заземляющего электрода установки для системы TT.

Импеданс контура заземления конечных цепей

Для каждой конечной цепи и цепи распределения необходимо подтвердить, что значение полного сопротивления контура линия-земля (Zs) достаточно низкое, чтобы обеспечить автоматическое отключение питания цепи в течение соответствующего максимального времени, указанного в группе правил 411.3.2 в случае замыкания на землю.

В таблице 1 приведены максимальные времена отключения, разрешенные для конечных цепей и распределительных цепей в системах TN и TT при номинальном напряжении относительно земли (U₀) 230 В. При проверке того, что значение Zs достаточно низкое, чтобы обеспечить отключение в пределах требуемого максимума. При этом необходимо учитывать характеристики защитного устройства, используемого для автоматического отключения.

Для широко используемых устройств максимального тока это обычно выполняется путем проверки того, что измеренное значение Zs в электрически наиболее удаленной части цепи не превышает 80% применимого максимального значения, указанного в таблицах 41.2, 41.3 из 41.4 БС 7671.

Для устройств максимального тока, не указанных в этих таблицах, необходимо обратиться к другому надежному источнику информации о предельных значениях Zs, например, к данным производителя.

Если защитное устройство представляет собой УЗО без задержки, максимальное значение Zs можно найти в таблице 41.5 стандарта BS 7671. Значения Zs в этой таблице предназначены для системы TT, но также могут применяться к системе TN. Эти значения Zs не только соответствуют требованиям стандарта BS 7671 по времени отключения, но также соответствуют условию RA × I∆n ≤ 50 В, указанному в Положении 411.5.3 (ii) для системы TT. (RA — это сумма сопротивлений заземляющего электрода (относительно земли) и защитного проводника, соединяющего его с открытой проводящей частью. I∆n — номинальный остаточный рабочий ток УЗО.)

Для УЗО, не указанных в таблице 41.5, максимальное значение Ze можно определить из информации, приведенной в таблице 3A Приложения 3 стандарта BS 7671, используя формулу, приведенную на той же странице, что и эта таблица. Кроме того, для системы TT, Zs должно быть достаточно низким, чтобы удовлетворять условию RA × I∆n ≤ 50 В, упомянутому выше.

Последствия при проведении испытаний полного сопротивления контура заземления

Для новых установок испытание импеданса контура заземления не должно вызывать проблем в работе во время процесса первоначальной проверки, поскольку установка не будет введена в эксплуатацию.

Однако для установки, которая находится в эксплуатации, могут возникнуть серьезные последствия для пользователя помещения, если, например, потеряны компьютерные данные или отключена домашняя система жизнеобеспечения в результате непреднамеренного прерывания подачи электроэнергии во время испытание, например, вызванное непреднамеренным срабатыванием УЗО.

Непреднамеренное отключение цепи, группы цепей, распределительного щита или даже всей установки может произойти, если срабатывает УЗО при выполнении испытания полного сопротивления контура замыкания на землю. В результате был разработан ряд методов, позволяющих минимизировать вероятность срабатывания УЗО во время такого испытания.

Один из таких методов, расчет, описан ниже. Другой метод — измерить полное сопротивление контура заземления с помощью прибора для тестирования контура, который подает испытательный ток, достаточно низкий, чтобы не сработать УЗО, например 15 мА.

PG113: Измерение полного сопротивления контура короткого замыкания с помощью УЗО | ГОССЕН МЕТРАВАТТ

Могу ли я измерить полное сопротивление контура короткого замыкания через УЗО без отключения УЗО?

Прежде всего, заранее предоставьте следующую информацию:

Измерение полного сопротивления контура короткого замыкания Z _L-PE и определение тока короткого замыкания IK на основе результатов измерения проводится для определения того, выполняются ли условия отключения автоматического выключателя в случае перебоя между фазами. -от замыканий на землю.Перед измерением полного сопротивления контура неисправности необходимо выполнить проверку целостности цепи. В соответствии с DIN VDE 0100-600, измерение полного сопротивления контура Z _L-PE составляет не требуется в цепях, которые защищены УЗО, поскольку автоматический выключатель не срабатывает в случае замыкания фазы на землю. , а скорее УЗО, для которого полное сопротивление контура короткого замыкания при низком токе отключения всегда считается выполненным. УЗО необходимо всегда проверять на правильность функционирования, и, конечно же, проверять полное сопротивление линии Z _L-N .См., Например, страницу 48 в «Записной книжке электрика (часть 1)».

Если устройство защитного отключения (УЗО) используется для защиты от короткого замыкания в сочетании с дополнительной защитой, при испытании устройства защитного отключения (УЗО) достаточно учитывать соответствующие требования, изложенные в DIN VDE 0100-410 для защиты от короткого замыкания.

Тем не менее, многие люди хотели бы иметь возможность измерить сопротивление контура короткого замыкания, несмотря на наличие УЗО, чтобы косвенно проверить соединение с низким импедансом PE-проводника, поскольку это часть контура (качество системы).Идея состоит в том, чтобы обойтись без отдельного RLO для измерения низкого импеданса (несколько более сложный из-за дополнительного кабеля, который необходимо проложить к PA). Примечание. Измерение полного сопротивления контура короткого замыкания не устраняет необходимости измерения непрерывности при низком сопротивлении!

Для этого есть три метрологических возможности:

1. Измерение с низким измерительным током

Для измерения импеданса контура напряжение L-PE нагружается только слабым переменным током, ниже порога срабатывания УЗО — обычно 15 мА.Затем рассчитывается полное сопротивление контура L-PE на основе результирующего падения напряжения U и I = 15 мА. Например, при импедансе 1 Ом падение напряжения составит всего 15 мВ, а поскольку большинство измерительных приборов работают в диапазоне измерения 600 В, совершенно очевидно, что такие небольшие изменения напряжения не могут быть точно измерены, особенно потому, что напряжение в сети может колебаться. даже в течение короткого периода измерения всего в несколько периодов сетки. Таким образом, этот метод измерения обеспечивает достаточно точные измеренные значения при импедансах менее 10 Ом (см. Технические данные измерительного прибора), соответствующих току короткого замыкания IK не более 23 А (где UN = 230 В).Этого все равно будет достаточно для автоматического выключателя с характеристикой отключения B и номинальным током макс. 4 A, , т.е. практически только в случае устройств максимальной токовой защиты для отдельных нагрузок, таких как защитные выключатели двигателя.

Хотя измерительные приборы также отображают измеренные значения для Z _L-PE менее 10 Ом и результирующие значения IK до нескольких сотен ампер при использовании этого метода измерения, они являются только информативными.Это также стало очевидным из того факта, что при многократных измерениях, проводимых на одном и том же тестовом объекте, получаются сильно колеблющиеся измеренные значения. Более того, минимальный измерительный ток 200 мА, указанный в стандарте для измерения низкого импеданса RLO, не будет соблюдаться.

2. Предотвращение срабатывания УЗО при смещении постоянного тока

Обычное УЗО (типа A или F) в первую очередь доводится до насыщения магнитным путем с помощью постоянного тока, чтобы затем можно было выполнить достаточно точное измерение — даже для низких импедансов — с высоким измерительным током в несколько ампер ( с полуволнами одинаковой полярности) без отключения УЗО (хотя это не может быть гарантировано).Для этого измерения к измерительному прибору также должен быть подключен нейтральный провод.

Конечно, этот трюк не работает с УЗО, чувствительными к переменному / постоянному току (типы B и B +).

В этом случае остается только третий вариант!

3. Перемычка УЗО на время измерения

Осторожно: Все защитные меры отключаются, пока УЗО замкнуты!

.