Электризуемые заграждения неконтактного принципа действия. — Как сделать самому?
Современный рынокспециальной техники нуждается не только всредствах обнаружения и контроля, но и всредствах воздействия на обнаруженный объект. Вкачестве одного из таких средств предлагаетсяиспользовать электризуемые заграждения, имеющиебогатую историю. В предлагаемой статьерассмотрен принцип работы электризуемогозаграждения неконтактного с биообъектомпринципа действия.
В последние годы становитсявсе более очевидным разрыв между развитиемсредств обнаружения и средств воздействия(поражения) на обнаруженный объект. Этообусловлено рядом причин. Одной из них являетсязатруднение в регулировании степени воздействияна биообъект (БО) различными средствами, повышающее вероятность летального исхода врезультате такого воздействия. Учитывая, чтопоследний не является желательным, многиесредства остаются невостребованными. Другаяпричина – вполне справедливые ограничения, вводимые законодательством.
Одним из средств воздействия, не имеющим этих недостатков, являютсяэлектризуемые заграждения (ЭЗ). С простейшимивидами ЭЗ, такими как электропастухи иэлектрошоки, многие знакомы достаточно давно.
Принцип работы ЭЗ представленна простейшей однополюсной схеме (рис. 1).
1 – источник электрической энергии;
2 – кабельная сеть;
3 – линейная часть;
4 – заземлитель.
Рис. 1. Принципиальнаясхема однополюсного электризуемого заграждения
В общем виде ЭЗ включаетследующие основные элементы: источникэлектрической энергии; кабельную сеть; линейнуючасть; заземлитель. Один из выводов источникаэлектрической энергии (ИЭЭ) этого простейшего ЭЗзаземлен, другой подключен к линейной части. Объект воздействия, прикоснувшись какой-либочастью тела к линейной части, оказывается подвоздействием фазного напряжения.
Первое упоминание о боевомприменении ЭЗ относится ко времени обороныкрепости Порт-Артур в период русско-японскойвойны начала века. Например, при четвертом штурменочью 26 ноября 1904 года японцы потеряли убитыми 780солдат, из них 150 сгорели на электрическойизгороди. 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 войныприменялись ЭЗ аналогичного устройства, что и вовремя русско-японской войны. Кроме того былиразработаны особые типы заграждений – сеть“Вулкан”, низко расположенный “Спотыкач”.Делались попытки электризации полос земли ивыбросов электризуемых тросов с помощьюгранатометов и минометов.
В течение всего столетия шламасштабная разработка и усовершенствование ЭЗ. Врезультате, современные ЭЗ, состоящие навооружении в Российской армии, имеют ряд такихположительных 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 вдревние времена за изобретением мечапоследовало изобретение щита, так и следом заизобретением ЭЗ последовали разработки средстви способов их преодоления и нейтрализации. Еще вовремена зарождения ЭЗ был известен способзакорачивания линейной части металлическимишестами. При этом не только появлялся участок ЭЗ, который можно преодолеть, но и существенновозрастало энергопотребление.
Во время Второй Мировой войныиспользовались специальные комплекты дляпроделывания проходов и преодоления ЭЗ. Немалопроблем всегда возникало из-за трупов вражескихсолдат, оставшихся на линейной части посленеудачных атак. Они создавали режим, близкий ккороткому замыканию. В силу вышесказанного внастоящее время назрела необходимостьразработки ЭЗ, для которого известные внастоящее время способы и средства преодоленияне являются “щитом”. Кроме того, актуальнымявляется разработка ЭЗ, воздействующих напротивника бесконтактно, на расстоянии. Работыпо созданию такого заграждения ведутся вВоенно-инженерном университете.
В основе принципа работыбесконтактного электризуемого заграждения (БЭЗ)лежит явление резонанса напряжений. Это широкоизвестное в электротехнике явление замечательнотем, что в цепи, содержащей последовательносоединенные сопротивление, индуктивность, емкость в режиме резонанса напряжение нареактивных элементах значительно превосходитнапряжение, вырабатываемое ИЭЭ.
Биообъект, являющийся хоть ине идеальным, но проводником, и проводящаялинейная часть (ЛЧ) представляют собой не чтоиное, как обкладки конденсатора, разделенныемежду собой слоем диэлектрика (воздуха). Такимобразом конденсатором в этой цепи являетсясистема БО – воздух – ЛЧ.
Расчетная электрическая схемавоздействия БЭЗ на БО представлена на рис. 2.Характеристики элементов расчетнойэлектрической схемы воздействия БЭЗ набиообъект 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. Расчетнаяэлектрическая схема воздействия бесконтактногоэлектризуемого заграждения на биообъект.
Таблица: Характеристикиэлементов расчетной электрической схемывоздействия бесконтактного электризуемогозаграждения 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:
— частота, f
— напряжение, U
ВА/м
кГц
В
до 4
80-200
5-300
— электрические параметры внешней среды:
-относительнаядиэлектрическая 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,
Слч-бо
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
нескольких
ГОм
— 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,
Rвн
Ом
до 1000
— физиологические особенности данного БО.
Емкость между внутренними проводящими тканями тела БО и землей
Емкость,
Сбо-зем
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,
Rбо-зем
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,
Rзаз
Ом
до 25
-площадь контакта заземлителя с грунтом;
— удельное электрическое сопротивление грунта.
Из схемы замещения очевидно, что изменением значений индуктивности, емкостиили частоты может быть достигнуто явлениерезонанса напряжений.
Проводимый в лабораторныхусловиях эксперимент подтвердилработоспособность установки. При использованиималомощного низковольтного генераторагармонических колебаний(Uвых Ј 15 В, f=0 – 200 Гц) черезиндуктивность L был запитан оголенный проводник, являющийся ЛЧ. Объекты исследований, даже непочуствовавшие воздействие на них напряженияпри непосредственном прикосновении к выходамгенератора, констатировали воздействие науровне ощущений при нахождении на определенномрасстоянии от ЛЧ.
Как показали проведенныеисследования, данное заграждение, кромевозможности дистанционного воздействия, обладает еще одним преимуществом надтрадиционным ЭЗ: при закорачивании линейнойчасти на землю наблюдается эффект не увеличения, а уменьшения тока в ЛЧ. Связано это с тем, что пришунтировании емкости C система выходит из режимарезонанса, вследствие чего реактивное исобственное эквивалентное сопротивлениеувеличиваются, ток и потребляемая мощностьуменьшаются. Этот эффект целесообразноиспользовать для регистрации попыткипреодоления ЭЗ. При изолированной ЛЧ попытказакорачивания приводит лишь к увеличениюемкости системы и, следовательно, необходимостиее подстройки до режима резонанса.
Предлагаемое заграждениесможет работать в нескольких режимах:
1. При работе вохранном режиме бесконтактное электризуемоезаграждение функционирует, как охраннаясигнализация;
2. Вохранно-отталкивающем режиме при приближениинарушителя на пульт управления подается сигнал онарушении, а на нарушителя оказываетсявоздействие, не приводящее к летальному исходу;
3. Вохранно-поражающем так же идет сигнал на пульт, но нарушитель получает смертельное воздействие;
4. В отталкивающемрежиме на нарушителя оказывается воздействиедостаточное для того, чтобы отбить охоту идтидальше, но недостаточное для наступлениялетального исхода;
5. Любая попыткапреодоления в режиме поражения влечет за собойлетальный исход.
Исходя из возможных режимовработы, очевидны области применениябесконтактного электризуемого заграждения. Первый-третий режим целесообразно применить припостоянном нахождении обслуживающего персоналау пульта управления. Например: охранагосударственной границы, охрана важныхгосударственных объектов, охрана зданий ипомещений.
Четвертый и пятый рассчитанына применение без постоянного присутствияличного состава.
По предварительным оценкамэнергозатраты БЭЗ, разработанного по данномупринципу, составят не более 4 кВт на 1 км в режимепоражения, и до 100 Вт в режиме ожидания, призначительном превосходстве над существующимиобразцами по массо-габаритным показателям. Оченьпростая, доступная и удобная в установке ЛЧпозволит значительно сократить средства наоборудование открытых, после распада СССР, границ России. Простой и надежный комплект БЭЗможет стать надежным средством защиты какличного состава силовых структур в зонахвооруженных конфликтов, так исельскохозяйственных пастбищ.
Удинцев Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук
Предоставлено журналом «Специальная техника»
