Разработка коаксиального магнетрона с безнакальным катодом

Магнетроны должны надежно работать при механических и климатических воздействиях, определяемых эксплуатационными условиями. Существенным является влияние изменения нагрузки на стабильность работы магнетрона. В то же время стабильность работы магнетрона предопределяется режимами работы его в аппаратуре.

При совместной работе магнетрон и модулятор взаимно влияют друг на друга. Часто на практике трудно установить, что является причиной нарушения работы передатчика, -- магнетрон или модулирующее устройство передатчика (в передатчиках импульсных сигналов). Так, например, причиной полного или частичного выпадания отдельных составляющих в спектре высокочастотных колебаний магнетрона может быть не только частичная потеря эмиссии с катода, но и, как это нередко бывает, нарушение стабильности работы модулятора или отдельных его блоков: нестабильность или перегрузка источника сетевого питания модулятора, нарушение работы датчика импульсов напряжения или формирующего каскада (подмодулятора), резкое увеличение (или понижение) крутизны переднего фронта импульса напряжения и т. д.



ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ Р ВИДА СИСТЕМЫ

2.1 Постановка задачи

Анод коаксиального магнетрона должен обеспечить устойчивую работу прибора со следующими параметрами:

- диапазон рабочих частот 33-35 ГГц

- выходная импульсная мощность не менее 25кВт

- напряжение анода не более 13 кВ

- ток анода не более 8 А

- скважность 1200

- масса магнетрона не более 0,6 кг

Наружный диаметр анода(внешний диаметр коаксиального резонатора) D_н=20мм

Внутренний диаметр коаксиального резонатора D_в=8.4(8.1;8.7)мм

Высота контура L_p= 5.7_6.0_6.3_6.6_6.9_7.2мм

Диаметр периферии резонаторной системы d_л=7.3мм

Длина резонатора зависит от длины волны.(h=2,3мм)

2.2 Обеспечение расстановки видов колебаний, необходимых для устойчивой работы магнетрона

В импульсном режиме работы магнетрона за время, равное длительности фронта модулирующего импульса, напряжение анода нарастает от нуля до рабочего значения. При этом в электронном потоке и в колебательной системе может возникать множество видов колебаний: устойчивых и неустойчивых, автономных и взаимодействующих друг с другом, взаимоподдерживающихся и взаимоподавляющихся, инициирующих возбуждение одного вида другим и преобразующихся один в другой, модулирующих один другого и т. п.

В общем случае взаимодействие электронного потока с электромагнитными полями следует квалифицировать как многочастотное и многовидовое. При таком взаимодействии среди множества колебательных состояний выделяются такие, для которых существует более или менее длительный синхронизм электронного потока с электромагнитной волной и соответственно имеет место нарастание колебаний.

2.2.1 Расчет и построение зависимости рабочего вида и конкурирующих видов колебаний резонатора

Принципиально присущие коаксиальным резонаторам нормальные виды колебаний:

- виды

- виды

-- виды (в коаксиальном СР).

Для более качественного рассмотрения можно выделить следующие подгруппы:

Виды колебаний, возможные для использования в качестве рабочих. К числу таких видов относятся: ). Главный классификационный признак- отсутствие азимутальных вариаций поля, обеспечивающее симфазность возбуждения СЭС.

Перестраиваемые виды (m0).

Рабочий вид колебаний - Н₀₁₁, а остальные типы - конкурирующие(H₁₂₁, H_211, H_311, H₄₁₁). Наибольшие неудобства доставляют волны типов: Н₁₂₁ и Н₄₁₁.

Проведем расчет для каждого типа волн отдельно и составим общую картину. По выбранному значению из таблицы находятся корни () и рассчитываются кривые перестройки : f=f() соответственно для , , , .

Где р=1.

Внешний диаметр =20 мм, внутренний = 8.1мм

Таблица 2.1.

	5.7	6	6.3	6.6	6.9	7.2
(*	3.695	3.602	3.521	3.449	3.384	3.327
(*	3.784	3.694	3.614	3.544	3.481	3.425
(*	2.959	2.843	2.739	2.645	2.561	2.485
(*	3.281	3.176	3.083	3.001	2.926	2.86

Внешний диаметр =20 мм, внутренний = 8.4мм

Таблица 2.2.

	5.7	6	6.3	6.6	6.9	7.2
(*	3.741	3.649	3.569	3.498	3.434	3.378
(*	3.825	3.735	3.657	3.587	3.525	3.47
(*	2.955	2.838	2.734	2.64	2.556	2.479
(*	3.276	3.172	3.079	2.996	2.922	2.855

Внешний диаметр =20 мм, внутренний = 8.7мм

Таблица 2.3.

	5.7	6	6.3	6.6	6.9	7.2
(*	3.784	3.694	3.615	3.544	3.482	3.426
(*	3.864	3.775	3.698	3.629	3.568	3.513
(*	2.949	2.832	2.728	2.634	2.549	2.472
(*	3.27	3.165	3.072	2.989	2.914	2.847



Рис 2.1. Зависимость частоты f рабочего вида колебаний резонатора H₀₁₁ от высоты контура L_p.

Рис. 2.2. Зависимость частоты f конкурирующего вида колебаний резонатора H₁₂₁ от высоты контура L_p.



Рис. 2.3. Зависимость частоты f конкурирующего вида колебаний резонатора H_{211 от} высоты контура L_p.

Рис. 2.4. Зависимость частоты f конкурирующего вида колебаний резонатора H₃₁₁ от высоты контура L_p.



2.2.2 Экспериментальное нахождение зависимости рабочего вида и конкурирующих видов резонатора

Проведем эксперимент 1. Найдем экспериментально на установке «холодных» измерений рабочий вид колебаний системы H₀₁₁ и конкурирующие виды колебаний системы соответственно , , (если они будут видны).

Результаты измерений:

1) Для высоты контура L_p=7.17

H₀₁₁ f = 34178 H₁₂₁ f = 34900 H₄₁₁ f=32100

2) Для высоты контура L_p=6.12

H₀₁₁ f = 37250 H₁₂₁ f = 37950 H₄₁₁ f=33700

Наносим полученные данные на график:

Рис. 2.5. Зависимость частоты f видов колебаний резонатора расчетная(красные линии) и экспериментальная(черные линии) от высоты контура L_p.

На графике видно, что кривые зависимостей для расчетных и экспериментальных значений оказались близки, что говорит о небольшом расхождении расчетных и экспериментальных значения и небольшой погрешности.

2.2.3 Расчет частоты р-вида системы

Рассчитаем рабочую частоту нашего магнетрона.

л_р-длина волны р-вида колебаний резонатора

Для расчета воспользуемся графиком зависимости емкости C_кр, обусловленной краевыми полями на границе щели и пространства взаимодействия, от отношения ширины ламели к ширине щели(Рис.2.6.) и графиком зависимости электрических параметров «лопаточных» резонаторов от их геометрических размеров(Рис.2.7.).

На графике видно, что кривые зависимостей для расчетных и экспериментальных значений оказались близки, что говорит о небольшом расхождении расчетных и экспериментальных значения и небольшой погрешности.

Рис. 2.6. Зависимость емкости С_кр , обусловленной краевыми полями на границе щели и пространства взаимодействия, от отношения ширины ламели к ширине щели С_кр = f(µ).

С_кр- краевая емкость

l_а- длина анода

л_р- резонансная длина волны резонатора

л_р'-длина волны резонатора без учета краевой емкости

С_р'- емкость резонатора без учета краевого эффекта

С_р- емкость резонатора

Рис. 2.7. Зависимость электрических параметров «лопаточных» резонаторов от их геометрических размеров.



r₁- фиктивный радиус анода

r₂- фиктивный радиус окружности ламелей

r₀- радиус схождения r₁ и r₂

Исходные данные:

количество ламелей N= 30

диаметр анода d_a=4.38 мм

толщина ламели ф=0,22 мм

диаметр резонатора d_л=7,3 мм

длина анода l_а=11.5мм

Расчетные данные:

r₀=1.053

r₁=1.137

r₂=2.6

C'_p=2.38*10^-12 Ф

л'_p=7.22 мм

C_кр=0.62*10^-12Ф

=37,037*10⁹

f_р=37,037*10⁹ Гц

Построим график зависимости частоты f видов колебаний резонатора от высоты контура L_p с учетом частоты -вида.



Рис. 2.8. Зависимость частоты f видов колебаний резонатора от высоты контура L_p(в общем виде).

График 2.9. Зависимость частоты f видов колебаний резонатора от высоты контура L_p.



2.2.4 Экспериментальное определение частоты р-вида системы

Необходимо при одинаковой высоте контура определить частоту

1) Нарезанной вставки(анода)

2) Ненарезанной вставки(чистого коаксиального резонатора)

По мере продвижения вперед по частоте, уменьшая высоту контура, найдем точку пересечения. Включаем установку «холодных» измерений. Ставим нарезанную вставку(анод). Получаем вид колебаний резонатора. Определяем частоту f=32565.

Оставляем ту же высоту контура. Ставим ненарезанную вставку. Определяем частоту f=33209. Вычисляем высоту контура с помощью измерений(измеряем расстояние от вставки до посадки).

7.65ч7.67ч7.68

Посадка 0.56 Высота контура 7.67+0.56=8.2

Перемещаем коронку перестройки, измеряем новый размер.

Высота коронки +0.6 Высота контура 7.67-0.6=7

Измеряем частоту ненарезанной вставки: f=34500.

Измеряем частоту системы с нарезанной вставкой: f=34678.

Вычисляем высоту нарезанной вставки:

Замеряем высоту от посадки до коронки 1.45ч1.48

Высота контура 7.67-1.45=6.23

Измеряем частоту для этой высоты контура:

Частота нарезанной вставки f=36500

Частота ненарезанной вставки f=36690

Результаты измерений:

· для высоты контура 7

f_{нарезанного анода}=35078 f_{ненарезанного анода}=35050



· для высоты контура 6.23

f_{нарезанного анода}=36900 f_{ненарезанного анода}=37090

Наносим полученные данные на график:

Рис 2.10. Зависимость частоты f видов колебаний резонатора расчетная(красные линии) и экспериментальная(черные линии) от высоты контура L_p, частота р-вида расчетная(красная прямая линия) и экспериментальная(зеленая прямая линия).

Определяем частоту р-вида как точку пересечения на графике кривой зависимости частоты колебаний от высоты контура для нарезанной вставки(синяя кривая на рис. 2.10) и кривой зависимости частоты колебаний от высоты контура для ненарезанной вставки(голубая кривая на рис. 2.10).

Из графика видно, что расчетная рабочая частота коаксиального магнетрона оказалась очень близка к экспериментальной. Расхождение составляет всего 100 МГц, что является очень хорошим показателем (при изменении высоты контура на 0,01 мм отклонение по частоте составляет 20 МГЦ ). Погрешность в измерениях и расчетах невелика.



ГЛАВА 3. РАСЧЁТ ПРОСТРАНСТВА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАГНЕТРОНА И ПАРАМЕТРОВ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

3.1. Выбор числа резонаторов

Выбирая число резонаторов N, следует руководствоваться следующими положениями:

1. С позиции удовлетворения требований электромагнитной системы и облегчения возбуждения рабочего вида колебаний целесообразно увеличивать число помогающих видов колебаний. Этому способствует выбор наибольшего числа резонаторов N.

2. С позиции получения повышенной долговечности и длительности импульса увеличение числа N также желательно, ибо обычно сопровождается увеличением диаметра катода, что позволяет уменьшить плотность тока катода.

3. Выбор увеличенного числа резонаторов в коаксиальном магнетроне ведет к увеличению диаметра анода и к увеличению диаметров D_н и D_в коаксиального резонатора. При сохранении постоянства заданного диапазона перестройки рабочего вида колебаний и требуемой относительной расстановки видов колебаний анодной замедляющей системы и увеличение D_н и D_в СР влечет за собой повышение крутизны перестройки частоты. Одновременно происходит частотное сближение видов колебаний и кольцевых видов в спектре видов СР.

4. Увеличение N может сопровождаться уменьшением толщины ламелей АЗС. Это в свою очередь ухудшает теплоотводот концов ламелей, подвергающихся электронной бомбардировке, снижает формоустойчивость ламели и в общем случае снижает виброустойчивость и ударопрочность.

5. С увеличением N и уменьшением толщины ламелей возрастают трудности в обеспечении требуемой точности изготовления АЗС.

Окончательный выбор N производится по результатам машинного эксперимента с учетом тепловых нагрузок на ламели.

3.2 Расчёт отношения диаметров катода и анода

Отношение диаметров катода и анода рекомендуется выбирать, исходя из известной зависимости отношения диаметров катода и анода от чиста резонаторов АЗС КМ. При выбранном числе резонаторов N=30 отношение диаметров катода и анода должно лежать в пределах 0.8-0.9.

3.3 Определение диаметров анода и катода

Диаметр анода можно предварительно оценить по формуле:

Где л - заданная длина волны для рабочего вида колебаний, мм.

- заданное напряжение анода, В.

- предельно допустимый электронный к.п.д.

Соответственно диаметр катода для КМ:

Для коаксиального магнетрона принято считать = 0.8 - 0.9.

Причём опыт работы с магнетронами миллиметрового диапазона даёт реальную величину близкую к нижнему пределу указанного интервала.

Для расчётов выберем значение к.п.д. равного 0.9.

При расчёте целесообразно в качестве заданного значения напряжения анода принять величину на 5-7% меньшую, чем предусмотренное реальным заданием максимально допустимое значение напряжения анода. Но поскольку задача проекта получить максимальные реальные значения, расчёт проводится по значению, равному 13кВ.

3.4 Расчёт рабочего напряжения анода

Для КМ напряжение анода с приемлемой точностью может быть вычислено по модифицированной формуле Коваленко-Веселовского:

По этой же формуле можем проверить найденное значение диаметра.

Рассчитанное по формуле анодное напряжение равно 12827кВ, что совпадает с заданной величиной. Таким образом, найденное значение диаметра анода можно использовать в дальнейших расчётах.

3.5 Определение значения рабочей магнитной индукции.

Для большинства случаев с приемлемой точностью рабочую магнитную индукцию можно рассчитать по формуле:

Где К₁- коэффициент увеличения критического магнитного поля.



3.6 Определение величины рабочего тока анода

Заданием предусмотрено значение максимально достижимого к.п.д. и максимально допустимого напряжения анода, тогда импульсный ток анода равен:

При расчёте тока анода по данной формуле обычно целесообразно принять для величины Р значение на 5-10% больше заданной, а для напряжения анода - примерно на 5% меньше. Но для выполнения поставленной задачи проекта расчёт проводится с максимально допустимыми значениями.

3.7 Определение высоты анода

Высота анода может быть принята равной активной части катода. Однако в целях устранения или предотвращения эффектов взаимодействия электронов с краевыми полями у торцевых границ резонаторной системы полезно выбирать h_а = (1.07-1.25)h_к.

При проектировании КМ, исходя из перечисленных соображений, высоту анода h_a следует выбирать, исходя из соотношения h_a<0.25*Л_раб.

3.8 Определение толщины ламели и ширины щели АЗС на границе пространства взаимодействия

К геометрическим характеристикам пространства взаимодействия относятся также такие характеристики как толщина ламели и ширина щели резонатора АЗС. При проектировании КМ отношение толщины ламели к толщине щели ориентировочно можно принять для начала равным 1.

Соответственно:

При выбранной величине толщины ламели ширина щели будет соответствующей. Выбором этих параметров заканчивается расчёт размеров пространства взаимодействия КМ.



ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ КОАКСИАЛЬНОГО МАГНЕТРОНА

4.1 Особенности обработки анодного блока

Анодный блок магнетрона изготавливают из чистой меди, рассмотрим технологию её получения.

Исходным материалом для выработки технической меди служит электролитическая медь, полученная из обычной меди с помощью электролиза. Для её плавки обычно использовалась отражательная печь, однако в настоящее время применяются электродуговая и индукционная печи. После расплавления исходного материала в печи производят его окисление, подавая сжатый воздух внутрь печи. В этом процессе разлагается сернистая медь, одновременно образуется окись меди, и в плавильной ванне уменьшается количество водорода, способствующего образованию дефектов в слитках. Сера попадает из сернистой кислоты, содержащейся в электролите, оставшемся на электролитической меди. Основная цель окисления заключается в удалении серы и других примесей в виде окисей. После окисления количество кислорода в расплавленной меди составляет около 1%, производят восстановление путём дразнения и уменьшают количество кислорода до 0,05%, полсе чего начинают литьё.

Далее рассмотрим процесс нарезания ламелей в анодном блоке, он интересен тем, что происходит в воде. Этот процесс происходит на электроискровом комплексе А207-81. На первом этапе прогревается установка около 1 часа, далее включается режим обработки деталей, устанавливается латунная проволока диаметром 0,1мм. После устанавливается деталь в оправку, центруется. После этого деталь погружается в воду и устанавливается необходимый режим обработки. Далее комплекс начинает свою работу. Когда комплекс закончит свою работу необходимо снять деталь со станка и просушить сжатым воздухом и положить в азотный шкаф до передачи детали на следующую операцию.

4.2 Основные этапы сборки прибора

Основные этапы сборки магнетрона:

1. Изготовление деталей.

2. Химическая обработка деталей и нанесение гальванических покрытий.

3. Изготовление подогревателя.

4. Изготовление катода.

5. Изготовление анода (блок резонатора вырезают на электроискровом комплексе по заданному шаблону).

6. Отжиг деталей.

7. Сборка, пайка и сварка узлов.

8. Механическая обработка узлов.

9. Сборка лампы.

10. Откачка.

11. Предварительная армировка.

12. Тренировка.

13. Проверка электрических параметров.

14. Второй этап армировки.

15. Сварка электронно-лучевая

16. Сварка лазерная.

17. Изоляция заливочным герметиком.

18. Проверка электронных параметров.

4.3 Тепловой режим анодного блока магнетрона

В данном приборе температура анодного блока не должна превышать 400^о С. Необходимо иметь в виду, что увеличение температуры на 5% (^о К) вызывает увеличение давления паров и скорости испарения приблизительно в 10 раз.

Разогрев концов ламелей на границе пространства взаимодействия может привести к следующим нежелательным результатам:

1) изменение частоты генерируемых колебаний (тепловой уход).

2) повышение газовыделения из материала ламелей и испарение его.

3) расплавление ламелей.

Рассмотрим тепловой уход частоты. Тепловое расширение настроечного элемента может создавать либо положительный, либо отрицательный уход частоты. При этом могут быть следующие случаи:

1) Увеличение полного ухода частоты без изменения его знака.

2) Частичная или полная компенсации теплового ухода частоты анодного блока.

3) Сокращение или увеличение полного ухода частоты с изменением его знака.

Следует иметь в виду, что максимальный тепловой уход частоты от расширения настроечного элемента, как правило, имеет место при наибольшем погружении его в резонаторную систему.

Как определить тепловой уход частоты при перестройке? Ответ прост. Полагая, что t₁ =const, но температура настроечного элемента меняется при перестройке на Дt, можно оценить максимальный тепловой уход частоты при перестройке.

Если эта величина ограничена заданием на разработку, то при проектировании следует стремиться максимально улучшить теплоотвод от настроечного элемента и выбрать материал его с возможно малым коэффициентом расширения.



4.4 Выводы

В данной работе был проведен теоретический расчёт частоты р вида системы, который был успешно проверен на практике. Полученное значение (37.037 Ггц) было проверено на установке низкого уровня мощности. Результаты проверки показали незначительное отклонение от величины, полученной в результате теоретического расчёта.

Были найдены (теоретический расчёт и эксперимент) зависимости рабочего вида и конкурирующих видов колебаний резонатора.

Проведён расчёт пространства взаимодействия магнетрона и параметров замедляющей системы. В результате этого расчёта были получены следующие значения:

1. Число резонаторов - 30 шт.

2. Диаметр катода - 3,758

3. Диаметр анода - 4,37

4. Рабочее напряжение анода - 12827 В

5. Значение рабочей магнитной индукции - 1,51 Тл

6. Рабочий ток анода - 7,98 А

7. Высота анода - 2,3 мм

8. Толщина ламели и ширина щели - 0,22 мм

Значения, полученные на установке «горячих» измерений, полностью удовлетворяют поставленным требованиям и подтверждают хорошую работоспособность созданного прибора.

В результате данной работы удалось получить коаксиальный магнетрон 8мм диапазона длин волн мощностью 25кВт, обладающий заявленными электродинамическими параметрами и функционирующий в заданном рабочем режиме.



ГЛАВА 5. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

Негативные производственные факторы также принято называть опасными и вредными производственными факторами (СВПФ), которые качественно принято разделять на опасные факторы и вредные факторы.

Опасным производственным фактором (ОПФ) принято называть такой производственный фактор, воздействие которого на человека приводит к травме или летальному исходу. В связи с этим ОПФ называют также травмирующим фактором. К ОПФ можно отнести движущие машины и механизмы, различные подъемно - транспортные устройства и перемещаемые грузы, электрический ток, отлетающие частицы обрабатываемого материала и инструмента и т.д.

Вредным производственным фактором (ВПФ) называют такой производственный фактор, воздействие которого на человека приводит к ухудшению самочувствия или, при длительном воздействии, к заболеванию. К ВПФ можно отнести повышенную или пониженную температуру воздуха в рабочей зоне, повышенные уровни шума, вибрации, электрических излучений, радиации, загрязненность воздуха в рабочей зоне пылью, вредными газами, вредными микроорганизмами, бактериями, вирусами и т.д.

Между опасными и вредными производственными факторами существует определенная взаимосвязь. При высоких уровнях ВПФ они могут становиться опасными. Так, чрезмерно высокие концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны могут привести к сильному отравлению или даже смерти. Высокие уровни звука или звукового импульса могут привести к травме барабанной перепонки. Высокие уровни радиации вызывают развитие острой формы лучевой болезни, при которой наблюдается быстрое ухудшение самочувствия человека с необратимыми изменениями в организме, приводящими при отсутствии медицинского вмешательства, как правило, к смерти.

Классификация вредных и опасных производственных факторов производиться в соответствии с ГОСТ 12.0.003-74.

1) Физические опасные и вредные производственные факторы.

1.1) Движущееся оборудование, подвижные части.

1.2) Виброакустические колебания.

Виброакустические колебания - это упругие колебания твердых тел, газов и жидкостей, возникающие в рабочей зоне при работе технологического оборудования, движении технологических транспортных средств, выполни разнообразных технологических операций. Вибрацией в свою очередь называют малые механические колебания, возникающие в упругих телах.

1.3) Акустические колебания.

Акустические колебания в диапазоне часто 16…20 кГц, воспринимаемые ухом человека с нормальным слухом, называют звуковыми. Акустические колебания с частотой менее 16 Гц называют инфразвуками, выше 20 кГц - ультразвуками. Область распространения акустических колебаний называют акустическим полем.

1.4) Электромагнитные поля и излучения

Электромагнитная волна - это колебательный процесс, связанный с изменяющимися в пространстве и во времени взаимосвязанными электрическими и магнитными полями. Область распространения электромагнитных волн называется электромагнитным полем (ЭМП).

1.5) Ионизирующие излучения

Ионизирующим называется излучение, которое, проходя через среду, вызывает ионизацию или возбуждение молекул среды. Ионизирующее излучение, так же как и электромагнитное, не воспринимается органами чувств человека. Поэтому оно особенно опасно, так как человек не знает, что он подвергается его воздействию.

1.6) Электрический ток

Электрический ток широко используется в промышленности, технике, быту, на транспорте. Устройства, машины, технологическое оборудование и приборы, использующие для своей работы электрический ток могут являться источниками опасности.

2.) Химические опасные и вредные производственные факторы. Но в данной работе они не рассматриваются, т.к. в экспериментальной лаборатории в которой производились измерения химические опасные и вредные производственные факторы отсутствуют.

5.2 Классификация электрического оборудования по способу защиты от электрического тока

ГОСТ Р МЭК 536-94 определяет классы оборудования. Разделение на классы защиты отражает не уровень безопасности оборудования, а лишь указывает на то, каким способом осуществляется защита от поражения электрическим током.

Электроприборы класса 0 -- это оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией, при этом отсутствует электрическое соединение открытых проводящих частей, если таковые имеются, с защитным проводником стационарной проводки. При пробое основной изоляции защита должна обеспечиваться окружающей средой (воздух, изоляция пола и т.п.).

Электроприборы класса I -- это оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией и соединением открытых проводящих частей, доступных прикосновению, с защитным проводником стационарной проводки. В этом случае открытые проводящие части, доступные прикосновению, не могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции после срабатывания соответствующей защиты. У оборудования, предназначенного для использования с гибким кабелем, к этим средствам относится защитный проводник, являющийся частью гибкого кабеля.

Электроприборы класса II -- это оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается применением двойной или усиленной изоляции. В приборах класса II отсутствуют средства защитного заземления и защитные свойства окружающей среды не используются в качестве меры обеспечения безопасности.

В некоторых специальных случаях (например, для входных клемм электронного оборудования) в оборудовании класса II может быть предусмотрено защитное сопротивление, если оно необходимо и его применение не приводит к снижению уровня безопасности. Оборудование класса II может быть снабжено средствами для обеспечения постоянного контроля целостности защитных цепей при условии, что эти средства составляют неотъемлемую часть оборудования и изолированы от доступных поверхностей в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оборудованию класса II.

В некоторых случаях необходимо различать оборудование класса II «полностью изолированное» и оборудование «с металлической оболочкой». Оборудование класса II с металлической оболочкой может быть снабжено средствами для соединения оболочки с проводником уравнивания потенциала, только если это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование. Оборудование класса II в функциональных целях допускается снабжать устройством заземления, отличающимся от устройства заземления, применяемого в защитных целях, при условии, что это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование.

Электроприборы класса III -- это оборудование, в котором защита от поражения электрическим током основана на питании от источника безопасного сверхнизкого напряжения и в котором не возникают напряжения выше безопасного сверхнизкого напряжения. В оборудовании класса III не должно быть заземляющего зажима.

Оборудование класса III с металлической оболочкой допускается снабжать средствами для соединения оболочки с проводником уравнивания потенциала при условии, что это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование. Оборудование класса III допускается снабжать устройством заземления в функциональных целях, отличающимся от устройства заземления, применяемого в защитных целях, при условии, что это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование.

Установки низкого уровня мощности (НУМ) и высокого уровня мощности (ВУМ) подпадает под 1 категорию, - это оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией и соединением открытых проводящих частей, доступных прикосновению, с защитным проводником стационарной проводки.

5.3 Электробезопасность

5.3.1 Сеть-TN-C

Сети 0,4 кВ с таким режимом заземления нейтрали и открытых проводящих частей (занулением) до последнего времени были широко распространены в России.

Электробезопасность в сети TN-C при косвенном прикосновении обеспечивается отключением возникших однофазных замыканий на корпус с помощью предохранителей или автоматических выключателей. Режим TN-C был принят в качестве главенствующего в то время, когда основными аппаратами защиты от замыканий на корпус были предохранители и автоматические выключатели. Характеристики срабатывания этих аппаратов защиты в свое время определялись особенностями защищаемых воздушных линий (ВЛ) и кабельных линий (КЛ), электродвигателей и других нагрузок. Обеспечение электробезопасности было второстепенной задачей.

При относительно низких значениях токов однофазного КЗ (удаленность нагрузки от источника, малое сечение провода) время отключения существенно возрастает. При этом электропоражение человека, прикоснувшегося к металлическому корпусу, весьма вероятно. Например, для обеспечения электробезопасности отключение КЗ на корпус в сети 220 В должно выполняться за время не более 0,4 с. Но такое время отключения предохранители и автоматические выключатели способны обеспечить только при кратностях токов КЗ по отношению к номинальному току на уровне 6-10. Таким образом, в сети TN-C существует проблема обеспечения безопасности при косвенном прикосновении из-за невозможности обеспечения быстрого отключения. Кроме того, в сети TN-C при однофазном КЗ на корпус электроприемника возникает вынос потенциала по нулевому проводу на корпуса неповрежденного оборудования, в том числе отключенного и выведенного в ремонт. Это увеличивает вероятность поражения людей, контактирующих с электрооборудованием сети. Вынос потенциала на все зануленные корпуса возникает и при однофазном КЗ на питающей линии (например, обрыв фазного провода ВЛ 0,4 кВ с падением на землю) через малое сопротивление (по сравнению с сопротивлением контура заземления подстанции 6-10/0,4 кВ). При этом на время действия защиты на нулевом проводе и присоединенных к нему корпусах возникает напряжение, близкое к фазному. Особую опасность в сети TN-C представляет обрыв (отгорание) нулевого провода. В этом случае все присоединенные за точкой обрыва металлические зануленные корпуса электроприемников окажутся под фазным напряжением.

Самым большим недостатком сетей TN-C является неработоспособность в них устройств защитного отключения (УЗО) или residual current devices (RCD) по западной классификации.

Пожаробезопасность сетей TN-C низкая. При однофазных КЗ в этих сетях возникают значительные токи (килоамперы), которые могут вызывать возгорание. Ситуация осложняется возможностью возникновения однофазных замыканий через значительное переходное сопротивление, когда ток замыкания относительно невелик и защиты не срабатывают либо срабатывают со значительной выдержкой времени. Бесперебойность электроснабжения3 в сетях TN-C при однофазных замыканиях не обеспечивается, так как замыкания сопровождаются значительным током и требуется отключение присоединения. В процессе однофазного КЗ в сетях TN-C возникает повышение напряжения (перенапряжения) на неповрежденных фазах примерно на 40%. Сети TN-C характеризуются наличием электромагнитных возмущений. Это связано с тем, что даже при нормальных условиях работы на нулевом проводнике при протекании рабочего тока возникает падение напряжения. Соответственно между разными точками нулевого провода имеется разность потенциалов. Это вызывает протекание токов в проводящих частях зданий, оболочках кабелей и экранах телекоммуникационных кабелей и соответственно электромагнитные помехи. Электромагнитные возмущения существенно усиливаются при возникновении однофазных КЗ со значительным током, протекающим в нулевом проводе.

Значительный ток однофазных КЗ в сетях TN-C вызывает существенные разрушения электрооборудования. Например, прожигание и выплавление стали статоров электродвигателей. На стадии проектирования и настройки защит в сети TN-C необходимо знать сопротивления всех элементов сети, в том числе и сопротивления нулевой последовательности для точного расчета токов однофазных КЗ. То есть необходимы расчеты или измерения сопротивления петли фаза-нуль для всех присоединений. Любое существенное изменение в сети (например, увеличение длины присоединения) требует проверки условий защиты.

5.3.2 Сеть TN-S

Сети 0,4 кВ с таким режимом заземления нейтрали и открытых проводящих частей называются пятипроводными. В них нулевой рабочий и нулевой защитный проводники разделены. Само по себе использование сети TN-S не обеспечивает электробезопасность при косвенном прикосновении, так как при пробое изоляции на корпусе, как и в сети TN-C, возникает опасный потенциал. Однако в сетях TN-S возможно использование УЗО. При наличии этих устройств уровень электробезопасности в сети TN-S существенно выше, чем в сети TN-С. При пробое изоляции в сети TN-S также возникает вынос потенциала на корпуса других электроприемников, связанных проводником PE. Однако быстрое действие УЗО в этом случае обеспечивает безопасность. В отличие от сетей TN-С обрыв нулевого рабочего проводника в сети TN-S не влечет за собой появление фазного напряжения на корпусах всех связанных данной линией питания электроприемников за точкой разрыва.

Пожаробезопасность сетей TN-S при применении УЗО в сравнении с сетями TN-С существенно выше. УЗО чувствительны к развивающимся дефектам изоляции и предотвращают возникновение значительных токов однофазных КЗ.

В отношении бесперебойности электроснабжения и возникновения перенапряжений, сети TN-S не отличаются от сетей TN-С. Электромагнитная обстановка в сетях TN-S в нормальном режиме существенно лучше, чем в сетях TN-С. Это связано с тем, что нулевой рабочий проводник изолирован и отсутствует ответвление токов в сторонние проводящие пути. При возникновении однофазного КЗ создаются такие же электромагнитные возмущения, как и в сетях TN-С. Наличие в сетях TN-S устройств УЗО существенно снижает объем повреждений при возникновении однофазных КЗ по сравнению с сетями TN-С. Это объясняется тем, что УЗО ликвидирует повреждение в его начальной стадии.

В отношении проектирования, настройки защит и обслуживания, сети TN-S не имеют каких-либо преимуществ по сравнению с сетями TN-С. Отмечу, что сети TN-S более дорогие в сравнении с сетями TN-С из-за наличия пятого провода, а также УЗО.

Сеть TN-С-S - это комбинация рассмотренных выше двух типов сетей. Для этой сети будут справедливы все преимущества и недостатки, указанные выше.

5.4 Защитное зануление

Зануление -- защитная, мера, применяемая только в сетях с, заземленной нейтралью напряжением до 380/220 В. Оно, как и заземление, предназначено для защиты людей, если они прикоснутся к «пробитому» на корпус оборудованию. Конструктивное зануление -- присоединение подлежащего защите объекта к нулевому проводу сети (рис. 10.1). Применение взамен защитного заземления в сетях с глухим заземлением нейтрали напряжением до 1000 В зануления вызвано ненадежной работой заземления в этих условиях. Это объясняется тем, что при заземлении, в случае пробоя на корпус, ток однофазного короткого замыкания между, корпусом оборудования и заземленной нейтралью по своей величине часто недостаточен для расплавления калиброванных плавких вставок. И наоборот, при занулении ток, возникающий при пробое напряжения на корпус, бывает достаточным для быстрого расплавления плавких вставок или срабатывания максимальной защиты. Однако и зануление не создает защиты во всех случаях.

Рис. 5.1. Схема защитного зануления.



5.5 Устройство защитного отключения УЗО

Устройство защитного отключения, реагирующее на дифференциальный ток или ток небаланса, наряду с устройствами защиты от сверхтока относятся к дополнительным видам защиты человека от поражения электрическим током при косвенном прикосновении, обеспечиваемой путем автоматического отключения питания.

При малых токах замыкания или снижении уровня изоляции, а также при обрыве нулевого защитного проводника зануление недостаточно эффективно, и в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от поражения электрическим током.

В основе действия защитного отключения лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при непреднамеренном прикосновении его к элементам электроустановки, находящимся под напряжением. Устройство защитного отключения является единственным средством, обеспечивающим автоматическую защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей.

Важнейшей функцией, осуществляемой с помощью УЗО, является защита от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования. Более трети всех пожаров происходят вследствие возгорания электропроводки в результате нагрева проводников по всей длине, искрения, горения электрической дуги на каком-либо элементе, вызванных токами короткого замыкания.

Короткие замыкания, как правило, развиваются вследствие дефектов или повреждения изоляции. Устройства защитного отключения, реагируя на ток утечки на землю, заблаговременно, до развития короткого замыкания, отключает электроустановку от источника питания, предотвращая тем самым недопустимый нагрев проводников, искрение, возникновение дуги и возможное последующее возгорание.

По данным различных источников, локальное возгорание изоляции может быть вызвано довольно незначительной мощностью, выделяемой в месте утечки. В зависимости от материала и срока службы изоляции такая мощность составляет всего 40-60 Вт. Это означает, что своевременное срабатывание УЗО противопожарного назначения с установкой 300 мА предупредит выделение указанной мощности и, следовательно, не допустит возгорания.

Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на ток небаланса в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке. Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока 1. Этот трансформатор иногда называют трансформатором тока нулевой последовательности (ТТНП), несмотря на то, что понятие «нулевая последовательность» применимо только к трехфазным цепям и используется при расчетах несимметричных режимов многофазных цепей.

Пусковой орган (пороговый элемент) 2 выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах.

Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода. В нормальном режиме, при отсутствии тока небаланса -- тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки.



Рис. 5.2. Структура УЗО.

Проводники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока. Если обозначить ток,

протекающий по направлению к нагрузке I1, а от нагрузки I2, то можно записать равенство: I1 = I2.

Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2. Результирующий магнитный поток равен нулю, и ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю. Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя.

При нарушении изоляции или при прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки I1 протекает дополнительный ток - ток утечки (ДI1), являющийся для трансформатора тока током небаланса (разностным).

Неравенство токов в первичных обмотках (I1 + ДI1 в фазном проводнике) и (I2, равный I1, - в нейтральном проводнике) вызывает неравенство магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трасформированного тока небаланса. Если этот ток превышает значение установки порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3.

Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.

Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно исправно.

По условиям функционирования УЗО подразделяются на следующие типы: АС, А, В, S, G.

УЗО типа АС - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток, возникающий внезапно либо медленно возрастающий.

УЗО типа А - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток и пульсирующий постоянный дифференциальный ток, возникающие внезапно либо медленно возрастающие.

УЗО типа В - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный, постоянный и выпрямленный токи небаланса.

УЗО типа S - устройство защитного отключения, селективное (с выдержкой времени отключения).

УЗО типа G - то же, что и типа S, но с меньшей выдержкой времени.

УЗО подразделяются также на устройства без встроенной защиты от сверхтоков и со встроенной защитой от сверхтоков (дифференциальные автоматы).

В соответствии с ГОСТ Р 50807-95, ГОСТ Р 51326.1-99 и ГОСТ Р 51327.1-99 УЗО характеризуются нижеследующими нормируемыми параметрами. Номинальное напряжение Uн - действующее значение напряжения, при котором обеспечивается работоспособность УЗО: Uн =220, 380 В.

Номинальный ток Iн - ток, который УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы: Iн = 6; 16; 25; 40; 63; 80; 100; 125 А.

Номинальный отключающий дифференциальный ток IДн - дифференциальный ток, который вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации: IДн = 0,006; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 0,5 А.

Номинальный неотключающий дифференциальный ток IДп0 - дифференциальный ток, который не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации: IДн0 =0,5 IДн.

Предельный неотключающий сверхток Iнmin - минимальное значение неотключающего сверхтока при симметричной нагрузке двух- и четырехполюсных УЗО или несимметричной нагрузке четырехполюсных УЗО: Iнmin = 6 Iн.

Сверхток - любой ток, который превышает номинальный ток нагрузки.

Номинальная включающая и отключающая способность (коммутационная способность) Iд - действующее значение ожидаемого тока, который УЗО способно включить, пропускать в течение всего времени размыкания и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности. Минимальное значение Iтin = 10 Iн или 500 А (выбирается большее значение).

Номинальный условный ток короткого замыкания Iн.к.з - действующее значение ожидаемого тока, который способно выдержать УЗО, оборудованное устройством защиты от коротких замыканий, при заданных условиях эксплуатации, без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность: Iн.к.з = 3000; 4500; 6000; 10 000 А.

Номинальный условный дифференциальный ток короткого замыкания IДк.з - ожидаемый дифференциальный ток, который способно выдержать УЗО, обеспечивающее защиту от коротких замыканий при заданных условиях эксплуатации без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность: IДк.з = 3000; 4500; 6000; 10 000 А.

Номинальное время отключения Тн - время между моментом внезапного возникновения отключающего дифференциального тока и моментом гашения дуги на всех полюсах. Стандартные значения максимально допустимого времени отключения УЗО типов АС и А при любом номинальном токе нагрузки и заданных нормами значениях дифференциального тока не должны превышать приведенных ниже:

Номинальном ток . . . . . . . . . . . .IДn 2 IДn 5 IДn 500 А

Время отключения, с . . . . . . . . . 0,3 0,15 0,04 0,04

Стандартные значения допустимого времени отключения и неотключения для УЗО типа S при любом номинальном токе нагрузки свыше 25 А и значениях номинального дифференциального тока свыше 0,03 А не должны превышать приведенных в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Допустимое время отключения и неотключения УЗО.

Суммарный ток утечки сети с учетом присоединяемых стационарных и переносных электроприемников в нормальном режиме работы не должен превосходить 1/3 номинального тока УЗО. Согласно ПУЭ при отсутствии данных ток утечки электроприемников следует принимать из расчета 0,4мА на 1А тока нагрузки, а ток утечки сети - из расчета 10 мкА на 1м длины фазного проводника.

Для повышения уровня защиты от возгорания при замыканиях на заземленные части, когда величина тока недостаточна для срабатывания максимальной токовой защиты, на вводе в квартиру, индивидуальный дом и т.п. рекомендуется установка УЗО с током срабатывания до 300 мА.

Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет разделение устройств по способу технической реализации на следующие два типа: УЗО, функционально не зависящие от напряжения питания (электромеханические). Источником энергии, необходимой для функционирования -- выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является сам сигнал - ток небаланса, на который устройство реагирует; УЗО, функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника. Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, более ограничено вследствие их меньшей надежности, подверженности воздействию внешних факторов и др. Однако основной причиной меньшего распространения таких устройств является их неработоспособность при часто встречающейся и наиболее опасной по условиям вероятности электропоражения неисправности электроустановки, а именно при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае «электронное» УЗО, не имея питания, не функционирует, а на электроустановку по фазному проводнику попадает опасный для жизни человека потенциал.

5.6 Выбор типа УЗО

Во Временных указаниях по применению УЗО в электроустановках жилых зданий (И. п. от 29.04.97 №42-6/9-ЭТ, п. 4.10) указано:

«В жилых зданиях, как правило, должны применяться УЗО типа «А», реагирующие не только на переменные, но и на пульсирующие токи повреждений. Использование УЗО типа «АС», реагирующих только на переменные токи утечки, допускается в обоснованных случаях».

Устройства защитного отключения с расчетным отключающим дифференциальным током 10 мА или 30 мА обеспечивают надежную защиту и в том случае, когда ток протекает через тело человека в результате непреднамеренного прямого прикосновения к токоведущим частям. Такая защита недостижима никакими другими сопоставимыми мероприятиями по защите от непрямого прикосновения.

Время срабатывания составляет, в среднем, от 10 до 30 мс. Допустимое согласно DIN VDE 0664, EN 61 008 или МЭК 61 008 время срабатывания макс. 0,3с (300 мс) при этом не превышается.

Для обеспечения электробезопасности установки НУМ было решено использовать УЗО марки Siemens типа 5SM3 311-6. Это УЗО типа АС, оно срабатывает без задержки времени, импульсная прочность >1 кА. УЗО рассчитано на протекающие токи до 16А, отключающий дифференциальный ток 30 мА, время отключения не более 30 мс.

5.7 Расчет защитного заземления

Проведем расчет защитного заземления для установки для холодных измерений, упрощенная блок-схема которой приведена в приложении 1.

Все блоки установки объединены одной питающей шиной. Питание однофазное, производится от сети переменного тока напряжением 220В. Ток, потребляемый установкой составляет 15А. Т. о., потребляемая мощность составляет 3,3 кВт (при cos ц=1).

Для такой установки максимально допустимое сопротивление заземлителей составляет R0=4Ом.

Сопротивление заземлителя растеканию тока складывается из сопротивления самого заземлителя, переходного сопротивления между заземлителем и землей м сопротивления грунта. Два первых по сравнению с последним весьма малы, поэтому ими пренебрегают под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока.

Таблица 5.2. Значения параметров для расчета заземления.

Название величины	Обозначение	Значение
Длина заземлителя	lt	350 см
Диаметр заземлителя	d	7 см
Глубина заложения	h	100 см
Расстояние между заземлителями	a	600 см
Толщина соединительной полосы	b	4 см
Удельное электрическое сопротивление грунта (чернозем)	с	0,3*10^4 Ом*см

Определим сопротивление одного заземлителя.

Рис 5.2. Схема устройства защитного заземления с вертикальными заземлителями.

1 - вертикальные заземлители, 2 - соединительная горизонтальная полоса, 3 - заземляющий проводник, 4 - корпус заземляемой установки.



Согласно формуле (10.6.1), получаем: Rt=6.723Ом.

Кол-во заземлителей находится по формуле

n=Rt/R0Юt ,

где: R0 - нормируемая величина сопротивления, определяемая в соответствии с требованиями ПУЭ, Ом;

Юt - коэффициент использования вертикальных заземлителей, учитывающий увеличение сопротивления растеканию заземлителей за счет повышенной плотности тока в общих участках земли, по которым проходят токи нескольких электродов. В нашем случае, принимаем Юt=0.9

Согласно (10.6.2), n= 1,867 ~ 2

Сопротивление растеканию горизонтальной соединитльной полосы

,

где ln - длина соединительной полосы, ln=a(n-1);

а - расстояние между вертикальными заземлителями;

b - толщина соединительной полосы, см.

...