?) опасные, при которых появляются большие напряжения и токи, угрожающие жизни обслуживающего персонала и абонентов или приводящие к повреждению аппаратуры и линейных сооружений. Опасными считаются: напряжение U > 36 В, ток >15 мА;
?) мешающие, при которых возникают помехи, шумы, искажения, приводящие к нарушению нормальной работы Средств связи. Мешающими считаются: напряжение U от 1 до 2 мВ, ток примерно равен 2мА.
Внешние влияния подразделяются также на длительные и кратковременные. Границей раздела между ними является время t = 1 с.
Спектр частот внешних источников, как правило, имеет широкую полосу. Амплитуда влияющих напряжений и токов, исходящих от внешних источников, зависит от мощности установки и места (расположения) её по отношению к ЛС. Наиболее распространенными источниками мешающих влияний являются линии электропередачи, контактные сети электрифицированных железных дорог, радиостанции. Источниками опасных влияний служат, главным образом, атмосферное электричество и высоковольтные линии, особенно при аварийном режиме. По характеру воздействия различают следующие виды внешних влияний:
?) электрические, обусловленные действием электрического поля;
?) магнитные, возникающие за действия магнитного поля;
?) гальванические, появляющиеся вследствие наличия в земле блуждающих токов.
Последние создаются высоковольтными линиями и используют землю в качестве обратного проводника.
Под действием блуждающих токов на оболочках кабелей связи появляется напряжение и в цепях связи возникает влияние. Особенно велико гальваническое влияние при аварийных режимах высоковольтных линий и в местах электростанций. Кроме того, металлические оболочки кабелей разрушаются под действием блуждающих токов и электрохимических процессов в грунте. Такое явление называется коррозией. Для ограждения линий и аппаратуры от вредного воздействия всех этих факторов применяются специальные меры защиты[1].
Опасные воздействия атмосферного электричества (грозы) на кабельные линии связи наблюдаются повсеместно, однако число грозовых дней в различных районах различно. Установлено, что в течение грозового периода в районах с грозодеятельностью от 20 до 25 дней в году на каждые 100 км трассы приходится от 8 до 10 случаев прямого удара молнии в ЛС. Опасность повреждений кабельной линии существенно зависит от состояния грунта и проводимости кабельной оболочки. В грунтах с большим сопротивлением (песке, скале, глине, грунте и др.) и при больших сопротивлениях оболочки опасность повреждения кабеля возрастает. Грозоповреждаемость кабелей в алюминиевой оболочке, имеющей малое сопротивление, существенно меньше, чем в свинцовой и стальной оболочках.
Грозовые разряды - одно из самых распространенных явлений природы. Достаточно отметить, что каждую секунду поверхность нашей планеты поражают в среднем 100 молний. Общеизвестно, что удары молнии представляют значительную опасность для жизни людей и животных, наносят материальный ущерб.
Молния - это электрический разряд через воздух. Путь, образованный разрядом атмосферного электричества, называется каналом молнии. Канал молнии обладает примерно следующими параметрами: напряжение от 1 до 10 млн. В; ток молнии от 20 до 30 кА; длительность удара молнии от 0,3 до 0,5 с; число разрядов за один удар от 3 до 10; время одного разряда от 100 до 200 мкс; основная частота колебаний линии - 10 кГц; фронт нарастания волны молнии от 10 до 40 мкс; фронт спадания от 40 до 120 мкс; длина канала молнии от 2 до 3 км; скорость движения лидера - 100 км/с; температура в канале молнии - 20000?. Высокое напряжение на проводах ЛС при грозовых разрядах появляется или вследствие индукции от разряда облака в землю, или в результате непосредственного разряда в ЛС (прямой удар). Чаще молнией поражаются наиболее высокие наземные предметы. Однако молния может ударить и в ровную поверхность земли, устремляясь в область большей электропроводности почвы. Если грунт, в который заложен подземный кабель, имеет большое удельное сопротивление, то разряды молнии, реагируя на наличие в почве хорошо проводящих металлических оболочек кабеля, ударяют в поверхность земли над этим кабелем. Чаще всего повреждения подземных кабелей наблюдаются в грунтах с большим сопротивлением, (каменистых, гранитных, песчаных и т.п.). Ток молнии распространяется по земле во все стороны, и если поблизости находится кабель, то большая часть тока может пройти в его металлическую оболочку. Между местом удара молнии и кабелем могут возникнуть большие напряжения и образоваться электрическая дуга, достигающая 30 м, а иногда и больше. Повреждения кабеля от токов молнии весьма разнообразны: так, от сильного нагрева расплавляется свинцовая оболочка, сгорает джутовая оплетка, обгорает изоляция, расплавляются жилы кабеля и т. д. Под действием внешних сил, образующихся от давления паров влаги грунта и газов, возникающих при сгорании джутовой оплетки, образуются вмятины на оболочке, прогибы кабеля, разрывы ленточной брони и т. п. B следствие больших индуктированных напряжений, возникающих между жилами и оболочкой кабеля, пробивается изоляция жил. Повреждения в подземном кабеле могут возникнуть от токов молнии, попадаемых в кабель через близко растущие деревья. Воздушные кабели подвержены действию токов молнии, попавших в кабельные опоры или в воздушные провода[5].
Влияния, оказываемые ЛЭП на линии связи, могут быть электрическими и магнитными. В зависимости от режима работы ЛЭП преобладает то или иное влияние. Симметричные системы обладают высоким потенциалом и создают большие электрические воздействия. Несимметричные системы (с заземленной фазой) в аварийном режиме имеют большой уравнительный ток и являются источником сильных магнитных воздействий (I > H). Заземленные ЛЭП оказывают гальваническое влияние. На линии связи воздействуют как ЛЭП переменного тока, так и постоянного.
Первые влияют в основном на частоте 50 Гц и на высших гармониках, главным образом, в тональном диапазоне частот; вторые - за счет пульсирующих составляющих при выпрямлении тока преимущественно ртутными выпрямителями. Влияние гармонических составляющих распространяется на диапазон порядка 30 кГц и ухудшает качество трехканальных ВЧ систем передачи. Сравнивая агрессивное воздействие ЛЭП переменного и постоянного токов на ЛС, можно отметить, что первые действуют гораздо сильней, чем вторые и требуют относа ЛС на значительное расстояние.
3. Описание амплитудно-временных форм, воздействующих на аппаратуру связи и её узел электропитания импульсов перенапряжений и токов
3.1 Высоковольтные линии электропередачи
Наиболее распространёнными источниками мощных индустриальных электромагнитных помех являются высоковольтные линии электропередач (ЛЭП). Развитие энергетики немыслимо без постоянного увеличения производства электроэнергии и создания новых систем её распределения. Объединение электрических сетей в крупные энергетические системы, вплоть до Единой энергетической системы страны, приводит к созданию мощных линий электропередач высокого и сверхвысокого напряжения. В настоящее время протяженность ЛЭП напряжением от 35 до 800 кВ составляет порядка 500000 км, из которых почти половина приходится на долю высоковольтных линий (ВЛ) от 220 до 300 кВ и около 5% на долю ВЛ 500 кВ и выше.
ЛЭП являясь составной частью энергетической системы, связывают электростанции с понижающими подстанциями. Наиболее распространённым видом высоковольтной ЛЭП являются воздушные линии, выполнение голыми проводами, подвешенными на изоляторах и смонтированными на опорах.
Линии электропередачи, как правил, начинаются и заканчиваются на подстанциях, оборудованных повышающими и понижающими трансформаторами. Трансформаторы трёхфазных электрических систем могут иметь различное соединение обмоток: треугольник-треугольник; треугольник-звезда и звезда-звезда. В зависимости от того, к какому типу соединения обмоток присоединена ЛЭП, различают:
?) симметричную линию электропередачи с изолированной нейтралью (соединение трансформатора звездой с изолированной нейтралью);
?) симметричную линию с заземленной нейтралью (аналогично первой, но нейтраль наглухо заземлена);
?) симметричную линию с компенсированной нейтралью (нейтральная точка соединения звездой трансформатора имеет связь с землёй через дугогасящую катушку);
?) несимметричную ЛЭП (земля используется в качестве одного из рабочих проводов).
В зависимости от конструктивного использования ЛЭП и их электрических схем они будут оказывать различное влияние на окружающее пространство.
Высоковольтные линии электропередачи, находясь в рабочих и аварийных режимах, являются источниками МЭМП. Режим работы ЛЭП определяется ее электрическими характеристиками. Если эти характеристики не выходят за пределы, определяемые условиями эксплуатации ЛЭП и ее назначением, то такой режим является рабочим. Большое влияние на режимы работы ЛЭП оказывают перенапряжения, которые являются причиной повышения амплитуды наибольшего рабочего напряжения электрической сети и генерирования электромагнитных помех большой мощности даже в рабочих режимах ЛЭП.
Различают внутреннее и внешнее перенапряжения. Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасённой в элементах электрической цепи или поступающей в нее от генераторов. В зависимости от условий возникновения и возможностей длительности воздействия различают коммутационные, квазистационарные и стационарные перенапряжения.
Наиболее неблагоприятным в смысле электромагнитного воздействия ЛЭП является ее однофазное КЗ, которое возможно только в системах с напряжением 110 кВ и выше.
Временная зависимость тока однофазного короткого замыкания ЛЭП определяется по формуле 3.1.
|
, |
(3.1) |
где Iкз - ток короткого замыкания ЛЭП, равный по заданию 46 кА;
T - постоянная времени сети, принимающая значение 0,06 с;
f - частота сети, равная 50 Гц ().
На рисунке 3.1 показана временная зависимость тока однофазного короткого замыкания ЛЭП.
Рисунок 3.1 - Изменение во времени тока однофазного КЗ ЛЭП
3.2 Контактная сеть железных дорог
Близкой по своим помехосоздающим свойствам к ЛЭП является контактная сеть (КС) железных дорог. В нашей стране электрифицированные железные дороги работают на постоянном и однофазном переменном токе промышленной частоты. В зависимости от назначения для электрификации железных дорог постоянным током применяют напряжение от 600 до 800 В для городского транспорта (трамвай, метрополитен) и 3300 В для магистральных железных дорог. При электрификации железных дорог переменным током напряжение КС составляет 25 кВ.
Основными элементами электрифицированных железных дорог являются тяговые подстанции, контактная и рельсовая сети.
Контактная сеть представляет собой устройство, с помощью которого электрическая энергия от подстанции передаётся к локомотиву (электровозу). Она включает в себя: провода (контактный провод, несущий трос, усиливающие провода); поддерживающие конструкции - опоры, консоли, оттяжки; различные вспомогательные устройства.
Режимы работы КС имеют иного общего с режимами ЛЭП переменного и постоянного токов. Напряжение на шины тяговых подстанций КС постоянного тока подаётся от выпрямителей, преобразующих напряжение трёхфазного переменного тока в постоянный.
При питании электровозов переменно-постоянного тока от КС переменного тока в ней, также, как и в ЛЭП, имеющей связь с нагрузкой, содержащей выпрямительные элементы, трансформаторы и т.п. будут присутствовать помимо основной промышленной частоты гармоники от 0,1 до 150 кГц.
Особую опасность для РЭС представляет КС в аварийных режимах и в рабочих режимах при питании движущихся нагрузок (электровозов). На характер переходного процесса в КС основное влияние оказывает электродвигатель локомотива, характеристики которого в основном и определяют форму тока КС.
В нашем случае рассматривается контактная сеть переменного тока.
Временная зависимость тока КС переменного тока в режиме КЗ определяется по формуле 3.2.
|
(3.2) |
где - ток КЗ в сети, равный по заданию 4 кА;
- постоянная времени КС, принимающая значение 0,07 с;
f - частота сети, равная 50 Гц.
На рисунке 3.2 показана временная зависимость тока КС переменного тока в режиме КЗ.
Рисунок 3.2 - Временная зависимость тока контактной сети переменного тока в режиме короткого замыкания
3.3 Грозовые разряды
Грозовые разряды (молнии) - это наиболее распространённый источник мощных электромагнитных помех естественного происхождения. По приближенным подсчетам в земную поверхность ежесекундно ударяют около ста молний. На окружающие предметы, электротехнические сооружения, средства связи, РЭС, живую природу молнии оказывают неблагоприятные воздействия: электростатическое, электромагнитное, динамическое, термическое, биологическое. Удары молнии нередко приводят к гибели людей и наносят большой материальный ущерб.
Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров. Источником молнии является грозовое облако, несущее в себе скопление объёма положительных и отрицательных зарядов. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделения заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих воздушных потоков.