Электризуемые заграждения неконтактного принципа действия.
Удинцев Дмитрий Николаевич,
кандидат технических наук
Современный рынок специальной техники нуждается не только в средствах обнаружения и контроля, но и в средствах воздействия на обнаруженный объект.
В качестве одного из таких средств предлагается использовать электризуемые заграждения, имеющие богатую историю.
В предлагаемой статье рассмотрен принцип работы электризуемого заграждения неконтактного с биообъектом принципа действия.
В последние годы становится все более очевидным разрыв между развитием средств обнаружения и средств воздействия (поражения) на обнаруженный объект. Это обусловлено рядом причин.
Одной из них является затруднение в регулировании степени воздействия на биообъект (БО) различными средствами, повышающее вероятность летального исхода в результате такого воздействия.
Учитывая, что последний не является желательным, многие средства остаются невостребованными.
Другая причина – вполне справедливые ограничения, вводимые законодательством.
Одним из средств воздействия, не имеющим этих недостатков, являются электризуемые заграждения (ЭЗ). С простейшими видами ЭЗ, такими как электропастухи и электрошоки, многие знакомы достаточно давно.
Принцип работы ЭЗ представлен на простейшей однополюсной схеме (рис. 1).
1 – источник электрической энергии;
2 – кабельная сеть;
3 – линейная часть;
4 – заземлитель.
Рис. 1. Принципиальная схема однополюсного электризуемого заграждения
В общем виде ЭЗ включает следующие основные элементы: источник электрической энергии; кабельную сеть; линейную часть; заземлитель. Один из выводов источника электрической энергии (ИЭЭ) этого простейшего ЭЗ заземлен, другой подключен к линейной части. Объект воздействия, прикоснувшись какой-либо частью тела к линейной части, оказывается под воздействием фазного напряжения.
Первое упоминание о боевом применении ЭЗ относится ко времени обороны крепости Порт-Артур в период русско-японской войны начала века.
Например, при четвертом штурме ночью 26 ноября 1904 года японцы потеряли убитыми 780 солдат, из них 150 сгорели на электрической изгороди.
Это ЭЗ включало в себя:
- линейную часть ЭЗ в виде медной неизолированной проволоки, закрепленной на деревянных столбах различной высоты через фарфоровые изоляторы;
- источник энергии, которым являлась центральная электростанция, расположенная в тылу и имевшая генератор на 3000 В;
- трансформатор для питания каждого из четырех участков линейной части. Этот трансформатор устанавливался недалеко от электростанции и передавал напряжение на другие трансформаторы, расположенные вблизи линейной части. Они повышали это напряжение до 3000 В и питали свои участки. Такая установка позволяла не использовать высоковольтные кабели для питания линейной части.
В период Первой Мировой войны применялись ЭЗ аналогичного устройства, что и во время русско-японской войны. Кроме того были разработаны особые типы заграждений – сеть Вулкан”, низко расположенный “Спотыкач”. Делались попытки электризации полос земли и выбросов электризуемых тросов с помощью гранатометов и минометов.
В течение всего столетия шла масштабная разработка и усовершенствование ЭЗ.
В результате, современные ЭЗ, состоящие на вооружении в Российской армии, имеют ряд таких положительных отличий от первых образцов как:
- незначительное потребление энергии, способность функционировать от источника энергии малой мощности;
- возможность достаточно точно регулировать степень воздействия на биообъект на уровне поражающего и отталкивающего эффектов, относительно малые габариты, позволяющие уменьшить затраты на перевозку, сократить время на развертывание;
- простота в обслуживании и эксплуатации;
- невысокая стоимость относительно других видов инженерных заграждений.
Однако не все так просто.
Как в древние времена за изобретением меча последовало изобретение щита, так и следом за изобретением ЭЗ последовали разработки средств и способов их преодоления и нейтрализации. Еще во времена зарождения ЭЗ был известен способ закорачивания линейной части металлическими шестами. При этом не только появлялся участок ЭЗ, который можно преодолеть, но и существенно возрастало энергопотребление.
Во время Второй Мировой войны использовались специальные комплекты для проделывания проходов и преодоления ЭЗ.
Немало проблем всегда возникало из-за трупов вражеских солдат, оставшихся на линейной части после неудачных атак. Они создавали режим, близкий к короткому замыканию. В силу вышесказанного в настоящее время назрела необходимость разработки ЭЗ, для которого известные в настоящее время способы и средства преодоления не являются “щитом”.
Кроме того, актуальным является разработка ЭЗ, воздействующих на противника бесконтактно, на расстоянии. Работы по созданию такого заграждения ведутся в Военно-инженерном университете.
В основе принципа работы бесконтактного электризуемого заграждения (БЭЗ) лежит явление резонанса напряжений. Это широко известное в электротехнике явление замечательно тем, что в цепи, содержащей последовательно соединенные сопротивление, индуктивность, емкость в режиме резонанса напряжение на реактивных элементах значительно превосходит напряжение, вырабатываемое ИЭЭ.
Биообъект, являющийся хоть и не идеальным, но проводником, и проводящая линейная часть (ЛЧ) представляют собой не что иное, как обкладки конденсатора, разделенные между собой слоем диэлектрика (воздуха). Таким образом конденсатором в этой цепи является система БО – воздух – ЛЧ.
Расчетная электрическая схема воздействия БЭЗ на БО представлена на рис. 2. Характеристики элементов расчетной электрической схемы воздействия БЭЗ на биообъект даны в таблице.
Е – источник электроэнергии, вырабатывающий гармонические колебания требуемого напряжения и частоты;
L – катушка индуктивности, подключенная последовательно с линейным проводником;
RL – активное сопротивление катушки индуктивности;
Слч-бо – емкость между ЛЧ и внутренними проводящими тканями тела БО;
Rлч-бо – сопротивление между ЛЧ и внутренними проводящими тканями тела БО;
Rвн – внутреннее сопротивление тела БО;
Сбо-зем – емкость между внутренними проводящими тканями тела БО и землей;
Rбо-зем – сопротивление между внутренними проводящими тканями тела БО и землей (включает в себя сопротивление внешних покровов (кожи) БО и обуви (для человека)).
Рис.2. Расчетная электрическая схема воздействия бесконтактного электризуемого заграждения на биообъект.
Таблица: Характеристики элементов расчетной электрической схемы воздействия бесконтактного электризуемого заграждения на биообъект
|
Наименование элемента |
Характеризующий параметр |
Ед. изм |
Числ. значение |
Факторы, определяющие численное значение параметров |
|
Источник электроэнергии, вырабатывающий гармонические колебания требуемого напряжения и частоты |
Полная потребляемая мощность на ед. длины ЛЧ, S/м Выходные: |
ВА/м кГц |
до 4 80-200 |
— электрические параметры внешней среды: -относительная диэлектрическая проницаемость; -удельная проводимость; — конструктивные параметры ЛЧ; — требования к добротности резонансного контура; — возможности элементной базы. |
|
Катушка индуктивности, подключенная последовательно с линейным проводником |
Индуктивность,L Активное сопротивление,RL |
Гн Ом |
0,5-4 до 100 |
— при изменении параметров среды должно обеспечиваться условие: L=1/2p f Cэкв, где Cэкв- эквивалентная емкость схемы; — минимизация значения активного сопротивления для увеличения значения падения напряжения на БО. |
|
Емкость между ЛЧ и внутренними проводящими тканями тела БО |
Емкость, |
Ф |
10-10-10-12 |
— конструктивные параметры ЛЧ; -относительная диэлектрическая проницаемость внешней среды; — расстояние между ЛЧ и БО; — габаритные размеры БО; — способ продвижения БО. |
|
Сопротивление между ЛЧ и внутренними проводящими тканями тела БО |
Активное сопротивление, Rлч-бо |
Ом |
до |
— конструктивные параметры ЛЧ; — удельная электрическая проводимость внешней среды; — расстояние между ЛЧ и БО; — габаритные размеры БО; — способ продвижения БО к ЛЧ. |
|
Внутреннее сопротивление тела БО |
Активное сопротивление, |
Ом |
до 1000 |
— физиологические особенности данного БО. |
|
Емкость между внутренними проводящими тканями тела БО и землей |
Емкость, |
Ф |
10-7-10-11 |
-относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической прослойки между БО и землей(кожа, обувь и т.д.); — ширина диэлектрической прослойки между БО и землей; — габаритные размеры БО; — способ продвижения БО к ЛЧ. |
|
Сопротивление между внутренними проводящими тканями тела БО и землей (включает в себя сопротивление внешних покровов (кожи) БО и обуви(для человека)). |
Активное сопротивление, |
Ом |
до 5000 |
-удельная электрическая проводимость диэлектрической прослойки между БО и землей(кожа, обувь и т.д.); — расстояние между БО и землей; — габаритные размеры БО; — способ продвижения БО к ЛЧ. |
|
Сопротивление заземления |
Активное сопротивление, |
Ом |
до 25 |
-площадь контакта заземлителя с грунтом; — удельное электрическое сопротивление грунта. |
Из схемы замещения очевидно, что изменением значений индуктивности, емкости или частоты может быть достигнуто явление резонанса напряжений.
Проводимый в лабораторных условиях эксперимент подтвердил работоспособность установки.
При использовании маломощного низковольтного генератора гармонических колебаний(Uвых Ј 15 В, f=0 – 200 Гц) через индуктивность L был запитан оголенный проводник, являющийся ЛЧ.
Объекты исследований, даже не почуствовавшие воздействие на них напряжения при непосредственном прикосновении к выходам генератора, констатировали воздействие на уровне ощущений при нахождении на определенном расстоянии от ЛЧ.
Как показали проведенные исследования, данное заграждение, кроме возможности дистанционного воздействия, обладает еще одним преимуществом над традиционным ЭЗ: при закорачивании линейной части на землю наблюдается эффект не увеличения, а уменьшения тока в ЛЧ.
Связано это с тем, что при шунтировании емкости C система выходит из режима резонанса, вследствие чего реактивное и собственное эквивалентное сопротивление увеличиваются, ток и потребляемая мощность уменьшаются.
Этот эффект целесообразно использовать для регистрации попытки преодоления ЭЗ.
При изолированной ЛЧ попытка закорачивания приводит лишь к увеличению емкости системы и, следовательно, необходимости ее подстройки до режима резонанса.
Предлагаемое заграждение сможет работать в нескольких режимах:
1. При работе в охранном режиме бесконтактное электризуемое заграждение функционирует, как охранная сигнализация;
2. В охранно-отталкивающем режиме при приближении нарушителя на пульт управления подается сигнал о нарушении, а на нарушителя оказывается воздействие, не приводящее к летальному исходу;
3. В охранно-поражающем так же идет сигнал на пульт, но нарушитель получает смертельное воздействие;
4. В отталкивающем режиме на нарушителя оказывается воздействие достаточное для того, чтобы отбить охоту идти дальше, но недостаточное для наступления летального исхода;
5. Любая попытка преодоления в режиме поражения влечет за собой летальный исход.
Исходя из возможных режимов работы, очевидны области применения бесконтактного электризуемого заграждения.
Первый- третий режим целесообразно применить при постоянном нахождении обслуживающего персонала у пульта управления.
Например: охрана государственной границы, охрана важных государственных объектов, охрана зданий и помещений.
Четвертый и пятый рассчитаны на применение без постоянного присутствия личного состава.
По предварительным оценкам энергозатраты БЭЗ, разработанного по данному принципу, составят не более 4 кВт на 1 км в режиме поражения, и до 100 Вт в режиме ожидания, при значительном превосходстве над существующими образцами по массо-габаритным показателям.
Очень простая, доступная и удобная в установке ЛЧ позволит значительно сократить средства на оборудование открытых, после распада СССР, границ России.
Простой и надежный комплект БЭЗ может стать надежным средством защиты как личного состава силовых структур в зонах вооруженных конфликтов, так и сельскохозяйственных пастбищ.
Статьи по теме- охрана периметра
Быстроразвертываемые охранные системы.
Особенности применения быстро развертываемых охранных систем.
Технические характеристики некоторых отечественных быстроразвертываемых средств обнаружения.
Периметровые средства обнаружения: современное состояние.
Периметровые маскируемые магнитометрические средства обнаружения..
