Размещено на http://www.allbest.ru/

Омск 2016

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети»

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Электромагнитная совместимость и средства защиты»

Расчет влияния внешних импульсных перенапряжений на устройства связи и меры защиты

Студентка группы 23-А

Д.И. Демянюк

Руководитель - К.В. Авдеева

Реферат

ЭКРАН, ЗАТУХАНИЕ, ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ, СХЕМА ЗАЩИТЫ, КОМПОНЕНТЫ ЗАЩИТЫ, СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТУРА.

В курсовой работе «Расчёт влияния внешних импульсных перенапряжений на устройства связи и меры защиты» мы рассчитывали влияние высоких напряжений и токов на аппаратуру связи, и способы защиты от них. Разрабатывали схемы защиты представленные в курсовом проекте, так же были представлены поперечные сечения кабелей связи, схема малой станции. В заключение были произведены расчёты действия экрана, характеристики экранирования.

Содержание

Введение

1. План расположения основных объектов станции

1.1 Общие теоретические сведения

1.2 План станции

2. Характеристика основных источников влияния на узел связи

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

4. Расчёт спектра воздействующих импульсов

5. Расчёт контура заземлений

6. Расчёт совместных влияний аварийных режимов контактной сети, ЛЭП и воздействия молнии на узел связи

7. Расчёт и выбор элементов каскадной защиты от перенапряжения

7.1 Теоретические сведения

7.1.1 Амплитудно-временные формы воздействующих на аппаратуру связи импульсов перенапряжений, токов

7.1.2 Защита от перенапряжений

7.1.3 Защита от больших токов

7.1.4 Параметры для элементов каскадной защиты

7.2 Схемы защиты

8. Расчёт параметров электромагнитного экрана аппаратуры

Заключение

• Библиографический список

Введение

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:

- опасность для жизни обслуживающего персонала и абонентов ЛС;

- повреждения аппаратуры и приборов, включённых в цепи ЛС;

- 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

1.1 Общие теоретические сведения

Высоковольтные линии и электрифицированные железные дороги могут оказывать влияния на цепи линии связи (ЛС) за счет электромагнитной индукции, гальванической связи и при случайном соприкосновении проводов. На работу кабельных ЛС оказывает влияние ряд посторонних источников: линии электропередачи (ЛЭП), контактные сети электрифицированных железных дорог, атмосферное электричество (удары молний), передающие радиостанции, системы сотовой и спутниковой связей. Указанные источники создают в цепях кабельных линий опасные и мешающие влияния.

План расположения железнодорожного участка, тяговой подстанции, ЛЭП, комплектной трансформаторной подстанции (КТП), тяговой подстанции (ТП), волновода кабеля и узла связи приведён на рисунке 1.5 на странице 10.

ЛЭП переменного тока используют трёхфазный ток.

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, например, при обрыве и заземлении провода одной из фаз трехфазной линии передач с изолированной нейтралью возникает неуравновешенное напряжение, равное 1,73 линейного напряжения.

Линии электропередач и электрифицированные железные дороги часто объединяются термином высоковольтные линии (ВЛ). Под действием внешних электромагнитных полей в сооружениях связи могут возникать напряжения и токи:

а) 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;

б) мешающие, при которых возникают помехи, шумы, искажения, приводящие к нарушению нормальной работы Средств связи. Мешающими считаются: напряжение U от 1 до 2 мВ, ток I?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 ее по отношению к ЛС. Наиболее распространёнными 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.

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 гроз деятельностью 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. Гроз повреждаемость кабелей в алюминиевой оболочке, имеющей малое сопротивление, существенно меньше, чем в свинцовой и стальной оболочках.

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 Л-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 20 000 оС. Высокое напряжение на проводах линии связи 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.

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.

1.2 План станции

импульсный перенапряжение заземление связь

На плане станции рисунок 1.5 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 МКПАБ

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

ж) Волновод - кабель радиопередачи, представлен на рисунке 1.4

Рисунок 1.4 - Поперечное сечение волновода

Рисунок 1.5 - План станции

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

(2.1)

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).

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.

Рисунок 2.2 - Многократный пробой контакта при отключении

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 радиоэлектронных 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.

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.

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

Под воздействием значительной плотности тока канал главного разряда разогревается до температуры от 20 до 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).

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

3.1 Влияние короткого замыкания в ЛЭП 110кВ

(3.1)

где Т= 0,06 мс - постоянная времени;

щ - циклическая частота питающей сети, 314,16 рад/с,

Iкз - ток короткого замыкания в ЛЭП, 14 кА.

Временная форма тока короткого замыкания в ЛЭП изображена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Временная форма сигнала i1(t)

3.2 Влияние короткого замыкания постоянной контактной сети

(3.2)

где Iнач - постоянный (рабочий) ток контактной сети, равен 0,2*Iкз = 740А;

Iкз - ток короткого замыкания, 3,7 кА;

Т - период, 0,07с.

Временная форма тока короткого замыкания в КС изображена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Временная форма сигнала i2(t)

3.3 Влияние грозового разряда

(3.2)

где Imax - ток молнии, 211 кА

ф1 - фронт импульса молнии, 5 мкс

ф2 - спад импульса молнии, 240 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

По выше приведенным рисункам можно сделать вывод, что спектры токов короткого замыкания ЛЭП имеют резкий скачок на частоте 50 Гц. Это частота промышленной сети. Спектр постоянного тока в КС при увеличении частоты быстро падает (узкая ширина спектра). Также было доказано, что спектр тока молнии очень широк.

Рисунок 4.3 - Спектр тока молнии

5. Расчёт контура заземления здания ДСП

5.1 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 1,7 (выбирается в таблице [14] в методическом указании);

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

5.2 Выбираем форму и размеры искусственных вертикальных электродов-заземлителей

Сопротивление одиночного вертикального заземлителя рассчитывается по формуле:

(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:

, (5.3)

где - глубина заложения полосы, равная 0,85 м.

Так как мы используем в качестве электродов угловую сталь, то её эквивалентный диаметр будет рассчитываться так:

(5.4)

где b - ширина полки уголка, равная 0,03 м.

5.3 Определяем число вертикальных заземлителей

Полученное значение R0 сравниваем с наибольшим допустимым значением заземляющей конструкции RЗУMAX, равное 4 Ом. Так как R0>RЗУMAX, 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)

где - коэффициент использования вертикальных заземлителей (без учёта влияния соединительной полосы), равный 0,65 (выбирается в таблице [14] в методическом указании).

5.4 Определяем длину соединительной полосы (горизонтальный проводник)

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

(5.7)

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

5.5 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 bп - ширина соединительной полосы, равная 60 мм.

Определяем сопротивление растеканию полосы с учётом коэффициента использования по формуле:

(5.10)

где - коэффициент использования соединительной полосы, учитывающий экранирование между полосой и заземлителем, равный 0,72 (выбирается в таблице [14] в методическом указании).

5.6 Определяем результирующее сопротивление растеканию группового заземлителя

Результирующее сопротивление растеканию группового заземлителя рассчитывается по следующей формуле:

(5.11)

где , Ом

Полученное значение RЗУ сравниваем с наибольшим допустимым значением RЗУMAX= 4 Ом. RЗУ<RЗУMAX, следовательно, заземляющее устройство для здания ДСП, состоящее из 10 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.

Волновод имеет нулевые коэффициенты экранирования оболочки и рельса, но при его расчете вводится коэффициент экранирования пучка проводов, равный 0,8. Значения коэффициентов экранирования для различных кабелей представлены в таблице 6.1

Таблица 6.1 - Коэффициенты экранирования кабелей

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

Коэффициент взаимной индукции влияющей цепи М на контактной сети 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, 1/T = 1/0,07 = 14,28 Гц. (для ЛЭП f=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 удара молнии в КЗ в ЛЭП:

Таблица 6.2 - Результат расчета

Параметры	Волновод	МКПАБ	ТПП	СБПБ
M, Гн/км	8,698*10-5	8,958*10-5	9,204*10-5	2,736*10-5
U, В	1,703*104	8,654*103	1008	225,4

Далее рассчитываем значения магнитного влияния удара молнии в КС:

Таблица 6.3 - Результат расчета

Параметры	Волновод	МКПАБ	ТПП	СБПБ
M, Гн/км	5,426*10-4	1,432*10-4	4,702*10-5	2,242*10-5
U, В	6,937*108	6,134*107	1,791*106	3,671*105

Расчет значений удара молнии в ЛЭП:

Таблица 6.4 - Результат расчета

Параметры	Волновод	МКПАБ	ТПП	СБПБ
M, Гн/км	9,047*10-8	9,571*10-8	9,972*10-8	1,038*10-7
U, В	3,571*104	5,121*104	6,67*103	1,378*103

6.3 Расчет гальванического влияния ЛЭП и контактной сети

Примерная схема для определения расстояний от цепей влияния на цепи подверженных влиянию представлена на рисунке 6.3.1.

Рисунок 6.1 - Схема определения расстояния

Расчет гальванического влияния определяется по формуле (Н):

, В (6.3)

Расчет нужно произвести для ДСП и КТП при токе короткого замыкания в ЛЭП и КС. Длина кабеля связи, заходящего на тяговую подстанцию равна расстоянию и равна 1200 метров (ДСП). Для определения между КТП и ТП примем в расчет, что КТП ближе к ТП, чем ДСП, из этого следует что:

, м

где м - длина кабеля связи, заходящего на ТП;

м - длина кабеля электропитания от КТП до ДСП.

м.

Результаты расчетов гальванических влияний представлены в таблице 6.5.

Таблица 6.5 - Результаты расчетов гальванических влияний

Параметр	ДUДСП	ДUКТП
Контактная сеть	17,9 В	10,77 В
Линия электропередачи	69,8 В	41,89 В

Вывод: выполнив данный пункт можно заметить, что наибольшее магнитное влияние оказывает удар молнии в контактную сеть, а наименьшее - короткое замыкание в ЛЭП. В случае с гальваническим влиянием, наибольшее влияние оказывает ЛЭП на заземлители ДСП, а наименьшее - контактная сеть на заземлители КТП.

7 . Расчёт и выбор элементов каскадной защиты от перенапряжения

7.1 Теоретические сведения

7.1.1 Амплитудно-временные формы воздействующих на аппаратуру связи импульсов перенапряжений, токов

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

7.1.2 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.

7.1.3 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.

7.1.4 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 470 В, стойкость аппаратуры со стороны линейных вводов 20 В, ток короткого замыкания в цепи 220В равен 240 А.

7.2 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 7.2, включающая газоразрядник и варисторы, обеспечивает одновременную защиту как по току так и по напряжению. Элементы защиты представлены в таблице 7.1



Рисунок 7.2 - Схема защиты КТП

Таблица 7.1 - Элементы защиты

Наименование	Обозначение	Маркировка	Напряжение срабатывания	Ток срабатывания
Предохранитель	F1,F2	ПН 2-400-10	-	10 А
Разрядник	P1	L71-A470X	450 В	10 кА
Варистор	RU1	JVR-05N471K	470 В	1 мА
Варистор	RU2	JVR-05N431K	430 В	1 мА

На рисунке 7.3 представлена схема защиты радиосвязи.

Рисунок 7.3 - Схема защиты радиосвязи

Схема защиты со стороны линейных входов характеризуется низким выходным напряжением, которое не должно превышаться, схема защиты представлена на рисунке 7.4



Рисунок 7.4 - Схема защиты аппаратуры связи

В таблице 7.2 представлены элементы защиты аппаратуры связи

Таблица 7.2 - Элементы защиты

Наименование	Обозначение	Маркировка	Напряжение срабатывания	Ток срабатывания
Разрядник	P1	Р-134	60-90 В	5 A
Варистор	RU1	JVR-05N220L	22 В	1 мА
Предохранитель	F1,F2			5 А
Супрессор	TVS1	1.5KE24	19,6 В	29,5 A

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 магнитному полю

Волновое сопротивление свинца представлено на рисунке 8.4.



Рисунок 8.4 - Волновое сопротивление свинца.

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 14 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 - 388,8 кВ, а наименьшее - на кабель СБПБ короткое замыкание в КС - 232,07 В. В случае с гальваническим влиянием, наибольшее влияние оказывает ЛЭП на заземлители ДСП - 159,4 В, а наименьшее - контактная сеть на заземлители КТП - 9,7 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. Требина Е.Г. Электромагнитные влияния высоковольтных линий на цепи связи / Требина Е.Г., Костиков В.У., 1980.

2. Володина Н.А., Карякин Р.Н. Основы электромагнитной совместимости / Володина Н.А., Карякин Р.Н. Барнаул, 2007.

3. Костенко М.В. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрических железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1937

4. Б.С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники. 1987

5. http://electricalschool.info/elprivod/1624-jelektromagnitnaja-sovmestimost-pri.html - Электромагнитная совместимость

Размещено на Allbest.ru

...