Расчет влияния внешних импульсных воздействий на устройства связи и меры защиты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Омский государственный университет путей сообщения"

Кафедра "Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети"

РАСЧЕТ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА УСТРОЙСТВА СВЯЗИ И МЕРЫ ЗАЩИТЫ

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

"Электромагнитная совместимость и средства защиты"

ИНМВ. 300010.000 ПЗ

Студентка гр. 23 б Н.Ю. Онищенко

Руководитель - доцент кафедры ТРСиС

К.В. Авдеева

Омск 2016



Реферат

УДК 621.382

Курсовой проект содержит 31 страницу, 26 рисунков, 7 таблиц, 7 источников.

Контактная сеть, импульсное перенапряжение, устройства связи, контур заземления, спектр воздействующих импульсов, каскадная защита.

Курсовой проект содержит описание основных источников влияния на цепи узла связи, расчет спектра воздействующих импульсов, а также расчет влияний аварийных режимов контактной сети. Подбор элементов каскадной защиты аппаратуры.

В процессе выполнения проекта были использованы программы: MicrosoftOfficeWord, Visio и Mathcad.



• Содержание
• Введение
• 1. Описание плана расположения основных станционных и линейных объектов района промежуточной малой станции
• 2. Характеристика основных источников влияния на узел связи
• 3. Описание амплитудно-временных форм, воздействующих на аппаратуру связи и её узел электропитания импульсов перенапряжений и токов
• 3.1 Влияние КЗ в ЛЭП 110 кВ
• 3.2 Влияние КЗ постоянной контактной сети
• 3.3 Влияние грозового разряда
• 4. Расчет спектра воздействующих импульсов
• 5. Расчёт контура заземления здания ДСП
• 6. Расчет влияния ЛЭП и контактной сети на аппаратуру связи
• 6.1 Общие сведения
• 6.2 Расчет магнитного влияния ЛЭП и контактной сети на цепи связи
• 6.2.1 Расчет влияния КЗ в ЛЭП
• 6.3 Расчет гальванического влияния ЛЭП и КС
• 7. Расчёт и выбор элементов каскадной защиты от перенапряжения
• 7.1 Теоретические сведения
• 7.2 Параметры для элементов каскадной защиты
• 7.3 Схемы защиты
• 7.4 Описание элементов защиты
• 7.4.1 Разрядник
• 7.4.2 Варистор
• 7.4.3 Супрессор
• 8. Расчёт параметров электромагнитного экрана аппаратуры
• Заключение
• Библиографический список


Введение

Кабельные линии служат для передачи электроэнергии от производителя конечному потребителю. Кабельная линия состоит из одного или нескольких силовых кабелей с соединительными и концевыми муфтами. Прокладку кабельной линии ведут или непосредственно в земле или в специальных кабельных сооружениях.

Кабельные линии отличаются высокой эксплуатационной надежностью и дают возможность осуществления всех видов связи и каналов передачи информации, необходимых для управления перевозочным процессом железных дорог. Строительство магистральных кабельных линий позволяет резко увеличить количество каналов связи управлениями железных дорог, отделениями и станциям, дает возможность автоматизации телефонной и телеграфной связи.

Кабельные линии связи строят: при электрификации железных дорог по системе тока в качестве основной меры защиты цепей связи, автоматики и телемеханики от влияния тяговой связи; взамен воздушной линии связи при строительстве автоматической блокировки и диспетчерской централизации; при электрификации железных дорог по системе постоянного тока и строительстве главных дополнительных путей, когда конструкция воздушной линии экономически нецелесообразна; на вновь строящихся железных дорогах магистрального значения; в районах, подверженных сильным гололедом; также в районах, намеченных к электрификации по системе переменного тока на ближайшие годы.

В курсовом проекте нужно было описать план расположения основных станционных и линейных объектов района промежуточной малой станции, описать амплитудно-временную форму воздействующих на аппаратуру связи и ее узел электропитания импульсов перенапряжений и токов. Произвести расчет спектра воздействующих импульсов, расчет контура заземления здания ДСП, расчет совместных влияний аварийных режимов контактной сети, ЛЭП и воздействия на узел связи, расчет и выбор каскадной защиты от перенапряжений и расчет параметров электромагнитного экрана аппаратуры.



1. Описание плана расположения основных станционных и линейных объектов района промежуточной малой станции

Промежуточные станции предназначены для приема, отправления и пропуска поездов, приема и выдачи грузов, багажа и грузобагажа, обслуживания пассажиров. На промежуточных станциях, кроме того, осуществляется обслуживание подъездных путей, формирование отправительских маршрутов с мест погрузки, оборот пригородных составов. Так же на промежуточных станциях располагаются различные линейные и станционные объекты систем связи и сигнализации. План промежуточной станции изображен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - План промежуточной станции

Трансформаторная подстанция - электроустановка, предназначенная для приема, преобразования (повышения или понижения) напряжения в сети переменного тока и распределения электроэнергии в системах электроснабжения потребителей сельских, поселковых, городских, промышленных объектов. Состоит из силовых трансформаторов, распределительного устройства, устройства автоматического управления и защиты, а также вспомогательных сооружений.

Тяговая подстанция - в общем случае, электроустановка для преобразования и распределения электрической энергии. Тяговые подстанции предназначены для понижения электрического напряжения и последующего преобразования (выпрямления) тока (для подстанций постоянного тока) с целью передачи его в контактную сеть для обеспечения электрической энергией электровозов. Тяговые подстанции бывают постоянного и переменного тока.

Дом связи - здание, в котором находятся рабочее место ДСП и аппаратура связи.

Контактная сеть - техническое сооружение электрифицированных железных дорог, служащее для передачи электроэнергии с тяговых подстанций на электроподвижной состав. Кроме того, с помощью контактной сети обеспечивается снабжение нетяговых железнодорожных потребителей (освещение станций, переездов, питание путевого инструмента).

Антенно-фидерное устройство (АФУ) - совокупность антенны и фидерного тракта, входящая в качестве составной части в радиоэлектронное изделие, образец, комплект. АФУ используются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи сигналов радиоволны. Функция антенны заключается в излучении или приеме электромагнитных волн. Электрическое подключение антенны к источнику (потребителю) может быть непосредственным, а может осуществляться с помощью линии передачи, оснащенной радиочастотными соединителями, т.е. с помощью фидера. Функция фидера - в передаче электромагнитного колебания от радиопередатчика ко входу антенны и передаче электромагнитного колебания от антенны к радиоприемнику.

Линия электропередачи (ЛЭП) - один из компонентов электрической сети, система энергетического оборудования, предназначенная для передачи электроэнергии посредством электрического тока. Также электрическая линия в составе такой системы, выходящая за пределы электростанции или подстанции.

Рассмотрим типы кабелей для магистральной, местной связи и волноводов.

МКПАБ - магистральный кабель, с кордельно-трубчатой полиэтиленовой изоляцией, с броней из стальных лент и защитным покровом из кабельной пряжи, пропитанной битумом.

Рисунок 1.2 - Кабель МКПАБ (1 - контрольная жила, 2 - центрирующий кордель, 3 - изолированная жила четверки, 4 - сигнальная пара, 5 - поясная изоляция, 6 - алюминиевая оболочка, 7- подушка из джута, 8 - стальные ленты)

СПБП - 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.

Рисунок 1.3 - Кабель СПБП (1 - токонесущая жила; 2 - изоляция; 3 - поясная изоляция; 4 - оболочка; 5 - броня.)

Кабели ТПП применяются для эксплуатации в местных телефонных городских сетях. Отдельная пара проводов в кабеле имеет слабую скрутку. Частотный диапазон проводимости кабеля соответствует категории 2. Кабель ТПП выпускается комплектацией в 5, 10, 20, 30, 50, 100, 200, 400, 600 пар.

Рисунок 1.4 - Кабель ТПП (1 - защитный покров, 2 - подушка, 3 - оболочка, 4 - экран, 5 - поясная изоляция, 6 - гидрофобный заполнитель, 7 - изоляция, 8 - тонконесущая жила)

Волновод - искусственный или естественный направляющий канал, в котором может распространяться волна. При этом поток мощности, переносимый волной, сосредоточен внутри этого канала или в области пространства, непосредственно примыкающей к каналу. В качестве направляющей линии на ЖД используется биметаллический провод.

Рисунок 1.5 - Волновод (1 - несущая сердцевина, 2 - проводящий слой)



Во время эксплуатации линии связи подвержены электромагнитным воздействиям, создаваемым контактной сеть, ЛЭП и разрядами молнии. Молния представляет собой гигантский электрический искровой разряд между облаками и земной поверхностью, или между облаками, или между разными частями облака. Помехи, создаваемые ЛЭП, КС и разрядами молнии оказывают значительное влияние на качество связи и требуют применения защитных средств.



2. Характеристика основных источников влияния на узел связи

Источниками внешних электромагнитных влияний на цепи связи являются линии электропередачи(ЛЭП), электрифицированные железные дороги, мощные радиостанции, атмосферное электричество, индустриальные помехи, электрифицированный городской транспорт и т.д.

Линии на линии связи характерны следующие особенности:

а) разные длины влияющих, подверженных влиянию и третьих цепей;

б) пренебрежимо малое затухание высоковольтных линий по сравнению с линиями связи, подверженными влиянию;

в) необходимость учета искажения электромагнитного поля за счет других электропроводящих предметов, таких как грозозащитные тросы, железнодорожные рельсы, рядом расположенные провода и кабели, деревья и др.

Различают следующие виды внешних влияний:

а) электрические, обусловленные действием электрического поля;

б) магнитные, возникающие за счет действия магнитного поля;

в) гальванические, появляющиеся вследствие наличия земле блуждающих токов.

Также существуют еще несколько типов влияний, рассмотрим их.

Помехи при коротких замыканиях на землю.

Наиболее распространенной аварийной ситуацией в сетях электроснабжения, при которой могут создаваться опасные помехи, являются короткие замыкания (КЗ). Большие (до нескольких десятков килоампер) токи, протекающие по проводам линий электропередачи, шинопроводам и элементам заземляющего устройства (ЗУ) при КЗ способны генерировать кратковременные, но мощные (до нескольких десятков ампер на метр) магнитные поля. Такие поля способны приводить к сбоям в работе и повреждениям аппаратуры. Опасные наводки возникают в проводных цепях (в частности цепях связи) и любых металлоконструкциях, имеющих участки сближения с влияющей высоковольтной линией.

Кроме того при протекании через заземляющее устройство тока КЗ в сетях с номинальным напряжением выше 1 кВвозможно появление на нем потенциала порядка нескольких киловольт (в отдельных случаях - до нескольких десятков киловольт). При этом потенциал обычно распределяется неравномерно, что приводит к появлению опасных перепадов потенциалов как между различными точками на территории подстанции, так и между точками на подстанции и за ее пределами. Особую опасность такие перепады потенциалов представляют для цифровой аппаратуры, размещаемой непосредственно на высоковольтной подстанции (например, аппаратуры РЗА). связь электропитание перенапряжение магнитный

Протекание по ЗУ значительных токов короткого замыкания в сетях высокого напряжения приводит к возникновению перепадов потенциалов в пределах ЗУ. Средний потенциал ЗУ относительно удаленной земли также повышается. Таким образом, значительные разности потенциалов оказываются приложенными к вторичным кабелям (как проходящим в пределах ЗУ объекта, так и выходящим за его пределы) и соответствующим входам аппаратуры. Кроме того, протекание токов КЗ в силовых ошиновках и по элементам ЗУ создает магнитное поле, амплитуда которого часто составляет сотни ампер на метр. Это поле создает наводки на вторичные кабели в случае их сближения с трассой протекания тока КЗ.

Оба фактора часто действуют одновременно, вызывая значительные перенапряжения, опасные для аппаратуры и даже изоляции кабелей. Магнитное поле при КЗ опасно и для самой аппаратуры, если последняя размещается вблизи ошиновок или пути растекания тока КЗ по элементам ЗУ.



3. Описание амплитудно-временных форм, воздействующих на аппаратуру связи и её узел электропитания импульсов перенапряжений и токов

3.1 Влияние КЗ в ЛЭП 110 кВ

Временная зависимость тока однофазного короткого замыкания ЛЭП определяется по формуле (3.1):

, (3.1)

где - ток короткого замыкания ЛЭП, равный по заданию 50 кА;

- постоянная времени сети, принимающая значение 0,06 с;

щ - круговая частота, равная

,

где f=50 Гц.

На рисунке 3.1 показана временная зависимость тока однофазного короткого замыкания ЛЭП.

Рисунок 3.1 - Изменение во времени тока однофазного КЗ в ЛЭП

3.2 Влияние КЗ постоянной контактной сети

В данном курсовом проекте рассматривается контактная сеть переменного тока.

Временная зависимость тока КС переменного тока в режиме КЗ определяется по формуле (3.2):

, (3.2)

где - ток короткого замыкания КС, равный по заданию 6 кА;

Т - постоянная времени КС, принимающая значение 0,07 с;

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 Влияние грозового разряда

Временная зависимость тока молнии определяется по формуле (3.3):

, (3.3)

где - это импульс с быстрым нарастанием тока от 0 до максимума, равный 9 мкс;

- это время от условного начала до момента, когда ток молнии на кривой спада становится равных половине своей амплитуды, равное 330 мкс;

t - время;

- ток молнии, подбирается так, чтобы на графике амплитуда импульса совпадала со значением в задании, поэтому=80кА.

На рисунке 3.3 показана амплитудно-временная характеристика импульса тока молнии.

Рисунок 3.3 - Амплитудно-временная характеристика импульса тока молнии



4. Расчет спектра воздействующих импульсов

Спектральная плотность - это характеристика сигнала в частотной области, определяемая прямым преобразованием Фурье, формула (4.1):

, (4.1)

где S(t) - временная функция сигнала;

- круговая частота (=2f).

Самое важное достоинство введенного интегрального преобразования Фурье заключается в том, что решение любой практической задачи может быть перенесено с помощью спектральной плотности из временной области в частотную, и лишь на заключительном этапе расчетов результат вновь переводится во временную область с помощью обратного интегрального преобразования, формула (4.2):

, (4.2)

На рисунке 4.1 представлен спектр однофазного короткого замыкания ЛЭП.



Рисунок 4.1 - Спектр однофазного короткого замыкания ЛЭП

На рисунке 4.2 показан спектр тока КС переменного тока в режиме КЗ.

Рисунок 4.2 - Спектр тока КС переменного тока в режиме КЗ

На рисунке 4.3 представлен спектр амплитудно-временной характеристики импульса тока молнии.



Рисунок 4.3 - Спектр амплитудно-временной характеристики импульса тока молнии



5. Расчёт контура заземления здания ДСП

1. Определяем расчётное значение удельного сопротивления грунта

Для расчёта значения удельного сопротивления грунта в месте устройства заземления с учётом повышающего коэффициента К воспользуемся формулой (5.1):

, (5.1)

где - коэффициент, учитывающий изменение удельного сопротивления земли в течение года в зависимости от климатической зоны, типа, длины и глубины заложения заземлителей, равный 1,65 (выбирается в таблице [14] в методическом указании);

- удельное сопротивление грунта, полученное непосредственным изменением. В нашем случае оно равно .

.

2. Выбираем форму и размеры искусственных вертикальных электродов-заземлителей

Сопротивление одиночного вертикального заземлителя рассчитывается по формуле (5.2):

, (5.2)

где - расчётное значение удельного сопротивления грунта;

- длина вертикального электрода-заземлителя, равная 3 м;

- диаметр заземлителя, м.

t- глубина заложения заземлителя, равная расстоянию от поверхности земли до середины заземлителя, формула (5.3):

, (5.3)

где - глубина заложения полосы, равная 0,7 м.

Так как мы используем в качестве электродов угловую сталь, то её эквивалентный диаметр будет рассчитываться по формуле (5.4):

, (5.4)

где b - ширина полки уголка, равная 0,05 м.

3. Определяем число вертикальных заземлителей

Полученное значение R_вертсравниваем с наибольшим допустимым значением заземляющей конструкции R_ЗУMAX, равное 4 Ом. Так как R_верт >R_ЗУMAX, то определяем число вертикальных заземлителей. Сначала находим приближенное число заземлителей по формуле:

(5.5)

Затем определяем количество заземлителей с учётом коэффициента использования по формуле (5.6):

, (5.6)



где - коэффициент использования вертикальных заземлителей(без учёта влияния соединительной полосы), равный 0,7 (выбирается в таблице [14] в методическом указании).

4. Определяем длину соединительной полосы (горизонтальный проводник)

Для определения длины горизонтального проводника при расположении заземлителей в ряд воспользуемся следующей формулой (5.7):

, (5.7)

где а - расстояние между вертикальными электродами-заземлителями, равное 3 м.

5. Определяем сопротивление растеканию тока горизонтальной полосы

Для расчёта сопротивления растеканию тока горизонтальной полосы (без учёта экранирования между полосой и заземлителями) будем использовать формулу (5.8):

, (5.8)

где d`_экв - эквивалентный диаметр горизонтального проводника.

, (5.9)



где b_{п -} ширина соединительной полосы, равная 40 мм.

Определяем сопротивление растеканию полосы с учётом коэффициента использования по формуле (5.10):

, (5.10)

где - коэффициент использования соединительной полосы, учитывающий экранирование между полосой и заземлителем, равный 0,75 (выбирается в таблице [14] в методическом указании).

6. Определяем результирующее сопротивление растеканию группового заземлителя

Результирующее сопротивление растеканию группового заземлителя рассчитывается по следующей формуле (5.11):

, (5.11)

где , Ом



Полученное значение R_ЗУсравниваем с наибольшим допустимым значением R_ЗУMAX= 4 Ом. R_ЗУ <R_ЗУMAX, следовательно, заземляющее устройство для здания ДСП, состоящее из 7 угловых вертикальных элементов, расположенных в ряд и соединенных горизонтальным элементом, выбрано правильно.



6. Расчет влияния ЛЭП и контактной сети на аппаратуру связи

6.1 Общие сведения

На работу кабельных и воздушных линий связи (ЛС) могут оказывать неблаговременные воздействия посторонние источники влияния, к которым относятся: атмосферное электричество, линии электропередачи, контактные сети электрифицированных железных дорог (эл. ж.д) передающие радиостанции. Указанные внешние источники помех могут создавать в цепях ЛС опасные и мешающие влияния.

Опасным влиянием называется такое влияние, при котором напряжения и токи, возникающие в цепях ЛС, вызывают разрушение и повреждение станционной аппаратуры, линейных сооружений, а также создают опасность для обслуживающего персонала.

Мешающим влиянием называется такое влияние, при котором в цепях связи появляются напряжения и токи, ведущие к нарушению нормальной работы связи (появление посторонних шумов, искажение передачи и т.п.).

Наиболее распространенными источниками мешающих влияний являются линии электропередачи, контактные сети эл. ж. д., радиостанции. Источниками опасных влияний служат, главным образом, атмосферное электричество и высоковольтные линии (ВЛ), особенно при аварийном режиме. При рассмотрении влияний на цепи связи различают три режима работы:

а) нормальный режим работы - режим, при котором линия работает постоянно;

б) вынужденный режим- режим, при котором линия вынуждена работать определенный промежуток времени в режиме, отличающемся от нормального;

в) аварийный режим - возникает при нарушении нормальной работы высоковольтной линии передач, при обрыве и заземлении провода одной из трех фаз трехфазной линии передач с изолированной нейтралью возникает неуравновешенное напряжение, равное 1,73 линейного напряжения.

Высоковольтные линии и электрифицированные железные дороги могут оказывать влияние на цепи линии связи за счет электромагнитной индукции, гальванической связи и при случайном соприкосновении проводов.

При определении электромагнитных влияний учитывается раздельно электрическое и магнитное влияние. Такой метод является целесообразным по той причине, что обычно одна из составляющих значительно больше другой, поэтому малой составляющей можно пренебречь.

Кроме норм опасных напряжений, обусловленных магнитным влиянием, установлены нормы опасных напряжений и токов цепях воздушных автоматики и связи при электрическом влиянии.

Допустимые значения напряжений устанавливаются с точки зрения опасности для жизни человека и с точки зрения опасности пробоя изоляции кабеля и устройств, включенных в эти цепи.

При влиянии ЛЭП и тяговых сетей электрифицированной железной дороги в цепях связи возникают напряжения и токи различных частот, т. К. во влияющих линиях всегда действуют гармонические составляющие. Эти индуктированные напряжения и токи вызывают в телефонных каналах связи НЧ появление шумов.

6.2 Расчет магнитного влияния ЛЭП и контактной сети на цепи связи

Расчет магнитных влияний производится по следующей формуле:

(6.1)



где щ - циклическая частота питающей сети, 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

Тип кабеля	МКПАБ	ТПП	СБПБ	Волновод
	0,5	0,5	0,5	1
	0,5	1	1	1
	1	1	1	0,8

Коэффициент взаимной индукции влияющей цепи М рассчитывается по следующей формуле:

, Гн/км, (6.2)

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

- проводимость, См/м;

f - частота тока влияющей цепи, 50 Гц.

6.2.1 Расчет влияния КЗ в ЛЭП

Рассматриваемые объекты:

-МкПАБ;

-ТПП;

-СБПБ;

-волновод.

а) Рассчитаем магнитное влияние ЛЭП на МкПАБ.

Модуль взаимной индуктивности:

б) Рассчитаем магнитное влияние ЛЭП на ТПП:

Модуль взаимной индуктивности:

в) Рассчитаем магнитное влияние ЛЭП на СБПБ:

Модуль взаимной индуктивности:

г) Рассчитаем магнитное влияние ЛЭП на волновод:

Модуль взаимной индуктивности:

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



Таблица 6.2- Результат расчета

Параметры	Волновод	МКПАБ	ТПП	СБПБ
M, Гн/км	1,456*10-3	9,953*10-4	7,756*10-4	8,567*10-4
U, В	9,405*103	2,009*103	3,131*103	3,459*103

Далее рассчитываем значения влияния прямого удара молнии в ЛЭП:

Таблица 6.3- Результат расчета

Параметры	Волновод	МКПАБ	ТПП	СБПБ
M, Гн/км	4,295*10-7	4,489*10-7	4,879*10-7	4,678*10-7
U, В	7,194*104	2,35*104	5,107*104	4,897*104

Расчет значений удара молнии в КС:

Таблица 6.4- Результат расчета

Параметры	Волновод	МКПАБ	ТПП	СБПБ
M, Гн/км	6,986*10-4	2,468*10-4	7,886*10-5	1,309*10-4
U, В	7,314*107	1,292*107	8,256*106	1,37*107

6.3 Расчет гальванического влияния ЛЭП и КС

Расчет гальванического влияния производится по следующей формуле (6.3.1):

(6.3.1)

где I - ток ЛЭП или контактной сети;

- удельное сопротивление грунта, Омкм.

Гальваническое влияние ЛЭП и КС на заземляющие устройство ДСП и КТП представлены в таблице 6.5 ниже:



Таблица 6.5 - Результаты расчёта гальванического влияния.

	, В.
	Гальваническое влияние короткого замыкания
	r,км	ЛЭП	КС
ДСП	2,2	180,858	21,703
КТП	0,9	128,351	15,402



7. Расчёт и выбор элементов каскадной защиты от перенапряжения

7.1 Теоретические сведения

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).



7.2 Параметры для элементов каскадной защиты

При выполнении курсового проекта необходимо обеспечить защиту аппаратуры от перенапряжений и аварийных повышений токов в цепи. Стойкость аппаратуры по заданию со стороны электропитания 550В, стойкость аппаратуры со стороны линейных вводов 15 В, ток короткого замыкания в цепи 220В равен 340А.

7.3 Схемы защиты

Схемы защиты включают схемы защиты как информационной, так и питающей сети, то есть мы должны исключить возможность повреждения аппаратуры и со стороны питания и со стороны передающих (принимающих) выходов.

Схема комплексной защиты, представленная на рисунке 7.1, включающая газоразрядник и варистор, обеспечивает одновременную защиту, как по току, так и по напряжению. Элементы защиты представлены в таблице 7.1

Рисунок 7.1 - Схема защиты электропитания



Таблица 7.1 - Элементы защиты

Наименование	Обозначение	Маркировка	Напряжение срабатывания	Ток срабатывания
Предохранитель	F1,F2	ПН 2-400-10	-	10 А
Разрядник	P1	HGS 100 Ex IP67	400-750 В	100 кА
Варистор	RU1	V20E550L4B	550 В	-

На рисунке 7.2 представлена схема защиты волновода.

Рисунок 7.2 - Схема защиты волновода

Схема защиты со стороны линейных входов характеризуется низким выходным напряжением, которое не должно превышаться, схема защиты представлена на рисунке 7.3

Рисунок 7.3 - Схема защиты передачи данных

В таблице 7.2 представлены элементы защиты аппаратуры связи



Таблица 7.2 - Элементы защиты

Наименование	Обозначение	Маркировка	Напряжение срабатывания	Ток срабатывания
Разрядник	P1	B88069-X 720	90 В	5 A
Варистор	RU1	CN2220L8G	15 В	-
Предохранитель	F1,F2	ВП 1-1В	250 В	5 А
Супрессор	TVS1	P6KE15CA	15 В	40 A

7.4 Описание элементов защиты

7.4.1 Разрядник

Разделительный разрядник HGS 100 Ex IP67, ТУ 3428-002-79740390-2007 предназначен для уравнивания потенциалов во взрывоопасных зонах между металлическими составными частями и элементами объекта, которые не могут быть по условиям эксплуатации напрямую электрически соединены друг с другом.

HGS 100 Ex IP67, ТУ 3428-002-79740390-2007 - УЗИП на основе газонаполненного разрядника.

а) способен отводить импульсы тока Iimp (10/350)= 100 кА.

б) применяется во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок, где возможно образование паро- и газовоздушных взрывоопасных смесей категории II и групп Т 1 - Т 6 по ГОСТ Р МЭК 60079-20-1-2011, в соответствии с присвоенной маркировкой взрывозащиты 1Ex mb II T6 Gb X, ГОСТ IEC 60079-14-2011 и отраслевыми Правилами безопасности, регламентирующими применение данного оборудования во взрывоопасных зонах.

в) применяется в зонах помещений и наружных установок, опасных по воспламенению горючей пыли, в соответствии с присвоенной маркировкой взрывозащиты Ex mb IIIC T800C Db X, ГОСТ IEC 60079-14 - 2011 и отраслевыми Правилами безопасности, регламентирующими применение данного оборудования во взрывоопасных зонах.

г) для подключение разрядника применяется медный проводник сечением 25 ммІ длиной 200 мм с клеммным наконечником d=13 мм и монтажная пластина с отверстием d=13 мм.

д) по согласованию возможно изменение длины проводника.

Разделительный разрядник HGS может применяться как для внутренней, так и для наружной установки. Изображение разрядника показано на рисунке 7.4

Рисунок 7.4 - Разрядник HGS 100 Ex IP67

7.4.2 Варистор

Варисторы CN2220L8G оксидноцинковые негерметизированные, неизолированные.

Предназначены для защиты элементов и узлов аппаратуры от превышений напряжений в цепях постоянного, переменного и импульсного токов.

а) варистор Напряжение (мин): 12.75В

б) варистор Напряжение (типовое): 15В

в) варистор Напряжение питания (макс): 17.25В

г) ток - от всплесков напряжения: 1.2кА

д) количество контуров: 1

е) максимальное количество вольт переменного тока: 8В

ж) максимальное количество вольт постоянного тока: 11В

з) энергия: 4.2Дж

и) тип установки: поверхностный монтаж, MLCV

Изображение варистора показано на рисунке 7.5

Рисунок 7.5 - Варистор CN2220L8G

7.4.3 Супрессор

Технические параметры защитного диода P6KE15CA

а) пиковая мощность, 600 Вт

б) минимальное напряжение открывания, 14,3В

в) максимальное напряжение открывания, 15,8 В

г) при тестовом токе, 1 мА

д) напряжение закрывания обратное, 12,8 В

е) максимальный ток утечки при напряжении закрывания I ут., 5 мкА

ж) максимально допустимый импульсный ток, 28 А

з) максимальное напряжение защелки Uзащ, 21,2 В

и) рабочая температура, -65…175С

к) способ монтажа в отверстие

л) корпус do15

Изображение супрессора показано на рисунке 7.6

Рисунок 7.6 - Супрессор P6KE15CA



8. Расчёт параметров электромагнитного экрана аппаратуры

Объёмная плотность тока максимальна у поверхности проводника. При удалении от поверхности она убывает и на глубине становится меньше в е раз. Весь ток сосредоточен в слое толщиной , она называется толщиной скин-слоя, расчётная формула 8.1.

(8.1)

где, f - частота, Гц;

- магнитная проницаемость, Гн/м;

- магнитная проводимость, См/м.

На основании расчёта на частотах от 1 Гц до 10 МГц построим график зависимости толщины скин-слоя для алюминия от частоты, график приведён на рисунке 8.1

Рисунок 8.1 - Толщина скин-слоя



Общий коэффициент экранного затухания состоит из двух компонент: затухание поглощения и затухание отражения. Для расчёта этих коэффициентов будут использоваться формула 8.2:

(8.2)

где - волновое сопротивление воздуха (диэлектрика), Ом;

- волновое сопротивление металла, Ом;

Д - толщина экрана, 0,002 м;

- коэффициент распространения в металле.

Так как коэффициенты затухания вычисляются в Неперах, их необходимо перевести в децибелы, умножив на 20lg(e), то есть на 8,68 дБ.

Волновое сопротивление металла рассчитывается по формуле 8.3:

(8.3)

где - угловая частота, Рад/с;

- магнитная проницаемость, Гн/м;

- проводимость, См/м.

Коэффициент распространения металла рассчитывается по формуле 8.4:

(8.4)

где - угловая частота, Рад/с;

- магнитная проницаемость, Гн/м;

- проводимость, См/м.

Сопротивление магнитному полю, диэлектрика равна, с учётом формулы 8.5:

(8.5)

где - радиус экрана, равный половине пространственной диагонали экрана, 0,3 м;

- коэффициент распространения в металле.

;

- функция Ганкеля;

- функция Бесселя.

Сопротивление электрическому полю, формула 8.6:

(8.6)

где - производная от функции Ганкеля;

- производная от функции Бесселя.

Расчёты и построения графиков будут проводиться для частот от 1 до Гц, с См/м и м=1

График зависимости волнового сопротивления диэлектрика магнитному полю приведён на рисунке 8.2, остальные графики воздействия на экран приведены на рисунках 8.3-8.12



Рисунок 8.2 - Сопротивление магнитному полю

График зависимости волнового сопротивления диэлектрика электрическому полю приведён на рисунке 8.3.

Рисунок 8.3 - Сопротивление электрическому полю



Волновое сопротивление алюминия представлено на рисунке 8.4.

Рисунок 8.4 - Волновое сопротивление алюминия.

Рисунок 8.5 - Затухание поглощения



Рисунок 8.6 - Магнитная составляющая затухания отражения

Рисунок 8.7 -Электрическая составляющая затухания отражения



Рисунок 8.8 - Магнитная составляющая полного затухания

Рисунок 8.9 - Электрическая составляющая полного затухания



Заключение

В процессе выполнения курсового проекта был произведен расчет влияния внешних импульсных перенапряжений на устройства связи. Были изучены влияния аварийных режимов контактной сети, ЛЭП и воздействия молнии на цепи узла связи. Построены амплитудно-временные зависимости и спектры тока короткого замыкания в КС и ЛЭП, а также тока молнии.

По расчету заземлителя в ДСП было определено, что оптимальным будет вариант заземления из 7 угловых вертикальных элементов, расположенных в ряд и соединенных горизонтальным элементом.

Далее были рассчитаны магнитные влияния на кабели. Максимальное значение имеет влияние на волновод из-за удара молнии в контактную сеть - 7,31*10⁷ В, а наименьшее - магнитное влияние ЛЭП на МкПАБ.- 1511 В. В случае с гальваническим влиянием, наибольшее влияние оказывает ЛЭП на заземлители ДСП - 180,86 В, а наименьшее - контактная сеть на заземлители КТП - 15,40 В.

По изучении основных источников влияния на цепи узла связи, был произведен расчет и выбор элементной базы каскадной защиты, построена схема каскадной защиты аппаратуры электропитания и информационного канала.

Также производился расчет экрана аппаратуры, построены амплитудно-частотные характеристики толщины скин-слоя, магнитных и электрических составляющих затуханий экрана.



Библиографический список

1. Стандарт предприятия. СТП ОмГУПС-3.1-05

2. Бадер, М.П. Электромагнитная совместимость /Учебник для вузов железнодорожного транспорта. - М.: УМКМПС, 2002. - 638 с.

3. ГОСТ 33398-2015. Правила защиты проводной связи от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог постоянного и переменного тока.

4. Защита ОПС от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений. Электронный ресурс http://www.tzmagazine.ru/jpage.php?uid1=378&uid2=471&uid3=477

5. Разрядник - http://www.hakel.ru/production0.phtml?cat=1&scat=10&subcat=10&id=187.

6. Варистор - http://www.chipdip.ru/product/sn2-2a-820v/.

7. Супрессор - http://www.elec.ru/market/sa90-14953093247.html.

Размещено на Allbest.ru

...