Электромагнитная совместимость - это способность электрооборудования удовлетворительно функционировать в условиях электромагнитных посторонних воздействий, а также не оказывать недопустимого воздействия на эту окружающую среду, которая включает в себя другое электрооборудование.

Электрифицированные железные дороги переменного тока могут оказывать на линии проводной связи и проводного вещания магнитное, электрическое и гальваническое влияния.

Магнитное влияние обусловливается прохождением по тяговой сети переменного электрического тока. Магнитному влиянию подвержены все линии проводной связи проводного вещания как воздушные, так и кабельные.

Электрическое влияние обусловливается наличием в тяговой сети переменного электрического напряжения. Электрическому влиянию подвержены воздушные линии и воздушные кабельные линии, выполненные кабелем без металлической оболочки.

Гальваническое влияние обусловливается протеканием в земле тяговых токов. Гальваническому влиянию подвержены заземленные металлические оболочки кабелей и цепи, использующие в качестве обратного провода землю. Гальваническое влияние следует учитывать также при наличии лишь одного заземления в любой точке цепи.

Влияния могут быть опасными, мешающими или одновременно опасными и мешающими.

Опасным называется такое влияние, при котором напряжения и токи, возникающие в цепях линии связи (ЛС), могут создавать:

а) опасность для жизни обслуживающего персонала и абонентов ЛС;

б) повреждения аппаратуры и приборов, включённых в цепи ЛС;

в) ложные сигналы железнодорожной сигнализации и телемеханики, приводящие к авариям на железных дорогах.

Мешающим называется такое влияние, при котором в каналах связи, железнодорожной сигнализации и телемеханики и т. д. появляются помехи, нарушающие нормальное действие этих устройств.

Меры, применяемые для защиты ЛС и включённой в них аппаратуры от опасных и мешающих влияний внешних аппаратуры от опасных и мешающих влияний внешних электромагнитных полей, зависят от видов влияний, типа ЛС, влияющих линий, аппаратуры, величин, допускаемых напряжений и конкретных условий прокладки линий связи. Меры защиты выбираются при проектировании на основании технико-экономического сравнения различных вариантов защиты.

1 План расположения основных объектов станции

На плане станции рисунок Приложение А изображены основные станционные и линейные объекты, а так же линии связи:

а) ТП - в общем случае, электроустановка для преобразования и распределения электрической энергии. Тяговая подстанция железной дороги предназначена для распределения, преобразования электроэнергии, питания тяговых (электроподвижного состава) и не тяговых железнодорожных, а также не железнодорожных потребителей. Тяговые подстанции железной дороги получают электроэнергию от энергосистем через систему внешнего электроснабжения, после чего энергия распределяется между тяговыми (через систему тягового электроснабжения) и не тяговыми потребителями.

б) ДСП (помещение дежурного по станции) - в помещении дежурного по станции устанавливают пульты управления стрелками и сигналами, средства связи для переговоров внутристанционных и с соседними станциями

в) КТП - Комплектные трансформаторные подстанции железнодорожные (КТПЖ) используются для приёма, преобразования электрической энергии трёхфазных сетей переменного тока, с частотой 50 Гц и напряжением 27.5 кВ, в величину 0.4 кВ, и ее распределение между не тяговыми потребителями, к которым относятся разъезды, переезды, остановочные пункты, используемые на железнодорожных путях. В зависимости от типа установленного на подстанции трансформатора, мощность установки может лежать в пределах от 40 до 400 кВ/А.

г) МКПАБ - Магистральный симметричный кабель с медными жилами с кордельно-трубчатой полиэтиленовой изоляцией в алюминиевой оболочке бронированный (марки МКПА) предназначен для связи вдоль железных дорог, электрифицированных на переменном токе. Поперечное сечение кабеля приведено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Поперечное сечение кабелей МКПА

д) ТПП - Кабели ТПП применяются для эксплуатации в местных телефонных городских сетях с переменным напряжением до 225 и 145 В частотой 50 Гц или напряжением постоянного тока до 315 и 200 В соответственно. Прокладка телефонного кабеля ТПП осуществляется в шахтах, тоннелях, коллекторах, по стенам зданий. Отдельная пара проводов в кабеле имеет слабую скрутку и волновое сопротивление 120--150 ом. Частотный диапазон проводимости кабеля соответствует категории 2.Кабель ТПП выпускается комплектацией в 5, 10, 20, 30, 50, 100, 200, 400, 600 пар. Чертёж кабеля представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Поперечное сечение кабеля ТПП

е) СБПБ - кабель для сигнализации и блокировки с медными жилами, с полиэтиленовой изоляцией, в оболочке из полиэтилена, с броней из двух стальных лент, с наружным покровом для электрических установок железнодорожной сигнализации, централизации и блокировки, пожарной сигнализации и автоматики с номинальным напряжением 380 В переменного тока частотой 50 Гц или 700 В постоянного тока. Кабель СБПБ представлен на рисунке 1.3

Рисунок 1.3 - Поперечное сечение кабеля СБПБ

Волновод - кабель радиопередачи, представлен на рисунке 1.4

Рисунок 1.4 - Поперечное сечение волновода

2 Характеристика основных источников влияния на узел связи

В качестве электромагнитной помехи, проявляющейся в ухудшении рабочих показателей технических средств, вызванном электромагнитным возмущением, может фигурировать практически любое электромагнитное явление в широком диапазоне частот.

Влияние электромагнитных помех на аппаратуру бывает разнообразным от непредсказуемых временных ухудшений характеристик канала передачи информации, сбоев цифровой техники и искажения изображения на экранах мониторов до физического повреждения и даже возгорания аппаратуры и ее кабелей.

Среди низкочастотных помех наибольшую опасность представляют перенапряжения при авариях электропитания (особенно ? аварийные потенциалы на элементах заземляющего устройства, которые вследствие возникающей разности потенциалов между заземлением аппаратуры и нейтрали питающего ее трансформатора оказываются приложенными к входам питания). К временной потере работоспособности аппаратуры также приводят полные отключения питания на длительное время. Отказы хорошо спроектированной аппаратуры по причине появления других низкочастотных (до нескольких сотен герц) помех в цепях питания случаются относительно редко. Такая устойчивость объясняется тем, что современные блоки питания аппаратуры обычно представляют собой систему автоматического регулирования (САР), способную поддерживать заданное значение напряжения на выходе даже в случае значительного отклонения формы кривой напряжения на входе от номинальной.

При сдвиге спектра частот помехи в высокочастотную область ее опасность (при той же энергии) обычно возрастает. Для частот до нескольких десятков мегагерц это объясняется двумя факторами.

Во-первых, импульсные помехи даже сравнительно небольшой энергии могут иметь значительную амплитуду по напряжению. Действительно, энергия импульса, выделяющаяся на активном сопротивлении, определяется как

где u = u(t) - напряжение, В;

r - сопротивление, Ом;

Т - длительность импульса, мкс.

Таким образом, при меньшей длительности импульс той же энергии может иметь большую амплитуду. Большие значения пикового напряжения импульса могут приводить к пробою элементов блока питания, не рассчитанных на слишком высокое напряжение. Возникающая при пробое дуга может сохраняться и после окончания импульса, поддерживаемая за счёт обычного напряжения питания. В этом случае импульс играет роль лидера.

Второй фактор, обусловливающий повышение опасности помех в цепях питания с ростом их частоты, - динамические характеристики самого блока питания. Выше уже отмечалось, что современные блоки питания имеют структуру систем автоматического регулирования (САР), причём с нелинейными элементами. Обычно такая система проектируется в расчёте на относительно низкочастотные возмущения на входе. Попадание на вход высокочастотных помех может вызвать нежелательную реакцию системы (резонансные эффекты, автоколебания и т.п.). В результате стабильность напряжения на выходе блока питания может нарушиться, что вызовет отказ аппаратуры.

Коммутационные помехи возникают не только при коммутационных операциях на высоковольтных электроустановках. В принципе все, что необходимо для появления коммутационных помех, - это быстрое включение или выключение реактивной нагрузки.

Когда скорость изменения тока велика, создается очень высокое напряжение. Теоретически, если ток уменьшается от конечного значения до нуля мгновенно, абсолютная величина напряжения оказывается бесконечно большой. В действительности же происходит дуговой пробой, ток которого уменьшает величину напряжения. Также играет роль паразитная ёмкость, позволяющая протекать току утечки.

Многократный пробой контакта приводит к появлению вместо одного пика множества переходных процессов с резкими скачками напряжения. Рассмотрим цепь на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Генерация переходных помех на индуктивной нагрузке

Если пробоя не происходит (весь ток является током утечки через паразитную ёмкость), то пиковое значение напряжения UC определяется формулой:

Если происходит пробой контакта, что определяется приложенным к контакту напряжением и величиной воздушного промежутка, то появляется резкий всплеск тока (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Многократный пробой контакта при отключении

Рассмотрим молнию как природный источник электромагнитных влияний.

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.

Протяженные воздушные и кабельные линии разного назначения достаточно часто поражаются молнией и являются тем путем, по которому высокие напряжения, создаваемые на проводах молнией, проникают в жилые дома и производственные объекты. Возникающие в результате этого разряды с проводки на землю могут поразить находящихся поблизости людей и воспламенить конструкции здания.

Электромагнитное поле, обусловленное током молнии, оказывает на человека различные вредные воздействия. Помимо этого электромагнитные излучения ухудшают работу радиоэлектронн7ых средств, создавая помехи, нарушают бесперебойность и надежность систем электроснабжения и качество электроэнергии.

Упрощенно изменение тока молнии на различных стадиях грозового разряда изображено на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Изменение тока молнии (одиночного разряда) во времени

Лидер является начальной стадией линейной молнии между облаком и землей либо различными частями облака. Лидерная стадия характеризуется заполнением канала зарядами того же знака, что и в облаке. Поэтому лидер развивается толчкообразно и со сравнительно невысокой скоростью, порядка нескольких сотен километров в секунду.

Под воздействием значительной плотности тока канал главного разряда разогревается до температуры 20 - 35 тыс. градусов и начинает светиться. В результате столь быстрого и сильного нагрева происходит расширение канала молнии, что носит характер взрыва - взрыв канала молнии сопровождается распространением звуковой волны, которая воспринимается как гром.

Главный разряд завершается, когда поток зарядов с земли достигнет облака. Затем наступает период нейтрализации близлежащей области облака. Величина тока молнии снижается, и яркость канала уменьшается. Процесс так называемого послесвечения более продолжительный, он длится тысячные и даже сотые доли секунды, после чего разряд завершается. Длительность одного импульса изменяется в сравнительно небольшом диапазоне и в среднем принимается равной 50 мкс.

В большинстве случаев разряды молнии имеют повторный характер, так как остаточная электропроводность канала первого разряда создает условия для повторных разрядов по этому же пути с более удаленных от земли областей облака. Иногда возникает до десяти и более импульсов, однако токи повторных импульсов обычно ниже тока первого импульса. Считается, что по одному и тому же каналу в среднем протекает три импульса тока молнии.

Главный разряд, или собственно волна тока молнии количественно характеризуется амплитудой , скоростью нарастания или крутизной тока на фронте , длительностью фронта и длительностью волны импульса (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Модель волны импульса тока молнии

При практических расчётах устройств молниезащиты необходимо знать амплитуду (в килоамперах) и длительность фронта волны тока (в микросекундах).

где I_max - ток молнии, 54 кА

ф₁ - фронт импульса молнии, 1 мкс

ф₂ - спад импульса молнии, 300 мкс

Временная форма тока молнии в логарифмическом масштабе изображена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Временная форма сигнала i₃(t)

4 . Расчет спектров воздействующих импульсов

Спектры токов короткого замыкания в КС, ЛЭП и тока молнии изображены на рисунках 4.1 - 4.3.

Рисунок 4.1 - Спектр тока короткого замыкания в ЛЭП

Рисунок 4.2 - Спектр тока короткого замыкания в КС

Рисунок 4.3 - Спектр тока молнии

По выше приведенным рисункам можно сделать вывод, что спектры токов короткого замыкания в КС и ЛЭП имеют резкий скачок на частоте 50 Гц. Это частота промышленной сети. Также было доказано, что спектр тока молнии очень широк.

5 Расчёт контура заземления здания ДСП

5.1 Определяем расчётное значение удельного сопротивления грунта

Расчет магнитных влияний производится по следующей формуле:

(6.1)

где щ, циклическая частота питающей сети, 314.16 рад/с,

- ток короткого замыкания, кА,

- длина совместного пробега кабеля, км,

- коэффициент экранирования рельсов,

- коэффициент экранирования оболочки кабеля,

- коэффициент экранирования оболочки провода,

- модуль взаимной индуктивности, Гн/км.

Значения коэффициентов экранирования для различных кабелей представлены в таблице 6.1

Таблица 6.1 - Коэффициенты экранирования кабелей

Коэффициент взаимной индукции влияющей цепи М рассчитывается по следующей формуле:

где а - сближение влияющей цепи от кабеля связи или питания, м;

- проводимость, См/м;

f - частота тока влияющей цепи, 50 Гц.

Расчет влияния на волновод:

Расчет влияния для МКПАБ:

Расчет влияния для ТПП:

Расчет влияния для СБПБ:

Рассчитаем так же значения коэффициентов взаимной индукции для случая КЗ в ЛЭП:

Таблица 6.2 -- Результат расчета

Далее рассчитываем значения магнитного влияния удара молнии в КС:

Таблица 6.3 -- Результат расчета

Расчет значений удара молнии в ЛЭП:

Таблица 6.4 -- Результат расчета

6.3 Расчет гальванического влияния ЛЭП и контактной сети

Импульсные помехи в сети довольно распространены, они могут возникать во время грозы, при включении/выключении мощных нагрузок (поскольку сеть это RLC цепь, то в ней при этом возникают колебания, вызывающие выбросы напряжения) и многие другие факторы.

Импульсы перенапряжений в сети характеризуются формой волны и амплитудой тока. Форма импульса тока характеризуется временем его нарастания и спада -- для стандартов это импульсы 10/350 мкс и 8/20 мкс. Числа в обозначении формы импульса означают следующее:

а) первая - время (в микросекундах) нарастания импульса тока с 10% до 90% от максимального значения тока;

б) вторая - время (в микросекундах) спада импульса тока до 50% от максимального значения тока;

Защитные устройства делятся на классы в зависимости от мощности импульса, который они могут рассеять:

а) Класс 0 (А) - внешняя грозозащита;

б) Класс I (B) - защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 25 до 100 кА формой волны 10/350 мкс;

в) Класс II (C) - защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 10 до 40 кА формой волны 8/20 мкс;

г) Класс III (D) - защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой до 10 кА формой волны 8/20 мкс (в большинстве случаев защита встроена в оборудование).

Рисунок 7.1 - График изменения амплитуды тока грозового разряда от времени

7.3 Защита от перенапряжений

Для защиты от импульсных перенапряжений используются различные приборы. Одними из таких являются разрядники, варисторы, супрессоры, ограничители.

Разрядник - электрический прибор открытого (воздушного) или закрытого (наполненного инертными газами) типа, содержащий в простейшем случае два электрода. При превышении напряжения на электродах разрядника определённого значения, он «пробивается», тем самым ограничивая напряжение на электродах на определённом уровне. При пробое разрядника по нему протекает значительный ток (от сотен Ампер до десятков кА) за короткое время (до сотен микросекунд). После снятия импульса перенапряжения, если не была превышена мощность, которую способен рассеять разрядник - он переходит в исходное закрытое состояние до следующего импульса.

Варистор - полупроводниковый прибор с «крутой» симметричной вольт-амперной характеристикой. В исходном состоянии варистор имеет высокое внутреннее сопротивление (от сотен кОм до десятков и сотен МОм). При достижении напряжения на контактах варистора определенного уровня, он резко снижает свое сопротивление и начинает проводить значительный ток, при этом напряжение на контактах варистора изменяется незначительно. Как и разрядник, варистор способен поглотить энергию импульса перенапряжения длительностью до сотен микросекунд. Но, при длительном повышенном напряжении, варистор выходит из строя с выделением большого количества тепла (взрывается).

Супрессор - полупроводниковый диод с сильной зависимостью полного электрического сопротивления от приложенного напряжения, т.е у супрессоров ярко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя. То есть TVS-диод ограничит импульс напряжения до нормальной величины, а “излишки” уходят на корпус (землю) через диод.

Ограничители - схемы из полупроводниковых элементов, ограничивающие проходящие через них напряжение, например, быстродействие ограничителя в виде диодного моста со стабилитроном будет определяться скоростью переключения диодов моста, которая намного выше, чем у стабилитрона.

7.4 Защита от больших токов

Для защиты от импульсных токов используются различные приборы. Одними из таких являются предохранители, полисвич (позисторы), автоматические выключатели ( автоматы).

Автоматический выключатель - «автомат» - это механический коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи при нормальном состоянии цепи, а также включать, проводить в течение заданного времени и автоматически отключать токи в указанном аномальном состоянии цепи, таких, как токи короткого замыкания.

Электрический предохранитель - компонент электрических и радиоэлектронных устройств, предназначенный для защиты оборудования и приборов от повреждений при их неисправностях или для защиты питающей сети от аварийных электрических токов, возникающих при авариях и отказах, неправильного включения, ошибок монтажа. Предохранитель включается последовательно с потребителем электрического тока и разрывает цепь тока при превышении им номинального тока, - тока, на который рассчитан предохранитель.

Позисторы - терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления, в отличие от предохранителей они используются многократно.

7.5 Параметры для элементов каскадной защиты

1. Передача дискретной информации на железнодорожном транспорте. / В.А. Кудряшов, Н.Ф. Семенюта. Москва. Издательская группа ЗАО «Вариант». 1999. 327 с.

2. Телекоммуникационные технологи на железнодорожном транспорте. / Под ред. Г.В. Горелова. Москва. УМК МПС. 1999. 576 с.

3. Теоретические основы транспортной связи. / М.Я. Каллер., А.Я. Фомин. Москва. Транспорт, 1989.

4. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте. / Г.В. Горелов, А.Ф. Фомин, А.А. Волков, В.К. Котов. Москва. «Транспорт». 1999. 416 с.

5. Характеристики сигналов в каналах связи: Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Теория передачи сигналов» / Н.Н. Баженов. Омск. Омский государственный университет путей сообщения. 2002. 48 с.

Приложение А

(обязательное)

План станции