CC BY
27
■а о
Пропонується комп’ютерна модель індуктивно-ємкісної взаємодії між системою зовнішнього спостереження і атмосферним ЕМІ. Проаналізована залежність амплітуди наведеного імпульсу від параметрів джерела живлення
Ключові слова: ЕМІ, ємкісний дільник, паразитний опір, паразитна ємкість
□------------------------------------□
Предлагается компьютерная модель индуктивно-емкостного взаимодействия между системой наружного наблюдения и атмосферным ЭМИ. Проанализирована зависимость амплитуды импульса от параметров источника питания.
Ключевые слова: ЭМИ, емкостной делитель, паразитное сопротивление, паразитная емкость
□------------------------------------□
The computer model of inductively-capaci-ty connections is offered between the system of outward surveillance and atmospheric EMD. Dependence of amplitude of impulse is analysed on the parameters of the power suppy
Keywords: EMD, a capacity divizor, parasite resistance, parasite capacity
УДК 681.586.773
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЙ АТМОСФЕРНОГО ЭМИ НА СИСТЕМУ НАРУЖНОГО НАБЛЮДЕНИЯ
Ю.К. Шинкаренко*
Контактный тел.: 099-93-05-257 Е-mail: l-tech@ukr.net А . Д . М е н я й л о
Доцент*
Контактный тел.: (057) 68-96-20 Е-mail: l-tech@list.ru *Кафедра «Проектирование и эксплуатация электронных
аппаратов»
Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина, 14, г. Харьков, 61166
1. Введение
В настоящее время существует ряд систем наблюдения с видеокамерами, удаленными на сотни метров от источника питания (ИП) и установленными за пределами железобетонных зданий. Как правило, кабель питания от ИП к видеокамере прокладывают вдоль наружных стен, от здания к зданию, от крыши до крыши, от столба к столбу и т.д. ИП таких систем представляют собой, как правило, Flyback и Forward преобразователи. Существенным требованием в конструкции ИП различных производителей является то, что эти источники должны выполняться по схеме с гальванически изолированной вторичной цепью по постоянному току, а по переменному току высокой частоты используется блокировочный высоковольтный (1-2кВ) конденсатор емкостью 100-10000 пФ [1].
Пятилетняя статистика отказов ИП фирмы «L-tech» показывает, что около 70% случаев их повреждений связаны с электростатической индукцией ЕМИ на питающий кабель камеры. Последствия повреждения почти всегда одинаковы: пробой высоковольтного конденсатора и выпрямительных диодов. Все остальные элементы схемы остаются целыми.
Типичным является случай, когда по техническим соображениям кабель питания видеокамеры, идущий от ИП, не заземлен и находится на определенной высоте над землей. Тогда очевидно, что на нем во время грозы могут скапливаться высокие статические потенциалы. В процессе разрядов облаков, удаленных от кабеля питания видеокамеры (от сотен метров и до нескольких километров), в нем наводятся импульсы
высокого напряжения. Это происходит благодаря эффекту емкостного делителя «облако-кабель-земля». При разряде облака на другое облако или на землю потенциал облака, а, следовательно, и потенциал кабеля скачкообразно изменится. Образовавшийся при этом в емкостном делителе «облако-кабель-земля» ЭМИ амплитудой в несколько киловольт с большой вероятностью выведет ИП из строя [2].
2. Постановка проблемы
Настоящая работа является продолжением работы, результаты которой изложенной в [2], и рассматривает индукционную составляющую, которая возникает в кабеле в результате атмосферного ЕМИ. Рассмотрим ЕМИ, возникающий при разряде молнии между соседними облаками, и оценим его воздействие на кабель, протянутый параллельно земле на высоте нескольких метров. В момент разряда кабель и молния находятся в одной плоскости. Тогда электрический разряд и кабель в эквиваленте можно рассматривать как пару обмоток трансформатора. Коэффициент трансформации такого трансформатора будет пропорционален отношению длины разряда к длине кабеля. Примем для расчётов расстояние между облаками 3000м, а длину кабеля 30м. Тогда коэффициент трансформации будет Кт=100. Для моделирования процесса взаимодействий нам потребуется введение в цепь «первичной» обмотки виртуального конденсатора, имитирующего емкость , образованную двумя соседними облаками. Емкость этого конденса-
Е
тора оценим исходя из среднестатистических данных: высота облака 4км длина и ширина 2км расстояние между облаками Зкм (рис. 1).
Здание 1
Здание 2
Рис. 1. Образование «трансформаторной» связи между молнией и кабелем питания видеокамеры
Тогда оценочное значение эквивалентной емкости, образованной двумя соседними облаками, будет равно:
с _ £0'S d ’
^ 8,85 10-12'8000000 109 Л
С _--------------------------_ 23,6 нФ
3000
В процессе моделирования необходимо также учесть наличие паразитной емкости и сопротивления утечки токов между печатной платой видеокамеры и «заземленным корпусом», так как корпус камеры непосредственно крепится к токопроводящим заземленным конструкциям (столбы, стены и т.д.). При этом емкость между корпусом камеры и печатной платой (кабелем) составляет 10-100пФ, а паразитное сопротивление утечки будет составлять порядка 10МОм.
Для условий дальнейшего моделирования примем значения Я2-1МОм и С2-10пФ.
3. Разработка виртуальной электронной модели
В качестве основных составляющих элементов модели использовались следующие виртуальные элементы:
- генератор пилообразного напряжения 1МВ, частотой f - 30Гц, временем нарастания напряжения -99% /время спада 1%;
- конденсатор «облако 1 - облако 2» С1 23 нФ;
- трансформатор с коэффициентом трансформации Кт=100, длиной средней магнитной линии 4000м;
- выпрямительные диоды D1-D4, входящие в состав источника питания;
- высоковольтный блокировочный конденсатор С3, на котором выделяется основная часть энергии разряда молнии;
Рис. 2. Электронная модель воздействия ЭМИ на систему наружного наблюдения
Рис. 3. Осциллограмма начала и окончания разряда молнии (канал В) и наведенный ЭМИ в кабеле (канал А). Размах напряжения составляет7,5 кВ. R4-10МОм
- резистор Я2 (1МОм) и конденсатор С2 (100пФ), имитирующие паразитный конденсатор и резистор утечки тока на землю через корпус камеры;
-резистор Я4 10М0м, имитирующий сопротивление утечки тока на землю через корпус источника питания камеры;
ном» сопротивлении утечки 10М0м. Аналогичное сопротивление утечки присутствует практически у любых моделей импульсных источников питания. Размах наведенного ЭМИ составляет 7,5 кВ, что приводит к пробою разделительного конденсатора и других элементов ИП.
На рис. 4 представлены результаты моделирования, показывающие уменьшение размаха, наведённого в кабеле ЭМИ (канал А), с 7,5кВ до приемлемых 0,1кВ при Я4- 0,1М0м, что на порядок ниже напряжения пробоя разделительного конденсатора.
Рис. 4. Размах импульса в кабеле при снижении величины сопротивления R4-с ЮМОм до 0,1МОм. Размах уменьшился с 7,5кВ до 0,1кВ
- двухлучевой осциллограф в качестве элемента индикации. Разработанная электродная модель воздействия атмосферного ЭМИ на систему наружного наблюдения приведена на рис. 2.
В результате исследования разработанной модели был получен ряд осциллограмм, характеризующих влияние отдельных элементов модели на выходные параметры. Основные из этих осциллограмм приведены на рис. 3 и 4.
На рис. 3 показаны осциллограммы начала и окончания разряда молнии (канал В) и наведенный электромагнитный импульс в кабеле (канал А) при «стандарт-
4. Выводы
Проведя исследование работы рассмотренной электронной модели при разных значениях ее параметров, могут быть сделаны следующие выводы:
- самым нагруженным с точки зрения рассеивания наведенной энергии ЭМИ является высоковольтный блокировочный конденсатор С3.
- величина энергии наведённого импульса на С3 зависит от соотношения сопротивлений
паразитных резисторов Я2 и Я4. При существующих требованиях к установке видеооборудования сопротивление Я2 и Я4 величины случайные, зависящие от влажности, способа крепления камеры и источника, конструкции корпуса камеры и источника и т.д.
- наименьший размах импульса получается при стремлении Я4 к нулю.
Для повышения надежности систем наружного видеонаблюдения можно рекомендовать производителям ИП обеспечивать детерминированный характер сопротивления между «нулем» и вторичной цепью в пределах от 0,1 до 1МОм.
Литература
1. Поликарпов, А.Г. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА [Текст] / Е.Ф. Сергиенко //
— М. : Радио и связь, 1989. — 160 с.
2. Шинкаренко, Ю.К. Моделирование устойчивости источников питания на микросхемах ТОР24Х к атмосферным разрядам [Текст] / А.Д. Меняйло // Восточно-Европейский журнал Передовых технологий. — 2010. — № 6/7(48). — С.51—54.
Е
