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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王啟珉
研究生(外文):Chi-ming Wang
論文名稱:高功率無線廣播電台接地安全與電磁屏蔽之探討與模擬
論文名稱(外文):Investigation and Simulation of Grounding Safety and Electromagnetic Shielding for High-Power Radio Broadcasting Stations
指導教授:李建興李建興引用關係
指導教授(外文):C. H. Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:電機工程系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:97
中文關鍵詞:接地安全電磁屏蔽屏蔽效率無線廣播電台
外文關鍵詞:grounding safetyelectromagnetic shieldingeffectiveness of shieldingradio broadcasting stations
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高功率無線廣播電台是一個充滿高場強電磁波的環境,不只本身具有高功率射頻產生源,其音頻信號處理設備及電子監控儀器,亦屬於易受干擾之高敏感度感受體,使得電台整體接地系統與屏蔽措施就變得十分重要。由於國內並無特別針對高功率無線電台制定一套相關標準規範,因此本文乃依據IEEE Std.80, 2000接地安全標準和相關屏蔽公式,以數值分析方法加以計算模擬,除了瞭解電台現有接地系統是否合乎安全需求之外,亦可做為未來建構新發射機房接地與屏蔽系統設計時之參考依據。
經過模擬結果顯示:在接地安全標準評估方面,實際接觸電壓與步間電壓均小於容許接觸與步間電壓,且步間電壓與網目電壓所衍生之電擊時間亦大於電台所訂定之電擊時間,因此現有接地系統是安全的。
在屏蔽方面的模擬結果顯示:整體性屏蔽體之屏蔽效率與使用頻率、電磁波阻抗、屏蔽材料和厚度有關。頻愈越高、屏蔽體厚度越大,屏蔽效果較佳。在中波波段應選擇導電係數較大且導磁係數較小者做為屏蔽材料,會有較佳的屏蔽效果。而短波波段應選擇導電係數和導磁係數皆大者做為屏蔽材料,其屏蔽效率會較佳。而非整體性金屬屏蔽網的屏蔽效果除了與使用頻率、屏蔽材料、屏蔽體厚度有關之外,亦與金屬網的開口數目、直徑(或寬度)和深度有直接關係。以開口方式而言:圓形開口金屬網的屏蔽效率稍優於方形開口金屬網。整體而言,整體性屏蔽體之屏蔽效果上,短波波段優於中波;而在非整體性屏蔽體之屏蔽效果上,則中波優於短波。
A high-power radio broadcasting station is an environment with high-field strength of electromagnetic waves. The station has sources that may produce high-power radio frequencies and may interfer audio signal processors and electronic monitors. As a result, the method of grounding systems and shielding in the station becomes important. Since there are currently no criteria for designing a high-power radio broadcasting station in Taiwan, one will use the criterion of grounding safety and shielding as presented in IEEE Std.80, 2000 in this study. Based on numerical simulations, one will evaluate whether the grounding system in the station is within safety limits or not. Hopefully, the results obtained in this study may be useful as a reference for constructing a grounding system and shielding in a new broadcasting station.
According to numerical simulations, the actual touch and step voltages in the station are smaller than the tolerable touch and step voltages. Moreover, the shock durations derived from the mesh and step voltages are greater than the shock duration required by the station. This means the design of grounding systems in the station is safe. On the other hand, the simulation of shielding shows the effectiveness of the whole-object shielding is functioned of waved frequencies, wave impedances, shielding materials as well as shielding thickness. For a higher frequency and a thicker shielding, a better efficiency of shielding can be obtained. In other words, the shielding of electromagnetic waves for short-wave bands is better than middle-wave bands. As a results, the conductivity and permeability of shielding materials for short-wave bands should choose higher values for better shielding efficiency; the conductivity of shielding materials for middle-wave bands should use higher values but their permeability should select smaller.
For non-whole metal shielding mat, the effectiveness of shielding not only is functioned of wave frequencies, shielding materials as well as shielding thickness, but it is also directly relative to number of holes of metal mat, diameter or width of rectangular aperture as well as depth of aperture. For example, the efficiency of shielding for the circular aperture of metal mat in the opening format is slightly better than the rectangular aperture of metal mat. In conclusions, the shielding effectiveness of short-wave bands is better than middle-wave bands in the whole-object shielding; while the shielding effectiveness of middle-wave bands is better than short-wave bands in the non-whole- object shielding.
目 錄
摘要i
ABSTRACTii
誌謝iii
目錄iv
表目錄viii
圖目錄ix
符號說明xii
第一章 緒論1
1.0 前言1
1.1 研究動機及背景1
1.2 文獻回顧2
1.3 論文架構3
第二章 高功率無線廣播電台配電系統探討5
2.0 前言5
2.1 供電系統選擇與用電可靠度標準6
2.1.1 供電系統之選擇6
2.1.2 用電可靠度標準6
2.2 配電系統設計參數與實例7
2.2.1 配電系統設計參數7
2.2.2 配電系統設計7
2.3 暫態性能與高壓控制跳脫保護裝置11
2.3.1 暫態性能11
2.3.2 高壓控制跳脫保護裝置12
2.4 備用發電機組裝置之考量12
2.5 機房整體接地系統與設備屏蔽之考量13
2.5.1 機房整體接地系統之考量13
2.5.2 機房及設備屏蔽之考量13
2.6 高壓設備、建物與鐵塔防雷之考量13
2.6.1 高壓設備防雷之考量13
2.6.2 建物與鐵塔防雷之考量14
2.7 土壤大地電阻效應之考量16
2.8 特殊性考量17
2.9 結論17
第三章 無線廣播電台接地系統探討與安全評估19
3.0 前言19
3.1 接地系統探討19
3.1.1 接地之功能19
3.1.2 基本接地方法20
3.1.3 電台功能性接地24
3.1.4 地網系統與接地棒27
3.1.5 電台接地實務31
3.2 搭接33
3.2.1 搭接之功能33
3.2.2 基本搭接方法34
3.2.3 搭接阻抗計算35
3.3 電台接地安全評估與模擬36
3.3.1 步間與接觸電壓標準36
3.3.2 網目與步間電壓設計39
3.3.3 電擊時間忍受標準41
3.3.4 接地電阻計算42
3.3.5 安全電壓模擬43
3.4 結論51
第四章 高功率無線廣播電台電磁干擾之探討52
4.0 前言52
4.1 雜訊的產生與防制52
4.1.1 雜訊源53
4.1.2 敏感設備53
4.1.3 耦合作用54
4.2 耦合作用之追蹤與類型之判別56
4.2.1 耦合作用之追蹤56
4.2.2 耦合類型之判別57
4.3 能量場之特性57
4.3.1 近場與遠場57
4.3.2 能量場特性之決定要素58
4.4 屏蔽系統探討59
4.4.1 電磁屏蔽組態59
4.4.2 基本屏蔽方法60
4.4.3 屏蔽效率之計算62
4.4.4 無線電台屏蔽實務67
4.5 電波感電和電磁干擾特殊實例68
4.6 結論70
第五章 高功率無線廣播電台整體性與非整體性屏蔽體屏蔽效率之模擬分析71
5.0 前言71
5.1 整體性金屬板屏蔽效率模擬與分析72
5.1.1 參數設定72
5.1.2 模擬結果72
5.2 非整體性金屬網屏蔽效率模擬與分析81
5.2.1 參數設定.81
5.2.2 模擬結果82
5.3 結論92
第六章 結論與未來研究方向94
6.0 結論94
6.1 未來研究方向94
參考文獻96
簡歷98

表 目 錄
.
表2.1 CBS未來配電規劃改善之具體建議…………………...………………...…18
表3.1 不同種類土壤之大地電阻係數 ……………………...………………...…27
表3.2 土壤電阻之溼度效應…………………………………...………………...…28
表3.3 土壤電阻之溫度效應…………………………………...………………...…28
表3.4 CBS中波分台設臺地點土質概況……………………...………………...…29
表3.5 口湖分台容許接觸與步間電壓值……………………...………………...…30
表3.6 口湖分台接地棒埋設數量與接地電阻之變化情形 …………………...…45
表3.7 CBS口湖分台根據IEEE std.80,2000標準之人體50公斤與70公斤
之容許接觸電壓與步間電壓值………………………...………………...…48
表3.8 口湖分台不同表層電阻率時,人體50公斤與70公斤之網目電壓
與步間電壓所產生之容許電擊時間…………………...………………...…49
表3.9 口湖分台接地電阻及接地電位升之設計值……………...……………...…50
表5.1 整體性屏蔽體金屬板屏蔽效率不同參數之變化情 …………………...…92
表5.2 非整體性屏蔽體金屬網屏蔽效率不同參數之變化情況 ……………...…93

圖 目 錄
圖2.1 CBS口湖分台配電系統圖(一) ………………………………………...…9
圖2.2 CBS口湖分台配電系統圖(二) ………………………………………...…10
圖2.3 VOA海外分台配電系統圖……………...……………………………...…11
圖2.4 鐵塔底部安裝Arc Gap跳火裝置圖 ……………...…………………...…15
圖2.5 跳火裝置實體照片 ……………...……………………………………...…15
圖2.6 將雷電流藉著埋設之銅板帶導入地下……………………………………15
圖2.7 中波天線地網系統 ……………...……………………………………...…16
圖2.8 天線地網系統實際焊接照片 ……………...…………………………...…16
圖2.9 土壤含鹽、含水分和不同溫度時的地電阻係數變化 ………………...…17
圖3.1 浮動接地 …………………...…………………………………………...…20
圖3.2 單點接地 …………………...…………………………………………...…21
圖3.3 多點接地 …………………...…………………………………………...…21
圖3.4 安全接地 …………………...…………………………………………...…21
圖3.5 訊號接地 …………………...…………………………………………...…22
圖3.6 接地環路之形成 ……………...………………………………………...…22
圖3.7 打破接地環路之方法 ……………...…………………………………...…22
圖3.8 單點接地串接法 ………………………………………………………...…23
圖3.9 單點接地並接法 ………………………………………………………...…23
圖3.10 複合式單點接地 ………………………………………………………...…24
圖3.11 避雷接地 ………………………………………………………………...…26
圖3.12 使用或不使接地棒之地電阻季節性變化 ………………………………28
圖3.13 接地棒數目與接地電阻之關係 ………………………………………...…30
圖3.14 增加接地棒倍數與接地電阻之關係 …………………………………...…31
圖3.15 不同接地棒設置點的接地電阻縮減率與垂直接地棒長度之關係 …...…31
圖3.16 機房地網埋設簡圖 ………………………………………………………...32
圖3.17 接地棒埋設圖 …………………………………………………………...…33
圖3.18 搭接的幾種代表形狀 ……...…………………………………………...…35
圖3.19 接地導體周圍之步間電壓示意圖 ……………………………………...…37
圖3.20 人體觸及接地導體時之接觸電壓示意圖 ……………………………...…38
圖3.21 網目電壓示意圖………………………………………………………...…40
圖3.22 人體50kg和70kg不同地表層電阻率時之容許步間和接觸電壓…...…45
圖3.23 人體50kg和70kg不同電擊時間時之容許步間與接觸電壓………...…47
圖3.24 不同埋設深度之網目及步間電壓……………………………………...…47
圖3.25 不同接地網導體間距之網目及步間電壓……………………………...…47
圖3.26 不同表層電阻率時人體50kg和70kg步間與接觸電壓時之容許
電擊時間 ………………......…………………………………………...…49
圖3.27 地網埋設深度與接地電阻之關係……………………………………...…50
圖4.1 雜訊的產生……………………………………………………………...…53
圖4.2 傳導性耦合……………………………………………………………...…54
圖4.3 電感性耦合……………………………………………………………...…55
圖4.4 電容性耦合……………………………………………………………...…55
圖4.5 電磁性耦合……………………………………………………………...…56
圖4.6 電流循著最低阻抗路徑通過…………………………………………...…56
圖4.7 輻射電波近場與遠場關係圖…………………………………………...…58
圖4.8 射頻產生源屏蔽組態…………………………………………………...…59
圖4.9 感受體屏蔽組態………………………………………………………...…60
圖4.10 無屏蔽組態……………………………………………………………...…60
圖4.11 電磁干擾屏蔽…………………………………………………………...…61
圖4.12 防止電磁感應的隔離線槽……………………………………………...…62
圖4.13 隔離線之種類…………………………………………………………...…62
圖4.14 方形開口金屬網………………………………………………………...…63
圖4.15 方形開口金屬網………………………………………………………...…63
圖4.16 特殊機房牆面之屏蔽…………………………………………………...…68
圖4.17 發射設備之屏蔽………………………………………………………...…68
圖4.18 導波管之屏蔽…………………………………………………………...…68
圖4.19 電源設備之屏蔽………………………………………………………...…68
圖5.1 不同屏蔽材料時之吸收損失2D圖 …………………………………...…73
圖5.2 不同導電係數時之吸收損失3D圖 …………………………………...…73
圖5.3 不同導磁係數時之吸收損失…………………………………………...…74
圖5.4 不同屏蔽體厚度時之吸收損失………………………………………...…74
圖5.5 不同電磁波阻抗時之反射損失………………………………………...…75
圖5.6 不同導電係數時之反射損失…………………………………………...…75
圖5.7 不同導磁係數時之反射損失…………………………………………...…76
圖5.8 不同屏蔽材料時之反射損失圖………………………………………...…76
圖5.9 不同屏蔽體厚度時之多重反射修正因數……………………………...…77
圖5.10 不同導電係數時多重反射修正因數變化狀況………………………...…78
圖5.11 不同導磁係數時多重反射修正因數變化狀況 ………………………...…78
圖5.12 不同屏蔽體厚度時屏蔽效率變化狀況 ………………………………...…79
圖5.13 不同導電係數時屏蔽效率變化狀況 …………………………………...…80
圖5.14 不同導磁係數時屏蔽效率變化狀況 …………………………………...…80
圖5.15 中短波廣播波段之屏蔽效率曲線 ………...…………………………...…81
圖5.16 圓形與方形金屬網不同開口深度時之吸收損失 ……………………...…82
圖5.17 圓形金屬網不同開口深度、直徑與吸收損失之關係 ………………...…83
圖5.18 方形金屬網不同開口深度、垂直電場邊寬度與吸收損失之關係 …...…83
圖5.19 圓形與方形開口金屬網之反射損失 …………………………………...…84
圖5.20 方形金屬網在入射波阻抗<<377Ω (磁場)情況,不同垂直電場邊寬度
和屏蔽體厚度時與反射損失之關係 …………………………………...…85
圖5.21 圓形金屬網在入射波阻抗<<377Ω (磁場)情況,不同開口直徑和屏
蔽體厚度時與反射損失之關係 ………………………………………...…85
圖5.22 金屬網在平面波時,不同直徑或寬度與反射損失之關係………………86
圖5.23 中短波波段不同金屬網開口尺寸與反射損失之關係 ………………...…86
圖5.24 金屬網開口深度與多重反射修正因數之關係 ………………………...…87
圖5.25 金屬網不同直徑與深度時多重反射修正因數變化關係 ……………...…87
圖5.26 金屬網單位開口數與修正損失之關係 ……………...………………...…88
圖5.27 金屬網單位面積、單位開口數與修正損失項變化狀況 ……………...…88
圖5.28 線徑或導體寬度與低頻時導體穿透修正因數變化狀況 ……………...…89
圖5.29 金屬網低頻時肌膚效應與導體穿透修正因數 ………………………...…89
圖5.30 中短波段不同導體線徑與在低頻導體穿透修正因數變化狀況…………90
圖5.31 金屬網開口相互交連修正因數與開口深度之關係 …………………...…90
圖5.32 方形金屬網開口深度、垂直電場邊寬度與開口相互交連修正因數之關係91
圖5.33 圓形金屬網開口深度和直徑與開口相互交連修正因數之關係…………91
[1]IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. IEEE Std. 80, 2000.
[2]R. B. Schulz, V. C. Plantz, D. R. Brush, “Shielding Theory and Practice”, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. 30, No. 3, August 1988.
[3]R. J. Plowman, “Wire & Plates an Introduction to Grounding & Shielding”, IEE (The Institution of Electrical Engineers.) Seminar on 27. Jan. 2000, pp.1/1-1/10.
[4]A. J. G. Swainson, “Reciprocity in Electromagnetic Shielding”, IEE Seminar on 27.Jan. 2000, pp.8/1-8/6.
[5]Kim Fowler. “Grounding and Shielding, Part 1-Noise & Part 2-Grounding and Return”, IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, pp.41-48, June 2000.
[6]R. Zeng, Jinliang He, Zanji Wang, Yanqing Gao. “Analysis on Influence of Long Vertical Grounding Electrodes on Grounding System for Substation”, pp.1475-1480, IEEE, 2000.
[7]R. C. Aasen. ”Power Distribution Design for High Power Shortwave Transmitter Facilities”, The 1988 IEEE Annual Meeting of Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference, 1988, pp. 46-52.
[8]C. H. Lee and A. P. Sakis Meliopoulos, “Comparison of Touch and Step Voltages between IEEE Std 80 and IEC479-1”, IEE Proceedings of Generation, Transmission and Distribution, Vol.146, No.6, pp.593-601, Nov. 1999.
[9]J. A. Sullivan, “Evaluation of Mesh and Touth at Substations”, IEE Proc-Gener. Transm. Distrib. Vol. 149, No. 2, March 2002.
[10]H. W. Denny, L. D. Holland, S. L. Robinette, J. A. Woody. “Grounding, Bonding, and Shield Practices and Procedures for Electronic Equipments and Facilities”, Vol. 1 Fundamental Considerations. Prepared for U.S. Department of Transportation. pp 1-63.
[11]H. W. Ott. ”Noise Reduction Techniques in Electronic Systems”, Second Edition, Wiley.
[12]C. Vitek. “Predicting the Shielding Effectiveness of Rectangular Apertures”. IEEE 1989 National Symposium on 23-25 May 1989. Electromagnetic Compatibility 1989.
[13]’’Military Specification, Bonding,Electrical and Lightning Protection for Aerospace Systems”, MIL-B-5087B(ASG), Amendment 2, August 31, 1970, Prepared by the U.S. Air Force, Aeronautical Standards Group, Silver Spring, MD.
[14]參考自財團法人中央廣播電台口湖分台電力配電系統圖,1997年5月1日。
[15]參考自財團法人中央廣播電台口湖分台圖片。
[16]白光弘著,文海科技叢刊,明文出版社印行,天線原理與應用(下冊),民國81年7月初版。
[17]譯者葉中雄、曾衍彰、蔡文發,”電磁干擾與防護”,出版者財團法人徐氏文教基金會,中華民國91年3月20日再版五刷。
[18]周至如電機博士,”高科技大樓內設備與系統共同接地及接地協調之探討”,電機技師第81期,pp.71-93, 2000年6月。
[19]蘇奕肇編著,”接地入門”,全華科技圖書股份有限公司印行。90年12月初版一刷。
[20]無線電界雜誌社,“EMI電磁波干擾之實務”,九十年一月八版。
[21]周至如著,接地網系統之計算機輔助設計與分析,台灣工業技術學院碩士學位論文,1986。
[22]IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding (ANSI). IEEE Std. 80, 1986.
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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