Протокол измерения сопротивления контура заземления: Акт проверки заземления по форме протокола ЭЛ-8. Бланк и образец 2020 года

Двухпортовое шунтирующее измерение — это адаптация 4-проводной измерительной системы Кельвина с использованием векторного сетевого анализатора (VNA) для измерения очень низких импедансов, порядка милли / микроом. Этот метод становится популярным в связи с его важностью при измерении полного сопротивления распределительной сети (PDN). В этой статье мы покажем теорию двухпортового шунта при измерении с использованием VNA и то, как встроенный контур заземления вносит ошибку измерения.Наконец, мы предлагаем решения проблемы контура заземления с результатами измерений. Этот документ был удостоен награды «Выдающаяся бумага» на выставке EDI CON USA 2018.

Двухпортовое сквозное измерение является золотым стандартом для измерения импеданса в миллиомах, поддерживая измерения на очень высокой частоте. Эти возможности делают его идеальным для измерения сети распределения электроэнергии (PDN). В этой статье показано, как сделать двухпортовый шунт путем измерения с использованием коммерческого векторного анализатора сети (VNA).К сожалению, это измерение включает нежелательный контур заземления. Оставленный неисправленным, контур заземления вносит существенные ошибки.

Рисунок 1. Двухпортовый шунт через установку измерения импеданса с использованием коммерческого VNA Omicron Bode 100 для измерения низких импедансов
(Z _DUT << 50Ω).

Рис. 2. Эквивалентная принципиальная схема двухпортового шунта при измерении, показанном в (Рис. 1)
для измерения R.

На рисунке 1 показана обычная двухпортовая шунтирующая установка. На рисунке 2 показана конфигурация схемы для измерения небольшого резистора в двухпортовом шунте путем измерения. Из определения S ₂₁ [1, с. 2-3],

Решая для R получаем,

, где предполагается, что R ₀ = 50 Ом и S ₂₁ << 1 (верно для очень малых величин / сопротивлений импеданса - R << R ₀ ).Уравнение 1 менее интуитивно понятно в двухпортовом шунте с помощью измерений. Другое представление определения S ₂₁ показано в [1, с. 2],

Уравнение 3 приводит к тому же значению для S ₂₁ при упрощении. Разница здесь в том, что это дает интуитивное ощущение того, что происходит с S ₂₁ . Знаменатель является постоянным для ВНА, если импедансы источника и приемника фиксированы. Одно из исключений этому предлагает Стив Сэндлер в своей статье «Расширение полезного диапазона двухпортового шунта путем измерения импеданса» [2].Здесь источник R ₀ увеличивается для сдвига окна измерений. Источник R ₀ увеличивается до более высокого значения, добавляя внешний резистор, скажем, 450 Ом, и Rs теперь становится 500 Ом для 50-омной ВНА, предполагая, что интересующий нас частотный диапазон таков, что внешний резистор электрически очень мал и является сосредоточенным элементом на этой частоте. Что мы делаем здесь, так это то, что мы уменьшили максимальную мощность, которая может быть получена от VNA, что увеличивает диапазон измеряемых сопротивлений.Следует отметить, что чувствительность является неотъемлемым свойством ВНА и не изменяется.

В уравнении 3 S ₂₁ ² — это принимаемая мощность в Rx, масштабированная на мощность, которая была бы получена, если бы DUT не присутствовало. Давайте посмотрим эффект этого в 2-портовых измерениях импеданса. R = 25S ₂₁ и S ₂₁ увеличивается при увеличении принимаемой мощности.

Любое увеличение принимаемой мощности будет отражено как увеличение измерения R.

Неидеальности

Как и все измерения, двухпортовый шунт при измерениях страдает от неидеальности. На рисунке 3 показаны две неидеальности,

1. Кабельные потери
2. Контур заземления

Рисунок 3. Неидеальности добавлены в 2-портовый шунт путем измерений

Каждый кабель будет иметь потери в кабеле, которые обозначены как сопротивления кабеля на рисунке 3. Все заземления в VNA соединены вместе на ВЧ-заземлении передней панели.Это приводит к замыканию на землю в двухпортовом шунте посредством измерений, как показано на рисунке 3.

Проблема заземления

Рисунок 4. Формирование синфазного тока из-за контура заземления

На рисунке 4 показан альтернативный путь для возврата тока сигнала, рассматриваемого как синфазный ток. Добавление заземления создало этот путь. Если бы этот путь никогда не существовал, весь ток вернулся бы через кабель. Новый путь создал дополнительный путь для тока, который зависит от значения R _G .Почти во всех VNA R _G << Rcable1b и Rcable2b. Таким образом, дополнительный ток будет намного больше по сравнению со случаем отсутствия этого дополнительного пути. Этот дополнительный ток добавляет больше мощности в приемник, что приводит к увеличению до S ₂₁ и, в свою очередь, к оценочной R 25S ₂₁ . Это ошибка в измерениях, и она не относится к фактическому значению R. Таким образом, это будет рассматриваться как ошибка.

Пример

Рисунок 5.Пример оценки ошибки контура заземления

Давайте возьмем пример, чтобы оценить, сколько ошибок возникает в результате синфазного тока, создаваемого контуром заземления. На рисунке 5 показан пример, в котором изучаются два случая наличия и отсутствия контура заземления. Небольшое сопротивление (R _G = 10 ^{— 15} Ω) помещается в контур, чтобы имитировать соединение контура заземления, а большое сопротивление (R _G = 10 ¹⁵ Ω) помещается в контур. имитировать соединение контура заземления.Схема может быть решена с помощью любой программы SPICE для оценки мощности, потребляемой приемником в этих двух случаях,

1. R _G = 10 ^{— 15} Ом
2. R _G = 10 ¹⁵ Ом

Мы можем использовать Уравнение 3 для оценки S ₂₁ . Знаменатель, мощность, потребляемая Rx при отсутствии проверяемого устройства = 5 мВт (потери в кабеле не учитываются и предполагается, что при калибровке порт не расширяется) — это максимальная мощность, которую можно передать от источника.Это константа по отношению к ВНА. S ₂₁ для этих двух случаев:

1. S ₂₁ = = 0,022538
2. S ₂₁ = = 0,0036841

Как мы и ожидали в случае 1, приемник потребляет больше энергии из-за более высокого синфазного тока. Расчетный R от S ₂₁ на основе R = 25S ₂₁ ,

1. S ₂₁ = 0,56344
2. S ₂₁ = 0.092101

Ошибка из-за контура заземления составляет почти 460%. Небольшое отклонение в случае 2 происходит из наших приближений и предположений. Пример был сделан для DC. Тот же подход может быть выполнен и для случая переменного тока. Это оставлено заинтересованным читателям.

Из этого примера ясно, что нам необходимо минимизировать ток синфазного режима, который вносит большую погрешность в двухпортовый шунт посредством измерений.

способов решения проблемы заземления

Рисунок 6.Удаление контура заземления в 2-портовом шунте с помощью настройки измерения импеданса, показанной на рисунке 1.

Рисунок 7. Схема синфазного трансформатора

На рисунке 6 показано решение проблемы контура заземления. Очевидный способ минимизировать погрешность измерения — минимизировать синфазный ток. Мы разработали два продукта для минимизации синфазного тока

На рисунке 10 показаны экспериментальные результаты с использованием синфазного дросселя Picotest (J2102A) и полуплавающего дифференциального усилителя (J2113A).

Первый подход заключается во введении высококачественного синфазного трансформатора 50 Ом или синфазного дросселя. Как видно из названия, он блокирует синфазный ток. На рисунке 7 показана эквивалентная схема синфазного трансформатора. Синфазный трансформатор построен на ферритовом сердечнике так, что, когда Iout = Iin, индуктивность, предлагаемая току, равна нулю. Часть этого тока называется дифференциальным током. Это ток, который способствует нормальной работе.

Когда часть тока протекает через один, но не возвращается через другой, это называется синфазным током.Синфазный трансформатор показывает очень большую индуктивность к этому потоку тока и эффективно блокирует это. Степень блокировки (затухания) сильно зависит от конструкции трансформатора. Поскольку этот трансформатор не должен влиять на нормальную работу измерения VNA, он должен быть спроектирован таким образом, чтобы полное сопротивление дифференциального тока составляло 50 Ом. Важным соображением является то, что синфазный дроссель не эффективен при постоянном токе или низкой частоте. Максимальная частота, на которой действует синфазный трансформатор, зависит от сердечника и определяется качеством материала.Мы нашли лучшие результаты измерений, когда дроссель синфазного сигнала подключен к контуру приемника, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8. Синфазный трансформатор, включенный в двухпортовый шунт через измерительную схему

Рисунок 9. Полуплавающий дифференциальный усилитель, включенный в двухпортовый шунт через измерительную схему

Рисунок 10.Сравнение методов решения проблемы контура заземления в 2-портовом шунте путем измерения импеданса при измерении сопротивления
с сопротивлением 1 мОм

Другой подход к проблеме контура заземления заключается в использовании полуплавающего дифференциального усилителя, который показывает большое сопротивление синфазному току. Поскольку это сопротивление, полуплавающий усилитель эффективен и на постоянном токе. Лучшие результаты измерений наблюдаются, когда он подключен к контуру приемника, как показано на рисунке 9.

Заключение

Двухпортовое сквозное шунтирование является важным методом измерения очень низких импедансов.Поскольку импедансы PDN, которые необходимо измерить, уменьшаются в зависимости от более высоких требований к функциональности микросхемы, этот метод набирает популярность. В настоящее время обычно проектируемый целевой импеданс PDN находится в миллиомом диапазоне. Тем не менее, некоторые из передовых конструкций PDN находятся в диапазоне микроом. Это делает двухпортовое шунтирование посредством измерения важным методом для проектов PDN.

К сожалению, двухпортовая шунтирующая измерительная топология имеет встроенный контур заземления. Одним из способов решения этой проблемы является нарушение контура заземления.В этой статье предлагаются два метода (синфазный дроссель или полуплавающий дифференциальный усилитель) для размыкания контура заземления. Синфазный дроссель не эффективен при постоянном токе, в то время как полуплавающий дифференциальный усилитель является эффективным решением даже при постоянном токе. Результаты измерений для обоих предложенных решений были представлены, чтобы показать эффективность этих методов. Точные измерения PDN требуют изоляции контура заземления с плоскими частотными характеристиками и равномерным сопротивлением 50 Вт. Решения общего назначения или самодельные решения не могут обеспечить плоское сопротивление 50 Ом.В результате важно проверить свой изолятор или использовать тот, который сделан специально для этой цели.

Обратите внимание, что одним из способов уменьшить влияние контура заземления является минимизация сопротивления в заземляющих соединениях от VNA до DUT.

Рекомендации

[1] Р. У. Андерсон, «Методы S-параметров для более быстрого и точного проектирования сети», примечание к приложению HP 95-1, февраль 1967 г.

[2] С. М. Сандлер, «Расширение полезного диапазона двухпортового шунта путем измерения импеданса», IEEE MTT-S Lat.Am. Мик. Conf. (LAMC), стр. 1–3, декабрь 2016 г.

[3] Дж. Ю. Чой и И. Новак, «Моделирование и измерение микроомов в PDN», DesignCon 2015

Автор (ы) Биография

Анто К Дэвис получил степень бакалавра технических наук. степень в области электротехники и электроники в Национальном технологическом институте Тричи, Индия, в 2006 году, а также M.Tech. и доктор философии степени в области дизайна электроники в Индийском институте науки, Бангалор, Индия, в 2010 и 2015 годах соответственно.С 2006 по 2007 год работал в компании Huawei Technologies, Бангалор, Индия, а в 2011 году — в Brocade Communications, Бангалор, Индия. Работал научным сотрудником в Школе электротехники и вычислительной техники, Технологический институт Джорджии, Атланта, США. США, с января 2016 года по декабрь 2017 года. В настоящее время он работает старшим технологическим стратегом в Picotest в Бангалоре, Индия (начало в январе 2018 года).

Его доктор философии В исследованиях рассматривались методы снижения шума для микропроцессора — распределительные сети (PDN), а также методы подавления антирезонансных пиков.В настоящее время он исследует стабильность коммутации и линейных преобразователей в Picotest. Его исследовательские интересы включают в себя: электромагнитную совместимость, целостность питания, анализ устойчивости переключающих преобразователей мощности, управление преобразователями мощности, преобразователями с переключаемыми конденсаторами, преобразователями с переключаемыми индукторами, беспроводной передачей энергии и Интернетом вещей.

Стивен М Сэндлер занимается проектированием энергосистем почти 40 лет. Основатель и генеральный директор Picotest.com, компания, специализирующаяся на инструментах и ​​аксессуарах для высокопроизводительных систем электропитания и тестирования распределенных систем, Стив также является основателем AEi Systems, компании, которая специализируется на анализе цепей наихудшего случая для высоконадежных отраслей.

Он часто читает лекции и публикует на международном уровне темы целостности электропитания и проектирования распределенных энергосистем. Его последние книги включают: «Моделирование импульсного источника питания с SPICE (2018)» и «Целостность электропитания : измерение, оптимизация и устранение неполадок, связанных с параметрами питания в электронных системах (2014)».Стив — лауреат премии Джима Уильямса ACE для Участника года (2015) и обладатель премии Best Paper Awards в номинациях DesignCon 2017 и EDICON USA 2017.

9 Рекомендуемые методы заземления

Основа безопасности и качества электроэнергии

Заземление и соединение — это основа безопасности и качества электроэнергии. Система заземления обеспечивает путь с низким импедансом для тока повреждения , а ограничивает рост напряжения на обычно не несущих ток металлических компонентах электрической распределительной системы.

В условиях неисправности низкий импеданс приводит к сильному току тока короткого замыкания , что приводит к срабатыванию устройств защиты от сверхтоков, что позволяет быстро и безопасно устранить неисправность.Система заземления также позволяет безопасно переключать такие переходные процессы, как молния, на землю.

Склеивание — это преднамеренное соединение обычно не несущих током металлических компонентов с образованием электропроводного пути. Это помогает обеспечить одинаковый потенциал этих металлических компонентов, ограничивая потенциально опасные перепады напряжения.

Тщательное рассмотрение должно быть уделено установке системы заземления, которая превышает минимальные требования NEC для повышения безопасности и качества электроэнергии.

1. Оборудование Заземлители

IEEE Emerald Book рекомендует использовать заземляющие проводники оборудования во всех цепях, не полагаясь только на систему дорожек качения для заземления оборудования. Используйте заземляющие проводники оборудования с размерами, равными фазным проводникам, чтобы уменьшить сопротивление цепи и сократить время отключения устройств защиты от сверхтоков.

Свяжите все металлические корпуса, дорожки качения, коробки и провода заземления оборудования в одну электрически непрерывную систему.Рассмотрим установку заземляющего проводника для оборудования проводного типа в качестве дополнения к заземляющему проводнику для оборудования только для кабелепровода для особо чувствительного оборудования .

Минимальный размер заземляющего проводника оборудования для обеспечения безопасности приведен в NEC 250.122, но для обеспечения качества электроэнергии рекомендуется заземляющий провод в натуральную величину.

Вернуться к оглавлению №

2. Изолированная система заземления

В соответствии с разрешением NEC 250.146 (D), и NEC 408,40 Исключение, рассмотреть возможность установки изолированной системы заземления, чтобы обеспечить чистый опорный сигнал для правильной работы чувствительного электронного оборудования.

Изолированное заземление — это метод, который пытается уменьшить вероятность «шума», проникающего в чувствительное оборудование через провод заземления оборудования. Заземляющий контакт не подключен к ярму устройства и не подключен к металлической розетке. Поэтому он «изолирован» от заземления зеленого провода.

Отдельный проводник, зеленый с желтой полосой, проходит к щитовой панели вместе с остальными проводниками цепи, но обычно он не подключен к металлическому корпусу. Вместо этого он изолирован от корпуса и проходит через шину заземления сервисного оборудования или заземление отдельно взятой системы. Изолированные системы заземления иногда устраняют циркулирующие токи контура заземления.

Обратите внимание, что NEC предпочитает термин изолированное заземление , в то время как IEEE предпочитает термин изолированное заземление .

Вернуться к оглавлению №

3. Заземление ответвительной цепи

Замените ответвительные цепи, которые не содержат заземления оборудования, на ответвительные цепи с заземлением оборудования. Чувствительное электронное оборудование, такое как компьютеры и управляемое компьютером оборудование, требует ссылки на землю, обеспечиваемой заземляющим проводником оборудования, для правильной работы и для защиты от статического электричества и скачков напряжения.

Отказ от использования заземляющего проводника оборудования может вызвать протекание тока через низковольтные цепи управления или связи, которые подвержены неисправности и повреждению, или заземлению.

должны быть подключены к заземляющему проводнику оборудования.

Вернуться к оглавлению №

4. Сопротивление заземления

Измерьте сопротивление системы заземляющих электродов к земле.

Примите разумные меры для обеспечения того, чтобы сопротивление заземления составляло 25 Ом или менее для типичных нагрузок .Во многих промышленных случаях, особенно при наличии электронных нагрузок, существуют требования, для которых необходимо, чтобы значения составляли всего 5 Ом или менее , что во много раз меньше 1 Ом.

Для этих особых случаев создайте программу технического обслуживания чувствительных электронных нагрузок для измерения сопротивления заземления каждые полгода, первоначально, с использованием измерителя сопротивления заземления . Сопротивление заземления следует измерять не реже одного раза в год.

При проведении этих измерений должны быть приняты соответствующие меры безопасности , чтобы снизить риск поражения электрическим током .

Запишите результаты для дальнейшего использования. Изучите значительные изменения в измерениях сопротивления заземления по сравнению с историческими данными и исправьте недостатки системы заземления. Проконсультируйтесь со специалистом по электротехнике для получения рекомендаций по снижению сопротивления заземления, где это необходимо.

Вернуться к оглавлению №

5.Стержни заземления

NEC позволяет размещать заземляющие стержни на расстоянии всего 6 футов друг от друга, но сферы влияния стержней с буртиками.

Рекомендуемая практика заключается в размещении нескольких заземляющих стержней как минимум вдвое больше длины стержня. Устанавливайте грунтовые стержни с глубоким приводом или с химическим усилением в горной или каменистой местности и там, где почвенные условия плохие. Детальное проектирование систем заземления выходит за рамки этого документа.

Вернуться к оглавлению №

6.Кольцо заземления

В некоторых случаях может быть целесообразно установить медное заземляющее кольцо , дополненное приводными заземляющими стержнями , для нового коммерческого и промышленного строительства в дополнение к металлическим водопроводным трубам, конструкционной строительной стали и электродам в бетонной оболочке, так как требуется Кодекс.

Заземляющие кольца обеспечивают удобное место для соединения нескольких электродов системы заземления, таких как несколько заземляющих устройств, молниезащита, несколько вертикальных электродов и т. Д.

Установите заземляющие кольца полностью вокруг зданий и сооружений и ниже линии замерзания в траншее, смещенном в нескольких футах от зоны охвата здания или сооружения. Там, где низкий, полное сопротивление заземления необходимо, дополните заземляющее кольцо приводными заземляющими стержнями в триплексной конфигурации на каждом углу здания или сооружения и в средней точке каждой стороны.

Минимальный размер проводника NEC для заземляющего кольца — 2 AWG , но чаще используются размеры до 500 ксм / . Чем больше проводник и чем длиннее проводник, тем больше площадь поверхности соприкасается с землей и тем ниже сопротивление к земле.

Вернуться к оглавлению №

7. Заземляющая электродная система

Свяжите все присутствующие заземляющие электроды , включая металлические подземные водопроводные трубы, конструкционную конструкционную сталь, электроды в бетонной оболочке, трубчатые и стержневые электроды, пластинчатые электроды и заземляющее кольцо, а также все подземные металлические трубопроводные системы, которые пересекают заземляющее кольцо, к системе заземляющих электродов.

Свяжите заземляющие электроды отдельных зданий в университетском городке вместе, чтобы создать одну систему заземляющих электродов.

Свяжите все электрические системы , такие как питание, кабельное телевидение, спутниковое телевидение и телефонные системы, с системой заземляющих электродов. Соедините наружные металлические конструкции, такие как антенны, радиовышки и т. Д., С системой заземляющих электродов. Свяжите молниезащиту нисходящих проводников с системой заземляющих электродов.

Вернуться к оглавлению №

8. Система молниезащиты

Медные системы молниезащиты могут превосходить другие металлы как по коррозии, так и по техобслуживанию. NFPA 780 (Стандарт на установку систем молниезащиты) следует рассматривать как минимальный проектный стандарт.