Наведенные токи – причины возникновения и меры защиты

причины возникновения и меры защиты

Ремонтные бригады довольно часто сталкиваются с проблемой наличия напряжения в разорванной цепи. Такое явление случается на воздушных линиях, нередко в бытовой электросети. Это так называемое наведенное напряжение, появляющееся на отключенных проводах вследствие воздействия электромагнитного поля, от работающих рядом электролиний.

Для лучшего понимания эффективности защитных мер при ремонте воздушных линий электропередач (ВЛ) рассмотрим более подробно физическую сущность наводки. Это поможет лучше понять механизмы защиты от поражения током, образовавшимся на отключенных проводах.

Определение наведенного напряжения

Официальная терминология наведённым напряжением называет потенциал, опасный для жизни, возникающий в результате электромагнитных воздействий параллельной воздушной линии или электричества циркулирующего в контактных сетях. Этот потенциал является паразитным, порождённым влиянием функционирующей параллельной линией электрической сети и прямо не относится к транспортируемому току. Отсюда и название – наведённое напряжение.

В чем опасность явления?

Наличие в проводах потенциала, наведённого переменным током или статическим электричеством часто невозможно предсказать. В этом кроется главная опасность наводки. На наведённое напряжение не реагируют штатные защитные приборы. На электромеханика, попавшего под действие наводки, будет действовать ток, пока он самостоятельно, либо с помощью напарника не высвободит руку или другую часть тела, соприкоснувшуюся с оголенным проводом.

Если в результате короткого замыкания на ВЛ произойдёт срабатывание защиты, отключающее рабочее напряжение, провода могут оказаться под наведённым током. Опасность также возникает при появлении грозовых разрядов, в т. ч. и междуоблачных.

Обратите внимание: штатная защита не реагирует на напряжения срабатывания, возникшие в результате наводки. Поэтому при отключенной ВЛ – следует применять особые схемы заземления, позволяющие создавать точки нулевого потенциала в конкретной зоне, при обслуживании линий.

Опасность обусловлена поведением наведённого тока. Дело в том, что источником тока является наводка от соседних ВЛ, распространяющаяся по всей длине провода не одинаково. Поэтому поведение таких токов отличается от привычного для нас рабочего электричества.

Наличие штатного линейного заземления не гарантируют безопасности, а наоборот, сопутствует появлению электрического тока в отсоединённых проводах. Как видно на рисунке 1, максимальный ток находится в точках заземления, то есть на заземляющих ножах.

В некоторых случаях целесообразно отключить заземления ВЛ, а для защиты использовать переносные заземления, которые устанавливают с каждой стороны от места повреждения, как можно ближе к точке проведения работ.

Причины возникновения

Для начала рассмотрим физическую картину возникновение наводки, а потом выясним причины явления в различных ситуациях:

• на воздушной линии;
• электроустановках;
• в квартире;
• электропроводке.

Если расположить параллельно два длинных проводника и по одному из них пропустить переменный ток, то на втором возникнет напряжение. Причём проявится электромагнитное влияние и действие электростатической составляющей. Величины электрических потенциалов на неподключённом проводнике зависят от длины, расстояния между проводами, а также от тока нагрузки. Подобные явления происходят и в реально действующих линиях энергоснабжения.

На воздушной линии (ВЛ)

Ток, который создаёт электростатическая составляющая, имеет одинаковый потенциал по всему проводнику: U_э = k×U_в, где U_э – наведённое электростатическое напряжение, k является коэффициентом ёмкостной связи, а U_в – рабочее влияющее напряжение. Очевидно, что наведённое напряжение зависит от разницы потенциалов на проводах параллельно расположенной влияющей линии.

Заметим, что электростатическое напряжение является результатом не только действия расположенных поблизости электромагнитных полей фазных проводов. Любое статическое электричество вызывает такой же эффект. Например, в северных широтах статическую наводку может вызвать полярное сияние, а также, упомянутые выше грозовые разряды (показано на рисунке ниже).

Для устранения электростатического потенциала достаточно заземлить провод в любом месте.

Компонент напряжения электромагнитной составляющей, сильно отличается от статического. Потенциал возникает вследствие действия электромагнитных полей, образованных токами проводов фазы. На рисунке 3 показана схема образования наведённого напряжения.

Важные особенности электромагнитной составляющей:

• её величина пропорциональна рабочем току ВЛ;
• зависит от расстояния до влияющей воздушной линии;
• на наведённый потенциал влияет протяжённость взаимодействующих проводов;
• выраженная зависимость от схемы переносного заземления ВЛ и от сопротивления заземления.

Наведённая ЭДС в этом случае вычисляется по формуле:

E = M × L× I, 

Здесь M – коэффициент индуктивной связи, L – протяжённость параллельного участка, I – сила тока влияющей линии.

Как видно из формулы, величина напряжения провода фазы не влияет на ЭДС.

В конкретной точке x наведённое напряжение можно вычислить по формуле:

U = – (E*x)/L+ E/2 , где E

Очевидно, что напряжение в точке отсечения (где x  = 0) принимает значение: U = + E/2 , в середине линии (x равняется условной единице) U = 0, а в конечной точке U = – E/2. Понятно, что напряжение уже не является константой на всём участке проводов линии. Оно линейно изменяется между заземлениями, образуя нулевой потенциал в определённой точке. Если заземление одно, тогда положение нулевой точки находится в месте входа заземляющего ножа.

На схемах, приведённых ниже (рисунок 4), видно как распределяется наведённое напряжение. Обратите внимание, как перемещается точка нулевого потенциала и как она зависит от выбранного способа заземления.

В электроустановках

Ввиду того, что стационарные электроустановки неразрывно связаны с ВЛ, существует вероятность попадания наведённого напряжения на токоведущие части оборудования. Чаще всего это случается при обрыве нуля.

Особенность электроустановок в том, что там используются изолированные кабели, в которых плотно уложены провода. Хотя длина такой проводки обычно незначительна, однако, наводка в кабеле может иметь существенный потенциал (из-за плотного размещения проводов). Поэтому при работе с электроустановками необходимо обеспечивать защитные меры по снятию опасного наведённого напряжения, использовать средства индивидуальной защиты, отвечающие классу напряжения. Необходимо придерживаться ПУЭ, выставлять ограждения для соблюдения безопасных расстояний к токоведущим частям электроприборов.

В квартире

Наводка в обычной бытовой сети наблюдается при обрыве нулевого провода на входе или на участке воздушной линии. Если поискать индикатором фазу в розетке – он покажет напряжение на каждом из выходов. В действительности же, рабочее напряжение существует на проводе фазы, а на нулевом – наблюдается ток наводки. При устранении неисправности всё становится на свои места.

Поскольку поиск и ликвидация неисправности в квартире проводится при отключенных предохранителях, то тем самым обеспечивается необходимая защита.

В электропроводке

Электропроводка в доме монтируется с использованием двух-, а иногда трёхжильных проводов. Обычно кабели укладываются в короба, откуда выходят разветвления. Если выключатель разъединяет нулевой провод, то при такой укладке в нём неизбежно появится наводка. Возникает напряжение безопасной величины, однако его достаточно для зажигания диодного освещения (выключенные диодные лампы тускло светятся). Проблема решается просто – необходимо на выключателе поменять местами провода фазы и нуля.

Известны случаи, когда для заземления розетки использовался провод трёхжильного кабеля. На этом проводнике всегда присутствует довольно ощутимое наведённое напряжение. Поэтому для заземления используйте отдельный одножильный кабель большого сечения и прокладывайте его как можно далее от проводки с номинальными напряжениями.

Меры защиты

Учитывая то, что наведённые токи могут достигать предельно опасных значений, особенно на участках ВЛ или в электроустановках, при их обслуживании следует применять меры защиты [ 2 ]:

• использовать сигнализаторы напряжения;
• обеспечивать безопасный уровень напряжения на участках, где предстоит работа;
• использовать защитную одежду, диэлектрические коврики и т.п.;
• пользоваться указателями напряжения, универсальными электроизолирующими штангами для оценки значений токов наводки.
• применять приспособления для снятия напряжений.

Перед проведением работ на линиях с наводкой устанавливайте переносные заземления с двух сторон повреждённого участка ВЛ на небольшом расстоянии. Заземляйте провода с поверхности земли, используя изоляционные штанги. Выдерживайте расстояния срабатывания защиты заземлений.

На рисунке 5 показано как влияет расстояние от заземления на снижение наведённого напряжения.

Измерение напряжения проводите в изолирующих перчатках и ботах, а измерительные приборы располагайте на ковриках или подставках. Используйте только те измерительные устройства, которые предназначены для указанных целей и рассчитаны на измерение в соответствующих пределах. Помните, что штатные защитные приспособления для наведённого тока не предназначены. Нельзя проводить измерения в условиях тумана, осадков, а также при сильном ветре.

Всегда проверяйте наличие фазного тока на всех проводах. Если с помощью прибора УПСФ-10 вы определили линейное рабочее напряжение, то использовать переносное заземление запрещается.

В целях безопасности всегда считайте нулевой кабель таким, что находится под напряжением.

Видео в тему

www.asutpp.ru

наведенный ток — это… Что такое наведенный ток?

наведенный ток

3.41 наведенный ток: Ток, возникающий в отключенных и заземленных линиях в результате емкостного и индуктивного взаимодействия с соседними линиями, находящимися под напряжением.

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.

• наведенный в токопроводящих линейных элементах технических средств сигнал
• навершие

Смотреть что такое «наведенный ток» в других словарях:

• наведенный ток — Ток, возникающий в отключенных и заземленных линиях в результате емкостного и индуктивного взаимодействия с соседними линиями, находящимися под напряжением [ГОСТ Р 52726 2007] Тематики высоковольтный аппарат, оборудование … EN induced current …   Справочник технического переводчика

• наведенный ток электрода — Составляющая тока электрода, обусловленная движением всех заряженных частиц, находящихся в междуэлектродном промежутке …   Политехнический терминологический толковый словарь

• номинальный наведенный ток — Максимальный наведенный ток, который заземлители способны включать и отключать при номинальном наведенном напряжении [ГОСТ Р 52726 2007] Тематики высоковольтный аппарат, оборудование …   Справочник технического переводчика

• номинальный наведенный ток — 3.56 номинальный наведенный ток: Максимальный наведенный ток, который заземлители способны включать и отключать при номинальном наведенном напряжении. Источник: ГОСТ Р 52726 2007: Разъединител …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• наведенный в токопроводящих линейных элементах технических средств сигнал — 3.5 наведенный в токопроводящих линейных элементах технических средств сигнал; наводка: Ток и напряжение в токопроводящих элементах, вызванные электромагнитным излучением, емкостными и индуктивными связями. Источник: ГОСТ Р 51275 2006: Защита… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• паразитный ток — Протекающий по кабелю наведенный ток, способный вызвать повреждение оборудования линии связи из за перегрева, и в то же время его уровень недостаточен для срабатывания системы защиты. Такой ток обычно возникает вследствие плохого заземления или… …   Справочник технического переводчика

• номинальный емкостной ток — IС, А Максимальный наведенный электростатическим полем ток в случае, когда один конец линии передачи отключен, а коммутация на землю осуществляется на другом ее конце. [ГОСТ Р 52726 2007] Тематики высоковольтный аппарат, оборудование …   Справочник технического переводчика

• номинальный индуктивный ток — IL, А Максимальный наведенный электромагнитным полем ток в случае, когда один конец линии передачи заземлен, а коммутация на землю осуществляется на другом ее конце [ГОСТ Р 52726 2007] EN FR Тематики высоковольтный аппарат, оборудование …   Справочник технического переводчика

• номинальный емкостной ток I_C — 3.53 номинальный емкостной ток IC , А: Максимальный наведенный электростатическим полем ток в случае, когда один конец линии передачи отключен, а коммутация на землю осуществляется на другом ее конце. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• номинальный индуктивный ток I_L, А — 3.54 номинальный индуктивный ток IL, А: Максимальный наведенный электромагнитным полем ток в случае, когда один конец линии передачи заземлен, а коммутация на землю осуществляется на другом ее конце. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

normative_reference_dictionary.academic.ru

Определение наведенного напряжения в электрике

Наведённым называют напряжение, возникающее в обесточенном проводнике, находящемся под воздействием располагающегося рядом высоковольтного оборудования или провода. Это явление уникально и представляет собой немалую опасность, по этой причине стоит узнать о нем более подробно.

Воздушная линия электропередачи

Для того чтобы разобраться в природе явления, придётся немного освежить в памяти уроки физики. Итак, что такое наведённое напряжение, и чем оно опасно?

Природа явления

Суть наведённого напряжения в том, что в обесточенном проводнике, который находится рядом с источником электромагнитного поля, возникает опасный потенциал. Источником излучения может стать находящаяся рядом с обесточенным проводом линия ВЛ или другое оборудование, создающее такое поле.

Наиболее ярким примером будет рассмотрение наведённого напряжения на ВЛ (воздушной линии электропередачи). При отключении одного провода от источника тока рядом находящийся провод электропередачи имеет электромагнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт потенциал в обесточенном проводнике. Этот потенциал вполне может принимать опасные для здоровья и жизни значения, особенно при расположении рядом мощного источника магнитного поля.

Значение потенциала зависит лишь от рабочего напряжения, токов нагрузки и общего расположения относительно друг друга. Потенциал условно представлен суммой электромагнитной и электростатической частей:

1. Электростатическая составляющая наведённого потенциала обусловлена воздействием на проводник электрического поля рядом расположенного источника, в нашем случае это оставшийся в работе провод. Номинальное значение этого параметра зависит только от электрического потенциала влияющей ВЛ, это значение постоянно наводится действующим рядом источником поля. Наводка осуществляется на всем протяжении отключённого от источника тока проводника. Для снижения её до безопасного уровня достаточно заземлить её на любом участке сети;
2. Электромагнитная часть, она появляется от воздействия магнитных полей, которые создают токи фазных проводов. Отсюда её нестабильность, особенностью проявления этой составляющей служит то, что её значение неизменно на всем протяжении участка сети и не зависит от заземления или изоляции провода от земли. Наводка в этом случае не зависит от включённой линии, а только от параметров магнитного поля и отдаления. При изменении расположения или числе точек заземления на ВЛ меняется лишь расположение точки нулевого потенциала. Само же наведённое напряжение остаётся прежним.

Пикового значения электромагнитная часть достигает на концах взаимного влияния линий, на нашем примере это расположение отключённых линейных разъединителей. В этих точках и измеряется его значение. Стоит отметить, что даже в процессе определения значения обязательно заземление обоих концов ВЛ. Класс оборудования, применяемого для измерения значений и параметров тока, подбирается, исходя из расчётных параметров потенциала, чаще всего используются приборы с пределом измерения не менее 0,5-1 кВ.

В процессе измерения потенциала обязательно соблюдение правил техники безопасности, ввиду того что вольтаж может иметь значение намного выше расчётного. Нарушение правил техники безопасности чревато электротравмой или ожогами.

Понятно, что электростатическую составляющую можно легко исключить и тем самым обеспечить безопасность работы по обслуживанию или ремонту отключённого провода. Но с электромагнитной частью потенциала справиться не так легко. Одним из вариантов борьбы с ним служит процесс разделения линии на отдельные участки, электрически не связанные между собой, либо работы под воздействием напряжения. Согласно нормам ПУЭ, номинальное значение до 25В считается формально неопасным и позволяет проводить работу при строгом следовании правилам техники безопасности .

Тем не менее, на сегодняшний день существует мнение, что требования Правил охраны труда на электрообъектах несколько устарели. Ряд специалистов считает, что заземление воздушной линии электропередачи в одной точке и такелажная схема не обеспечивают безопасность монтажников. По этой причине требуются другие способы обеспечения защиты ремонтных бригад при работе.

Важно! Нужно отметить, что несмотря на приведённый пример, источником наводки тока может служить не только рядом расположенная ВЛ, это просто наиболее яркий случай возникновения этого потенциала. Наведённые токи могут возникнуть в любом проводнике при наличии рядом работающего оборудования, создающего электромагнитное поле, в том числе генератора или трансформатора.

Работа на ВЛ

Явление в быту

Несмотря на сравнительно небольшое напряжение, используемое для бытовых электросетей, наводка токов может возникнуть и внутри дома или квартиры. Достаточно часто это можно видеть на светодиодных лампах или лентах, чей провод включения проходит рядом с кабелем, который находится под напряжением, он и производит наводку напряжения на провод или сами лампы. Под влиянием наведённого тока лампочки начинают светиться.

Также в качестве примера можно рассмотреть розетку при обрыве провода ноля в ней. При использовании индикатора можно обнаружить в розетке две фазы, несмотря на то, что она подключена к однофазной домашней сети. Для исчезновения второй фазы достаточно устранить обрыв.

Схема

Основы безопасности

Явление возникновения напряжения в проводнике под воздействием электромагнитного поля и статического электричества уникально, но вместе с тем оно достаточно опасно. Привычные устройства, обеспечивающие защиту, действуют на него избирательно, либо не действуют вообще. Примером может служить замыкание цепи при попадании в неё человека, в этом случае автоматика просто отключит источник питания. Но при наведённом потенциале сети нет, а, значит, при отключении устройства безопасности не будет. Это служит причиной того, что к наводке тока нужно относится внимательно и осторожно.

Безопасность работы при возможности существования наведённого напряжения обеспечивается, в первую очередь, правилами безопасности. Если есть хоть небольшая возможность его возникновения, то следует измерить вольтаж отключённого провода. При наличии его обеспечить безопасность монтажников. Правила безопасности проведения работ на отключённых линиях электропередач написаны на печальном опыте предыдущих поколений и изучения работы с токами различных типов.

Стоит учитывать! Фактическое значение наведённого напряжения может достигать десятка и более киловольт. Неаккуратное обращение с таким потенциалом может привести к поражению электротоком, вследствие чего к ожогам и другим травмам.

Основными мерами безопасности в этом случае служат:

• работа в средствах индивидуальной защиты: резиновых перчатках, ботах с использованием диэлектрических ковриков и инструментов;
• заземление и выравнивание потенциалов провода заземления и рабочего места электрика;
• при необходимости проведения работ одновременно в нескольких местах обязательно разделение электросети на несколько не связанных между собой участков с последующим их заземлением;
• дублирование заземления, особенно при разъединении основной линии, в этом случае заземление устанавливается с обеих сторон места отреза провода.

Только в этом случае можно приступать к работе, уже не опасаясь замкнуть на себя ток, наводка которого в этом случае затруднена.

При проведении контрольно-измерительных операций также стоит озаботиться безопасностью. Все сборки схем измерений производятся перед подключением, а не в процессе или после него. При изменении контрольно-измерительной схемы её предварительно отключают от линии электропередачи.

Замер

Наведённое напряжение – уникальное физическое явление, в этом случае источником тока служит расположенный неподалёку объект-излучатель. Вполне возможно именно этот эффект и хотел использовать в своей работе Никола Тесла, создавая свою башню для воздушной передачи энергии. Но на настоящее время полезное использование наведённых токов невозможно, а вот борьба с ними продолжается с переменным успехом. Пока наука смогла обеспечить безопасную работу с ним. Но кто знает, что будет дальше. Вполне возможно, именно эффект наведённого напряжения в последующем послужит человечеству для передачи энергии на расстояния без использования линий проводников.

Видео

elquanta.ru

Наведенное напряжение и защита от него

Возникновение наводки на воздушных линиях электропередачи и в электроустановках, связанных с ними, представляет опасность не меньшую, чем присутствие рабочего напряжения на них. Также данное явление возникает в бытовых условиях в сети 220 В, поэтому необходимо понимать природу возникновения и меры защиты от наведенного напряжения, о чем мы и поговорим далее.

Причины возникновения

Наведенное напряжение возникает на выведенной в ремонт и обесточенной воздушной линии электропередач (ВЛ), вследствие влияния на нее электромагнитного поля расположенной в непосредственной близости работающей электроустановки или другой ВЛ, которая находится под напряжением. Таким образом, ВЛ, которая проходит параллельно отключенной линии, наводит сторонний потенциал, который представляет существенную опасность для обслуживающей ремонтной бригады. Значение наведенного напряжения в проводе изменяется в зависимости от протяженности участка, на котором ВЛ идут параллельно, тока нагрузки и величины рабочего напряжения, отдаленности фазных проводов, метеорологических условий. Потенциал, который наведен на ВЛ, объединяет в себе два вида воздействия – электромагнитную и электростатическую составляющую:

• Электромагнитная часть появляется под действием магнитного поля, возникающего от протекания тока по работающей рядом ВЛ. Отличительной особенностью данной составляющей является то, что при заземлении даже в нескольких местах линии, она не изменяет свою величину. Единственное, что можно изменить с помощью заземлений – это расположение точки нулевого потенциала.
• Электростатическая часть, в отличие от электромагнитной, устраняется путем заземления линии в ее концах и в месте ведения работ. Снизить же величину наведенного напряжения возможно установив заземление хотя бы в единственной точке ВЛ.

Давайте рассмотрим подробнее, что это такое – наведенное напряжение и природу его возникновения. Чтобы понять, как оно появляется, обратимся к фото, на котором изображен проводник:

Имеется проводник, обозначенный на картинке как А-А. При протекании по нему переменного тока создается электромагнитное поле, интенсивность которого уменьшается по мере отдаления от проводника (на изображении можно заметить снижение яркости окраски). Также изменяются пульсации электромагнитного поля с изменением направления и величины тока. При попадании в поле любого другого проводника в нем индуцируется наведенное напряжение. Ниже на картинке показаны проводники с подключенными измерительными приборами для определения величины напряжения:

Какое значение считается опасным для персонала? Считается, что если на отключенной ВЛ присутствует наведенное напряжение и его значение не превышает 25 В, то ремонтные мероприятия производятся с применением обычных средств защиты. В случае превышения безопасной величины следует пользоваться специальными средствами защиты и выполнять технические мероприятия, обеспечивающие требуемую степень защиты от опасного воздействия наведенного потенциала. Такими мерами безопасности могут быть разземление вначале и конце линии, разрез провода, установка заземления на участках ВЛ.

Узнать о том, какие электрозащитные средства используют в установках выше 1000 Вольт, вы можете из нашей статьи!

В чем опасность явления?

Наведенное напряжение можно считать более опасным и коварным в отличие от рабочего в силу того, что на него никак не реагирует защитная аппаратура. Например, при попадании под него ремонтного персонала, работник будет находиться под опасным воздействием до момента освобождения от его влияния. А вот если на человека воздействует рабочее напряжение, то срабатывает защита и происходит автоматическое отключение, вследствие короткого замыкания.

Кстати, о коротком замыкании (КЗ). При КЗ в рабочей линии происходит наводка на отключенную ВЛ и многократное превышение тока, что, естественно, отражается на персонале, занятом ремонтом на отключенной ВЛ. Последствия могут быть весьма плачевными – от сильных ожогов, до протекания тока по жизненно важным органам с их поражением, вплоть до летального исхода. Поэтому не нужно пренебрегать правилами безопасности при проведении работ на отключенных ВЛ.

Что же делать в случае попадания человека под наведенное напряжение? Как избавиться от его воздействия? Необходимо устранить протекание тока через тело человека. Для этого понадобится соединить опасную часть электроустановки с «землей», набросив на нее заземление.

Наводка в квартире

Не считая ВЛ и электроустановок, наведенное напряжение может также возникать в квартире и в частном доме в сети 220 В. Так называемая «наводка» появляется в кабеле, проложенном опять же рядом с проводом, по которому протекает ток. Для примера приведем ситуацию, когда при выключенном выключателе на диодных лампочках появляется еле заметное свечение. Происходит это из-за того, что рядом с проводом, питающим лампы, проложен проводник с фазной жилой. А действие электромагнитного поля никто не отменял. Отсюда и возникает небольшая наводка, величины которой достаточно для того, чтобы «подсветить» светодиоды.

Еще один случай – это наводка в розетке. Возникает она, если произошел обрыв нулевого провода. Тогда при измерении индикатором на клеммах розетки получим две фазы. Но на самом деле, фазный провод как был один, так и останется, а «вторая фаза» пропадет, как только нулевой провод будет заново подключен.

С примером опасного влияния наводки вы можете ознакомиться на видео:

Реальный пример

Вот мы и рассмотрели, что такое наведенное напряжение, чем опасно это явление и какие меры защиты нужно предпринимать для того, чтобы обезопасить персонал от поражения электрическим током. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Наверняка вы не знаете:

samelectrik.ru

54 1 . Физические основы работы вакуумных электронных приборов

1.6. Длительное взаимодействие электронов с полем бегущей волны

Малая протяженность и кратковременность взаимодействия электронов с сосредоточенными полями обуславливают необходимость увеличения напряженности полей, что достигается применением высокодобротных резонаторов. Однако это неизбежно приводит к сужению полосы частот, в которой взаимодействие электронов с полем остается достаточно сильным.

Расширить полосу частот, не теряя вместе с тем эффективности взаимодействия, можно, используя медленные бегущие волны, фазовая скорость которых близка к скорости электронов пучка (синхронное взаимодействие). Размещая электронные сгустки в областях наиболее сильного тормозящего поля такой волны, можно обеспечить продолжительное взаимодействие электронов с волной. Широкополосность в этом случае может быть обеспечена, если сделать дисперсию медленных волн небольшой, чтобы синхронизм сохранялся в возможно более широкой полосе частот.

В основе работы электронных приборов, использующих принцип синхронного взаимодействия, лежит фундаментальное физическое явление – излучение Вавилова-Черенкова, заключающееся в том, что при движении заряженных частиц в некоторой среде со скоростью, превосходящей скорость электромагнитных волн в данной среде, происходит излучение электромагнитных волн этими частицами. В рассматриваемом случае такой средой является ЗС. Если скорость электронов близка к фазовой скорости волн в ЗС или немного превышает ее, то энергия электронов передается волне. Длительное взаимодействие электронов с полем волны позволяет получить необходимое группирование электронов при сравнительно слабом входном сигнале.

Приборы, работающие по данному принципу, относятся к классу приборов, использующих взаимодействие электронных потоков с бегущими волнами. К ним относятся ЛБВ, ЛОВ. Большая широкополосность и малый уровень внутренних шумов позволяют использовать ЛБВ для усиления слабых сигналов СВЧ, широкая полоса усиливаемых частот и сравнительно высокий КПД делают ЛБВ удобными также для использования в качестве усилителей сигналов средней и большой мощности.

1.7. Законы наведения тока

1.7.1. Основной закон наведенного тока

Связь между движением электронов в приборе и током, протекающим во внешней цепи, лежит в основе всей современной физической электроники.

С мгновенным током, протекающим во внешней цепи какого-либо электрода, на низких частотах отождествляется конвекционный ток, приводящий к попаданию электронов на тот же электрод.

Если отвлечься от обычного емкостного тока, существующего независимо от присутствия свободных электронов, то ток в цепи электрода, на котором не оседают электроны внутри лампы, должен быть, с этой точки зрения, всегда равен нулю. Этот кажущийся очевидным аргумент в основном подтверждается в низкочастотной электронике, но противоречит опыту разработки СВЧ приборов.

Рассмотрим для простоты плоский вакуумный зазор, изображенный на рис. 1.12.

Во внешней цепи зазора включен источник постоянного или переменного напряжения U, имеющий нулевое внутреннее сопротивление. Если свободные заряды отсутствуют, на электродах зазора , как и во всяком плоском конденсаторе, имеются поверхностные заряды +Q₀и –Q₀, определяемые в любой момент времени по теореме Гаусса

Q₀ =₀E₀S_пов, (1.15)

где Е₀ =U/d,d– расстояние между электродами,S_пов – площадь поверхности каждого электрода.

Рис. 1.12. Наведение тока во внешней цепи при движении заряда + q в плоском зазоре

При внесении в зазор заряда +qна электродах по закону электростатической индукции наводятся поверхностные заряды –q₁и –q₂, связанные с величинойqуравнением сохранения заряда

q–q₁ –q₂ = 0 . (1.16)

Картина электрического поля, созданного точечным зарядом и зарядом в виде тонкого слоя, показана на рис. 1.12,а, б.

Это поле накладывается на электрическое поле Е₀, существующее в зазоре в отсутствие заряда. Напряженности поля в зазоре слева (Е₁) и справа (E₂) от слоя заряда, оказываются равными

. (1.17)

Знаки в последних уравнениях обусловлены направлением электрических силовых линий по отношению к электродам зазора.

Поскольку к зазору приложено напряжение U, можно записать

E₁x+E₂(d–x) =U =E₀d, (1.18)

где х – текущая координата заряженного слоя, имеющего толщинуdx. ВыражаяЕ₁,Е₂ иЕ₀через соответствующие заряды, получаем

q₂(d–x) –q₁x = 0 . (1.19)

Используя закон сохранения зарядов, связывающий величины q,q₁ иq₂, имеем

(1.20)

Таким образом, полные мгновенные заряды на каждой из пластин равны

. (1.21)

Тогда полный мгновенный ток, регистрируемый во внешней цепи, равен

или (1.22)

Следовательно, ток во внешней цепи слагается из обычного емкостного тока зазора и тока, созданного движущимся зарядом.

Физический смысл интересующей нас второй компоненты полного тока может быть легко понят из рассмотрения электрических силовых линий, выходящих из точечного заряда и оканчивающихся на одном из электродов. По мере движения заряда количество этих линий изменяется, результатом чего и является переход электрических зарядов с одного электрода на другой через внешнюю цепь, соединяющую рассматриваемые электроды.

Ток, создаваемый во внешней цепи движущимся электрическим зарядом, принято называть наведенным током. Величина этого тока в случае плоского зазора в соответствии с уравнением (1.22) равна

. (1.23)

Выражение (1.23), широко используемое в дальнейшем, является простейшей формой более общего уравнения наведенного тока – так называемого уравнения Рамо [1].

1.7.2. Наведение тока в плоском зазоре при прохождении модулированного по плотности электронного потока

Обратимся к наведению тока во внешней цепи двухсеточного зазора (рис. 1.13). Будем рассматривать не дискретный движущийся заряд q, а непрерывный поток, имеющий переменную объемную плотностьпри неизменной скорости электронов, равнойv₀. Пусть плотность пучка, поступающего в зазор через входную сетку, изменяется во времени по гармоническому закону

 = ₀+ ₁sin t, (1.24)

где ₀–плотность заряда в немодулированном потоке,₁–амплитуда переменной составляющей плотности заряда.

В фиксированной плоскости, через которую проходит электронный поток, конвекционный ток определяется выражением

i_конв= Sv₀= I₀+ I_msin t, (1.25)

где

I₀= ₀Sv₀ и I_m=₁S_сечv₀, (1.26)

S_сеч–площадь сечения потока.

Конвекционный ток i_конвхарактеризует количество электрического заряда, проходящего за единицу времени через поверхностьS_сеч.

Пользуясь общим уравнением наведенного тока, найдем ток i_нав ,протекающий во внешней цепи зазора, когда сетки соединены

Рис. 1.13. Короткозамкнутый плоский зазор, пронизываемый модулированным по плотности электронным потоком

накоротко между собой. Направление наведенного тока указано на рис. 1.13 с учетом отрицательного знака заряда электронов.

Выберем начало координат по оси хв середине рассматриваемого зазора и рассмотрим элементарный слой заряда толщинойdx, заштрихованный на рис. 1.13. Черезt₀обозначим момент прохождения этого слоя через центр зазора. Заряд, содержащийся в рассматриваемом слое, равен

dq=i_конвdt, (1.27)

где .

Используя уравнение для наведенного тока, найдем ток di_нав, созданный зарядомdq во внешней цепи зазора

. (1.28)

Предполагается, что скорость электронов v₀внутри зазора остается такой же, как на входе в зазор. Это справедливо лишь при условии короткого замыкания во внешней цепи, когда внешнее электрическое поле внутри зазора равно нулю.

Для нахождения суммарного наведенного тока, протекающего во внешней цепи, следует произвести интегрирование написанного выше уравнения по всей ширине зазора. Подставляя выражения (1.25), (1.26), (1.27) в (1.28) и производя несложные преобразования, после интегрирования получаем

(1.29)

Угол пролета электронов через данный зазор равен .

Введем обозначение

. (1.30)

Окончательно, с учетом (1.30), уравнение тока, наведенного модулированным электронным потоком, приобретает вид

, (1.31)

где М –коэффициент взаимодействия электронного потока с электрическим полем зазора.

Зависимость Мот угла пролетабыла показана на рис.1.2. Если угол пролета пренебрежимо мал, тоМстремится к единице, и наведенный ток численно оказывается равным конвекционному току. При возрастаниипроисходит уменьшение амплитуды наведенного тока, равнойМI_m.

При  = 2переменная составляющая обращается в нуль несмотря на то что конвекционный ток, поступающий в зазор, остается неизменным и описывается уравнением (1.25).

Коэффициент взаимодействия играет важную роль в теории ЭП СВЧ и определяет эффективность наведения тока в зазоре. Чем меньше угол пролета, тем больше амплитуда наведенного тока, равная в пределе амплитуде конвекционного тока. Отсюда становится ясно, почему в низкочастотной электронике практически можно пренебречь принципиальными различиями между конвекционным и наведенным токами.

1.7.3. Форма импульсов наведенного тока

Для того чтобы яснее представить важность выводов из уравнения наведенного тока, рассмотрим форму импульсов тока, протекающих во внешней цепи плоского диода при движении в нем точечных зарядов (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Форма импульсов наведенного тока при движении электрона в плоском зазоре в отсутствие пространственного заряда при: а – v₀  0; б – v₀ = 0

Для определения наведенного тока, необходимо знать скорость заряда.

В рассматриваемом диоде скорость электронов при отсутствии пространственного заряда записывается в виде

, (1.32)

где е,m–заряд и масса электрона,t₀–момент времени вылета электрона из первого электрода,v₀–начальная скорость электрона в плоскости первого электрода.

Подставив в уравнение (1.23) скорость и заряд q = –e, получим

(1.33)

До появления электрона наведенный ток равен нулю. При t = t₀абсолютная величина наведенного тока скачком становится равнойеv₀/d, после чего ток изменяется линейно во времени. Наконец, в момент попадания электрона на второй электрод наведенный ток падает скачком до нуля.

Важно заметить, что оседание электронов на электроде не является необходимым для протекания тока.

Если второй электрод сделать «прозрачным» для электронов, но непрозрачным для поля, выполнив его в виде «идеальной» сетки, то процесс наведения тока при движении электронов будет происходить без изменений.

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы.

Полный ток, протекающий во внешней цепи любого электронного прибора, имеет две составляющие:

1) наведенный ток, обусловленный движением всех зарядов, находящихся в межэлектродном промежутке;

2) ток смещения, обусловленный «холодной» электронной емкостью между электродами в отсутствие свободных зарядов.

Понятие наведенного тока позволяет сделать важное заключение, что в цепи электрода может протекать ток без того, чтобы электроны попадали на этот электрод.

Пусть, например, мимо заземленного электрода пролетает электрон, но не оседает на нем. По мере приближения к электроду электрон будет индуцировать на нем возрастающий наведенный заряд. При этом по проводнику, соединяющему электрод с «землей», протекает наведенный ток i_нав положительной полярности. В момент, когда заряд ближе всего к электроду, наведенный ток проходит через нуль и изменяет свой знак. После этого заряд начинает удаляться, и наведенный заряд стекает с электрода, образуя в соединительном проводнике наведенный ток отрицательной полярности.

Следует отметить, что если мимо электрода пролетает однородный поток электронов, наведенный ток равен нулю, так как число приближающихся и удаляющихся электронов одинаково. Наведенный ток появится лишь в том случае, если в потоке имеются неоднородности –уплотнения и разряжения концентрации электронов[2].

studfiles.net

Наведенное напряжение и защита от него

Содержание:

electric-220.ru

Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность

Наводка напряжения на линиях воздушной электропередачи возникает не так уж редко. Это наведенное напряжение также возникает в бытовых условиях и в электроустановках, связанных с линиями электропередач. Это явление создает такую же опасность для жизни человека, как и рабочее напряжение. Для того, чтобы правильно защитить себя от такого опасного явления, необходимо рассмотреть природу его появления.

Причины возникновения

Наведенное напряжение может появиться на воздушной линии электропередач, которая выведена в ремонт и отключена от питания, из-за воздействия на нее находящейся рядом действующей электроустановки, либо другой линии под напряжением. Действие оказывает не сама линия или электроустановка, а их электромагнитное поле.

Поэтому, воздушная линия, параллельно протянутая возле обесточенной линии, наводит внешний потенциал, представляющий большую опасность для ремонтного и обслуживающего персонала. Величина такого наведенного напряжения не является постоянной, и меняется в зависимости от длины участка линии, параллельной действующей, а также значения рабочего напряжения, тока нагрузки, удаленности фазных проводников, погодных условий.

Наведенное напряжение на линии электропередач разделяется по видам воздействия:

• Электромагнитная часть. Возникает вследствие воздействия магнитного поля, появляющегося от течения электрического тока по действующей линии электропередач. Особенностью и отличием такой составляющей является фактор того, что при заземлении линии в разных нескольких местах, электромагнитное влияние не исчезает и ее величина остается прежней. Влияет разве что нахождение точки нулевого потенциала.
• Электростатическая составляющая. Она отличается от электромагнитной тем, что исчезает путем подключения заземления на краях линии и в месте производства работы. Уменьшить значение наведенного напряжения можно путем заземления одной точки линии.

Разберемся, отчего возникает наводка, и каков его принцип действия. На рисунке изображен проводник А-А. При прохождении по нему переменного тока образуется электромагнитное поле, действие которого снижается по мере удаления от провода (окраска менее яркая).

Пульсации электромагнитного поля также изменяются при изменении величины электрического тока и его направления. Если в это поле попадает другой проводник, то в нем возникает наводка. На рисунке показаны провода с подсоединенными приборами измерения для контроля значения напряжения.

Необходимо определить, какая величина напряжения будет опасной для человека, обслуживающего линию электропередач. Принято считать, что наличие на отключенной воздушной линии наведенного напряжения не более 25 вольт, предполагает применение защитных мер обычного использования.

Если это значение будет превышено, то требуются специальные средства безопасности и осуществление мероприятий, создающих необходимую степень защиты от опасного действия потенциала напряжения. Такими мерами являются отключение заземления по концам линии, подключение заземления на рабочем участке воздушной линии, а также возможен разрез проводника на отдельные части.

Опасность наведенного напряжения

Это явление считается более опасным и уникальным в отличие от действующего рабочего напряжения, ввиду того, что защитные устройства на него не действуют. Если электромонтер попадет под наводка, то под его действием он будет находиться, пока не освободится от него. А при воздействии рабочего напряжения срабатывает устройство защиты и электричество автоматически отключается.

При коротком замыкании на действующей линии осуществляется наводка на обесточенную линию, и ток возрастает в несколько раз. Это оказывает опасное воздействие на ремонтный персонал, работающий на обесточенной линии передач. Последствия таких наведений напряжения бывают очень серьезными: сильные ожоги тела, поражения током важных органов, летальные исходы. Поэтому необходимо соблюдать правила безопасности при работах на выключенных линиях электропередач.

Наведенное напряжение может достигать несколько десятков киловольт. Иногда приходится работать одновременно в нескольких местах. При работе с вышки, ее обязательно необходимо заземлить, при этом нельзя забывать о выравнивании потенциала провода заземления и корзины вышки, с которой производится работа. При заземлении линии по ее концам, на участке работы напряжение может превысить допустимую величину, так как нулевой потенциал сместится в точку между заземлениями. Если возникла необходимость работы на линии в нескольких местах, то вся линия должна быть разделена на отдельные участки, электрически не связанные между собой. На таком участке можно приступить к ремонту, заземлившись в одной лишь точке.

Для гарантии безопасности необходимо устанавливать на рабочем месте два заземления. Случится что-нибудь с одним заземлением – подстрахует второе. Это особенно необходимо, если предстоит разъединить провод. До разъединения провода заземление следует устанавливать с обеих сторон от места предполагаемого разрыва с обязательным подсоединением их к одному заземлению.

Теперь можно разъединить шлейф, не опасаясь, что замкнете на себя уравнительный ток между концами провода. Заземлив линию в единственной точке на участке только на месте работы, можете быть уверены, что вашей жизни ничто не угрожает.

Нельзя забывать об основных мерах безопасности при осуществлении различных измерений на линии. Соединительные провода, вольтметр и рама разъединителя могут быть под напряжением, поэтому для безопасности необходимо перед измерением собрать схему измерений, а потом уже подключать ее к проводникам фаз.

Соединительные проводники должны иметь изоляцию, которая рассчитана на минимальное напряжение 1 кВ. Работники должны находиться в диэлектрических перчатках и ботах. Если при измерении напряжения будет нужно изменить пределы шкалы прибора, то сначала отключают от напряжения всю схему измерений от воздушной линии.

Наведенное напряжение в квартире

Явление наводки напряжения кроме воздушных линий может возникать и в бытовых условиях в квартире, либо собственном доме в бытовой сети. Наводка возникает в кабеле, находящемся рядом с проводником, подключенным к бытовой сети. Рассмотрим это на примере.

При отключенном выключателе на лампах освещения, которые имеют в своей конструкции светодиоды, может появиться слабое свечение. Это явление образуется вследствие расположенного рядом проводника питания фазного напряжения. Поэтому при воздействии электромагнитного поля возникает наведенное напряжение, хотя и незначительное, но достаточное для слабого свечения светодиодов.

Другим примером может служить наведенное напряжение в розетке. Она появляется в том случае, если образовался обрыв провода ноля. При этом, измеряя индикатором в розетке напряжение, обнаруживаются две фазы. На самом деле фаза одна. Вторая фаза исчезнет после устранения обрыва нулевого проводника.

Похожие темы:

electrosam.ru