Размещено на http://allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

Кафедра: «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети»

Пояснительная записка к курсовому проекту

Расчет влияния внешних импульсных воздействий на устройства связи и меры защиты

по дисциплине «Электромагнитная совместимость и средства защиты»

Выполнил: студент

О. В. Пиндюк

Руководитель: К. В. Авдеева

доцент кафедры «ТРСиС»

Омск 2016

Реферат

УДК 621.391

Курсовой проект содержит описание плана расположения основных станционных и линейных объектов района промежуточной малой станции, характеристику основных источников влияния на узел связи.

Цель курсового проекта - рассчитать влияния внешних импульсных воздействий на устройства связи и меры защиты.

В процессе выполнения проекта были использованы программные пакеты: MS Office Word, MS Office Visio, Mathcad.

Ключевые слова: контактная сеть, линия электропередачи, импульсные воздействия, устройства связи, устройства защиты, контур заземления, магнитное влияние, каскадная защита, волновод, кабель, экран.

Содержание

Введение

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

2. Характеристика основных источников влияний на узлы связи

3. Описание амплитудно-временных форм импульсов перенапряжения и токов, воздействующих на аппаратуру связи и ее узлы питания

4. Расчет спектра воздействующих импульсов

5. Расчет контура заземления здания ДСП

6. Расчет совместных влияний, аварийных режимов КС, ЛЭП и воздействие молнии на узел связи

7. Расчет и выбор элементов каскадной защиты от перенапряжения

8. Расчет параметров электромагнитного экрана аппаратуры

Заключение

Библиографический список

Введение

В настоящем времени использование электронного оборудования стало неотъемлемой частью в нашей жизни, но появилась проблема в виде различных влияний на оборудование, а также влияний оборудования друг на друга. Для эффективной работы устройств связи нужно обеспечить их бесперебойную работу. Существует несколько факторов, влияющих на непрерывную работу аппаратуры, например, защищенность от внешних импульсных воздействий. Удары молнии, скачки напряжения и тока, всё это может привести к сбою устройств.

Перенапряжение обычно возникает в результате атмосферных разрядов, коммутационных процессов в распределительных электрических сетях и коммутационных процессов силовых элементов и устройств в технологических цепях. Атмосферное перенапряжение характеризуется достаточно большой энергией и возникает при прямых ударах молнии в электроустановку или индуцируется в линиях при ударах молний вблизи от них. Частота возникновения перенапряжения вследствие атмосферных разрядов обусловлена прежде всего среднегодовым количеством грозовых дней, которых на территории России в среднем - 25. Коммутационные процессы в распределительных электрических сетях генерируют импульсы перенапряжения, которые через емкостную связь трансформаторов часто попадают из высоковольтных сетей в низковольтные. Такие процессы случаются гораздо чаще, чем атмосферные перенапряжения. Для решения этих проблем разрабатываются схемы защиты, создают качественные заземления устройств отвода от него импульсных токов, используют экранирование и т.д. Цель курсового проекта - определить влияния внешних импульсных воздействий на устройства связи, и определить меры защиты.

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

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.

Трансформаторная подстанция представляет собой такой вид электроустановки, который необходим для получения напряжения, а также для повышения или же его понижения в сети переменного тока. Данная подстанция позволяет необходимым образом распределять электроснабжения различных объектов, таких видов как сельский, поселковый, городской и промышленный.

КТП - Комплектная трансформаторная подстанция. Электроустановка, предназначенная для приема, преобразования напряжения в сети переменного тока и распределения электроэнергии в системах электроснабжения потребителей сельских, поселковых, городских, промышленных объектов.

Тяговая подстанция служит для преобразования и распределения электрического тока в целях обслуживания электротранспорта. Подстанции подразделяются по виду выдаваемого в контактную сеть электрического тока: постоянного и переменного - от того, какой именно вид использует электротранспорт: электровозы наземных железных дорог, метрополитена, трамваи или троллейбусы.

Тяговая подстанция может обеспечивать электротоком и других потребителей, не только железную дорогу. Тяговая подстанция может быть стационарной или передвижной.

Контактная сеть предназначена для передачи электрической энергии от тяговых подстанций к электроподвижному составу и должна обеспечить надежный токосъем при наибольших скоростях движения в любых атмосферных условиях.

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.

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

ДСП - (Д) - Движение, (С) - Станция, (П) - помощник, дежурный по станции единолично распоряжается движением поездов на станции и прилегающих к ней перегонах.

Рассмотрим типы кабелей для магистральной, местной связи и волноводов.

СБПБ - 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 1.1 - Кабель СБПБ (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 1.2 - Кабель ТПП (1 - защитный покров, 2 - подушка, 3 - оболочка, 4 - экран, 5 - поясная изоляция, 6 - гидрофобный заполнитель, 7 - изоляция, 8 - токонесущая жила)

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



Рисунок 1.3 - 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)

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 1.4 - Волновод (1 - несущая сердцевина, 2 - проводящий слой)

Тяговая сеть электрифицированных дорог, обладая большой электрической мощностью, оказывает нежелательное воздействие на линии связи, проходящие в непосредственной близости от железной дороги, и даже может нарушить нормальную работу линии связи. Ток, проходящий в контактной сети, оказывает электромагнитное влияние на проложенные вблизи и отключенные участки контактной сети соседних путей, воздушные линии связи и СЦБ, сети низкого напряжения, металлические сооружения, надземные и подземные трубопроводы. Электрическое влияние тока на металлические сооружения, не связанные с землей, возникает из-за наличия в пространстве, окружающем контактную сеть, электрического поля. Также 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 влияний на узлы связи

Импульсные воздействия - это короткие (десятки микросекунд) импульсы высокой энергии, возникающие на входах электронного оборудования объекта связи.

Удары молнии. Ток молнии обычно составляет десятки и даже сотни килоампер, то есть часто превосходит ток КЗ. Важной особенностью грозовых разрядов является то, что их воздействию подвергаются отнюдь не только электростанции, подстанции и промышленные предприятия. Обычный узел связи и управления в городской черте может оказаться не менее уязвимым. В первую очередь это касается объектов, оснащенных мачтами радиосвязи (на крыше или рядом со зданием).

Обследование ряда таких объектов показало, что растекание тока молнии часто происходит по элементам систем заземления и питания информационной техники либо вблизи от нее. Часто значительная часть тока молнии (в отдельных случаях от 80-100%) стекает по экранам коаксиальных кабелей непосредственно на узел связи.

Грозовой разряд является наиболее мощным источником импульсных перенапряжений. Во время разряда молнии в ее стволе возникают огромные токи, при протекании которых возникают опасные потенциалы напряжений. Системы молниезащиты, включающие в свой состав молниеотводы и заземления, предназначены для защиты зданий и людей от поражения электрическим током, но не для защиты электронной аппаратуры. О реальной защите от разряда молнии можно говорить в случае, если расстояние до него составляет хотя бы сотни метров.

Коммутационные внешние воздействия. Основным их источником являются переходные процессы при следующих операциях в электросети: включение и отключение потребителей электроэнергии (электродвигатели, лампы накаливания и дневного света, компьютеры и др. аппаратура); включение и отключение цепей с большой индуктивностью (трансформаторы, пускатели и т. д.); аварийные короткие замыкания в сети низкого напряжения и их последующее отключение защитными устройствами; аварийные короткие замыкания в сети высокого напряжения и их последующее отключение защитными устройствами; включение и отключение электросварочных установок.

Источником импульсных помех является городской электрифицированный транспорт, включая метро, а также электрифицированные железные дороги.

Перенапряжения и провалы напряжения в сети питания. Причины возникновения перенапряжений в сетях питания обусловлены, прежде всего, низким качеством электросетей и невысокой культурой энергопотребления. Поэтому подчеркнем лишь наиболее типичные проблемы электроснабжения. Перенапряжения в электросети выводят из строя стандартные простые схемы защиты от импульсных помех (варисторы и т. д.), импульсные блоки питания. электропередача связь заземление

Электростатический заряд, накапливающийся при работе технологического оборудования интересен тем, что хоть и имеет небольшую энергию, но разряжается в непредсказуемом месте [7].

3. Описание амплитудно-временных форм импульсов перенапряжения и токов, воздействующих на аппаратуру связи и ее узлы питания

Грозовые разряды - молнии вызываются электрическими зарядами, которые в больших количествах накапливаются в облаках. Протяженные воздушные и кабельные линии разного назначения 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.

Амплитудно-временная форма главной стадии тока молнии на входах ВЗУ по заданию - 7/700 мкс. В качестве основной берется главная стадия амплитуды тока молнии, которая длится до 100 мкс. На рисунке 3.1 представлен график изменения тока молнии во времени. 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 3.1 - Изменение тока молнии (одиночного разряда) во времени

Приведем характеристики разрядов молнии.

Рисунок 3.2 - Модель волны импульса тока молнии



Рисунок 3.3 - Кривая вероятности токов молнии

Влияние короткого замыкания в ЛЭП 110 кВ

Ток КЗ в ЛЭП рассчитаем по формуле:

, (3.1)

где I_К.З - ток короткого замыкания в ЛЭП 110 кВ, I_К.З=25 кА,

Т_с - постоянная времени, Т_с =0,07 с,

? - угловая частота, ?=314 рад/сек.

Воспользуемся формулой (3.1) и построим график зависимости i₁(t).

Рисунок 3.4 - Форма тока КЗ в ЛЭП 110 кВ

По графику можно сделать вывод, что период восстановления сигнала после КЗ в ЛЭП 110 кВ составляет 0,1 с при амплитуде тока 47 кА.

Влияние короткого замыкания контактной сети: Ток КЗ в КС рассчитаем по формуле:

, (3.2)

где I_К.З - ток короткого замыкания в КС, I_К.З=2,1 кА,

Т_с - постоянная времени, Т_с=0,07 с,

? - угловая частота, ?=314 рад/сек.

Воспользуемся формулой (3.2) и построим график зависимости i₂(t).

Рисунок 3.5 - График влияния КЗ контактной сети переменного тока на аппаратуру связи.

По графику можно сделать вывод, что период восстановления сигнала после КЗ контактной сети составляет 0,1 с при амплитуде тока 39 кА.

Влияние грозового разряда: Ток молнии рассчитаем по формуле:

, (3.3)

где I_max - амплитуда тока молнии,

I_max=76 кА,

- длительность фронта,

мкс.

Воспользуемся формулой (3.3) и построим график зависимости i₃(t).

Рисунок 3.6 - График влияния тока молнии на аппаратуру связи.

По графику можно сделать вывод, что период восстановления сигнала после КЗ контактной сети составляет 10^-8 с при амплитуде тока 76 кА.

4. Расчет спектра воздействующих импульсов

С помощью программы Mathcad и ее функции fft(i) получила спектры каждого из влияний пункта 3.

Рисунок 4 - Спектральная характеристика КЗ в ЛЭП 110 кВ

Рисунок 4.2 - Спектральная характеристика КЗ контактной сети переменного тока



Рисунок 4.3 - Спектральная характеристика прямого удара молнии в логарифмическом масштабе

Проанализировав рисунки, можно сделать следующий вывод: в КС на переменном токе и ЛЭП (рисунок 4.1, рисунок 4.2) ярко выражена гармоника 50 Гц. Спектр тока молнии широк. Это значит, что подтверждается факт наибольшей опасности грозового разряда, нежели КЗ.

5. Расчет контура заземления здания ДСП

Заземление - преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.

Для каждой системы заземления (TN-C, TN-S, TN-C-S, TT и IT) существуют свои требования к сопротивлению заземляющего устройства.

Сопротивление ЗУ зависит от: типа грунта, структуры грунта, состояния грунта, глубины залегания электродов, количества электродов, свойств электродов.

Контур заземления - это соединенные между собой, горизонтальные и вертикальные электроды, которые заложены на определенной глубине в грунте.

Все свойства грунта определяются его сопротивлением растекания тока. И чем это сопротивление меньше, тем лучше для монтажа контура заземления.

Контур заземления обычно представляет собой группу соединенных вертикальных электродов небольшой глубины, смонтированных около объекта на относительно небольшом взаимном расстоянии друг от друга.

Определяем расчетное значение удельного сопротивления грунта в месте устройства заземления с учетом повышающего коэффициента К по формуле:

, (5.1)

где - удельное сопротивление грунта, полученное непосредственным измерением;

К - коэффициент, учитывающий изменение удельного сопротивления земли в течении года в зависимости от климатической зоны, типа, длины и глубины заложения заземлителей.

Для первой климатической зоны и вертикальных заземлителей длиной l=3м, К=1,65, тогда:

Ом.

Выбираем форму и размеры искусственных вертикальных электродов-заземлителей.

Сопротивление одиночного вертикального заземлителя рассчитывается по формуле:

, (5.2)

где l - длина вертикального электрода-заземлителя, м;

d - диаметр заземлителя, d=40 мм.

t=t_п+l/2, (5.3)

где t - глубина заложения заземлителя, равная расстоянию от поверхности земли до середины заземлителя,

t_п - глубина заложения полосы, t_п=0,7м.

Рассчитаем глубину заложения заземлителя:

t=0,7+3/2=2,2 м.

Подставив значение в выражение сопротивления одиночного вертикального заземлителя, получим:

Ом.

Полученное значение R_верт сравниваем с наибольшим допустимым значением R_н=4 Ом. Т.к R_верт> R_н, определяем число вертикальных заземлителей. Сначала находим число приближенных заземлителей по формуле:

. (5.4)

Подставив значение в выражение числа приближенных заземлителей, получим:

.

округляем до 15.

Затем определяем количество заземлителей с учетом коэффициента использования по формуле:

, (5.5)

где - коэффициент использования вертикальных заземлителей (без учета влияния соединительной полосы), при помощи которого учитывается явление взаимного экранирования электрических полей отдельных электродов.

Подставив значение в выражение количества заземлителей, получим:

.

Выбираем равное 22 (наибольшее значение).

Определяем длину соединительной полосы при расположении заземлителей в ряд по формуле:

, (5.6)

где а - расстояние между электродами, а=3м.

м.

Определяем сопротивление растекания тока горизонтальной полосы по формуле:

. (5.7)

Подставив значения в выражение сопротивления растекания тока горизонтальной полосы, получим:

Ом.

Определяем сопротивление растеканию полосы с учетом коэффициента использования по формуле:

, (5.8)

где- коэффициент использования соединительной полосы, учитывающий экранирование между полосой и заземлителем, равный 0,52.

Подставив значения в выражение сопротивления растеканию полосы, получим:

Ом.

Определяем результирующее сопротивление растеканию группового заземлителя:

. (5.9)

Сначала рассчитаем R'_верт:

. (5.10)

Подставив значения в выражение в R'_верт, получим:

Ом.

Подставив значения в выражение результирующего сопротивления растеканию группового заземлителя, получим:

Ом.

Полученное значение сравниваем с наибольшим допустимым значением = 4 Ом. < , следовательно, заземляющее устройство выбрано правильно [6].

6. Расчет совместных влияний, аварийных режимов КС, ЛЭП и воздействие молнии на узел связи

На работу кабельных и воздушных линий связи (ЛС) могут оказывать воздействия ЛЭП, атмосферное электричество, контактные сети электрифицированных ЖД, передающие радиостанции. Они могут создавать в цепях ЛС опасные и мешающие влияния.

Опасное влияние - 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.

Мешающее влияние - 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 ЛЭП, контактные сети ЖД, радиостанции. Высоковольтные линии и электрифицированные ЖД могут оказывать влияние на цепи линии связи за счет электромагнитной индукции, гальванической связи и при случайном соприкосновении проводов.

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.

При проектировании линий сильного тока или линии АТиС необходимо размещать их трассы таким образом, чтобы избежать появления в этих цепях индуктированных напряжений и токов, превышающих допустимые величины. Если сделать это нельзя, по местным условиям или по экономическим соображениям, то применяются меры защиты.

Таблица 6.1 - Меры защиты

Меры защиты от влияний
Опасного	Мешающего
Уменьшение времени КЗ, снижение тока КЗ, подвеска защитных тросов, заключение в контактную сеть отсасывающих трансформаторов.	Транспозиция проводов, подвеска защитных тросов, отсасывающих трансформаторов, включение в контактную сеть фильтров.

Расчет магнитного влияния ЛЭП и КС на цепи связи. Расчет магнитных влияний производится по следующей формуле:

,(6.1)

где щ - угловая частота, рад/с,;

М - модуль взаимной индуктивности, Гн/м,

I_К.З - ток короткого замыкания, A,

S_p - коэффициент экранирования рельсов,

S_к - коэффициент экранирования обмотки кабеля,

S_п - коэффициент экранирования провода,

l - длина кабеля, м.

Модуль взаимной индуктивности рассчитывается по формуле:

, (6.2)

где f - частота, f=50 Гц, - удельная проводимость, =1/с, См/м,

а - расстояние между ЛЭП и кабелем, м.

Таблица 6.2 - Величина коэффициентов экранирования

	Sр	Sк	Sп
МКПАБ	0,5	0,5	1
ТПП	1	0,5	1
СБПБ	1	0,5	1
Волновод	1	1	0,8

Рассчитаем магнитное влияние ЛЭП на МКПАБ, ТПП, СБПБ.

Исходные данные: I_К.З=25 кА;

длина кабеля связи, заходящего на тяговую подстанцию 1,6 км;

длина магистрального кабеля связи 20 км;

длина кабеля электропитания от КТП до узла связи 0,71 км;

расстояние от ЛЭП до МКПАБ 290 м;

расстояние от ЛЭП до ТПП 280 м;

расстояние от ЛЭП до СБПБ 270 м;

расстояние от ЛЭП до волновода 301 м.

Для примера выполним расчет магнитного влияния ЛЭП на МКПАБ

Рассчитаем модуль взаимной индукции для кабеля МКПАБ по формуле (6.2):

Гн/км.

Подставим данные в формулу (6.1):

.

По аналогии выполним расчет для ТПП, СБПБ, волновода и занесем в таблицу.

Таблица 6.3 - Влияние КЗ в ЛЭП на разные типы кабеля

	Значение модуля взаимной индукции, M, Гн/км	Значение Um, В
МКПАБ	2,726·10-4	10700
ТПП	2,792·10-4	778
СБПБ	2,86·10-4	1797
Волновод	2,656·10-4	25040

Рассчитаем магнитное влияние КС на МКПАБ, ТПП, СБПБ и волновод.

Исходные данные:

I_К.З=2,1 кА;

длина кабеля связи, заходящего на тяговую подстанцию 1,6 км;

длина магистрального кабеля связи 20 км;

длина кабеля электропитания от КТП до узла связи 0,71 км;

расстояние от КС до МКПАБ 10 м;

расстояние от КС до ТПП 20 м;

расстояние от КС до СБПБ 30 м;

расстояние от КС до волновода 1 м.

Расчет выполним аналогично расчету магнитного влияния ЛЭП на цепи связи и занесем значения в таблицу.

Таблица 6.4 - Влияние КЗ в КС на разные типы кабеля

	Значение модуля взаимной индукции, M, Гн/км	Значение Um, В
МКПАБ	9,39·10-4	3098
ТПП	8·10-4	188
СБПБ	7,196·10-4	1543
Волновод	1,4·10-3	11080

Рассчитаем влияние прямого удара молнии в ЛЭП на МКПАБ, ТПП, СБПБ. Выполним расчет по аналогии с расчетом магнитного влияния КЗ в ЛЭП. Для этого изменим в формуле 6.1 ток КЗ на ток молнии I_м=76 кА, частоту найдем по формуле:

, (6.3)

где - длительность фронта, = 7 мкс.

Таблица 6.4 - Влияние прямого удара в ЛЭП на разные типы кабеля

	Значение модуля взаимной индукции, M, Гн/км	Значение Um, В
МКПАБ	1,978·10-6	1,7·105
ТПП	2,12·10-6	1,1·104
СБПБ	2,278·10-6	3,1·104
Волновод	1,837·10-6	3,8·105

Рассчитаем влияние прямого удара молнии в КС на МКПАБ, ТПП, СБПБ. Выполним расчет по аналогии с расчетом магнитного влияния КЗ в ЛЭП. Для этого изменим в формуле 6.1 ток КЗ на ток молнии I_м=76 кА, частоту найдем по формуле (6.3).

Таблица 6.5 - Влияние прямого удара молнии в КС на разные типы кабеля

	Значение модуля взаимной индукции, M, Гн/км	Значение Um, В
МКПАБ	2,88·10-4	2,5·107
ТПП	1,65·10-4	9,9·105
СБПБ	1,1·10-4	1,4·106
Волновод	7,43·10-4	1,5·108

Расчет гальванического влияния ЛЭП и КС: Гальваническое влияние при КЗ в КС

Рассчитаем гальваническое влияние по формуле:

, (6.4)

где I_К.З - ток короткого замыкания, I_К.З=2,1 кА,

- удельное сопротивление грунта, =100 Ом·м,

r - расстояние между заземлителями.

Влияние на ЗУ ДСП рассчитаем по формуле (6.4):

r=l_тпп=710 м.

В.

Влияние на ЗУ КТП рассчитаем по формуле (6.4):

r= l_тпп + l_сбпб =2310 м.

В.

Самое большое гальваническое влияние при КЗ в КС на ЗУ ДСП.

Гальваническое влияние при КЗ в ЛЭП рассчитаем по формуле (6.4):

Влияние на ЗУ ДСП

r= 710 м.

В.

Влияние на ЗУ КТП рассчитаем по формуле (6.4):

r= 2310 м.

В.

Самое большое гальваническое влияние при КЗ в ЛЭП на ЗУ ДСП, а магнитному влияние больше всего подвергается волновод.

7. Расчет и выбор элементов каскадной защиты от перенапряжения

Варисторы - нелинейные сопротивления, значения которых зависят от напряжения. Обладают свойством резко уменьшать свое сопротивление с единиц ГОм до десятков Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой величины. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление уменьшается ещё сильнее. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Варисторы обладают крайне полезным для электрических цепей качеством. Они способны резко менять свое сопротивление при превышении напряжения определенного порога срабатывания.

В случае возникновения импульса напряжения, способного вывести из строя электронное устройство, варистор практически мгновенно уменьшает свое сопротивление, то есть закорачивает цепь питания, поэтому перед варистором всегда ставится плавкий предохранитель.

Варистор подключается параллельно цепи питания. При отсутствии опасных импульсов напряжения ток, протекающий через варистор, имеет небольшую величину, и варистор представляет собой диэлектрик и абсолютно не влияет на работу схемы. Варистор не обладает инерцией, поэтому после «срезания» импульса он мгновенно снова приобретает очень большое сопротивление.

Рисунок 7.1 - Условное обозначение варистора

Варисторы широко применяются в промышленном оборудовании и приборах бытового назначения:

- для защиты полупроводниковых приборов: тиристоров,диодов,

- для электростатической защиты входов радиоаппаратуры;

- для защиты от электромагнитных всплесков в индуктивных элементах;

- как элемент искрогашения в электромоторах и переключателях.

Основные параметры варисторов:

а) классификационное напряжение Un - напряжение при определённом токе (обычно 1 мА), условный параметр для маркировки изделий;

б) максимально допустимое напряжение Um для постоянного тока и для переменного тока (среднеквадратичное или действующее значение), диапазон - от нескольких В до нескольких десятков кВ; может быть превышено только при перенапряжениях;

в) номинальная средняя рассеиваемая мощность P - мощность в ваттах (Вт), которую варистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении параметров в заданных пределах;

г)максимальный импульсный ток в амперах (А), для которого нормируется время нарастания и длительность импульса;

д) максимальная допустимая поглощаемая энергия в джоулях (Дж), при воздействии одиночного импульса;

ж) емкость C_o, измеренная в закрытом состоянии при заданной частоте, зависит от приложенного напряжения - когда варистор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля [3].

Используемые варисторы:

а) защита устройств связи

TVR05180

1) классификационное напряжение 18 В;

2) напряжение срабатывания среднеквадратичное - 11 В;

3) напряжение срабатывания на постоянном токе - 14 В;

4) поглощаемая энергия - 0,4 Дж:

5) максимальный импульсный ток - 250А.

б) защита устройств питания

TVR20391

1) классификационное напряжение - 390 В (при токе 1 мА);

2) напряжение срабатывания - 650В;

3) поглощаемая энергия - 180 Дж;

4) емкость 800 пФ;

5) максимальный импульсный ток - 6500А;

6) ток срабатывания - 100 А.

Разрядник - это электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях.

В электрических сетях часто возникают импульсные всплески напряжения, вызванные коммутациями электроаппаратов, атмосферными разрядами или иными причинами.

Несмотря на кратковременность такого перенапряжения, его может быть достаточно для пробоя изоляции и, как следствие, короткого замыкания, приводящего к разрушительным последствиям.

Для того, чтобы устранить вероятность короткого замыкания, можно применять более надежею изоляцию, но это приводит к значительному увеличению стоимости оборудования. В связи с этим в электрических цепях целесообразно применять разрядники.

Один из электродов крепится на защищаемой цепи, второй электрод заземляется. Пространство между электродами называется искровым промежутком.

При определенном значении напряжения между двумя электродами искровой промежуток пробивается, снимая тем самым перенапряжение с защищаемого участка цепи. Одно из основных требований, предъявляемых к разряднику - гарантированная электрическая прочность при промышленной частоте [4].

Рисунок 7.2 - Условное обозначение разрядника (газонаполненного) двух- и трехэлектродного

Основные параметры:

а) номинальное напряжение сети, для работы в которой предназначен разрядник;

б) номинальное напряжение -- это действующее максимальное напряжение промышленной частоты, при котором гарантируется надежное гашение дуги разрядника.

в) импульсное пробивное напряжение при предельном разрядном времени 2-20 мкс. Эта характеристика определяет величину напряжения, которое будет действовать на изоляцию электроустановки до срабатывания разрядника;

г) остаточное напряжение на разряднике -- напряжение, остающееся на разряднике после его срабатывания при протекании по нему импульса тока заданной формы и длительности;

д) токовая пропускная способность -- показывает, сколько импульсов заданной формы пропустит разрядник без ухудшения своих характеристик;

е) длина пути утечки внешней изоляции -- характеризует длину пути утечки тока по внешнему изолятору.

Используемые разрядники:

а) защита устройств связи

Тип РВП 10

1) номинальное напряжение - 10 кВ;

2) пробивное напряжение (при 50 Гц) - 25 кВ;

3) пробивное импульсное напряжение - 50 кВ;

4) наибольшее допустимое напряжение на разряднике по отношению к земле не более 12,38 кВ;

5) Импульсное пробивное напряжение при времени разряда более 1 мкс - 50 кВ;

6) Остающееся напряжение при импульсном токе 3000 А не более 50 кВ.

б) защита питания

Epcos B88069X-5451-B201

1) пробивное напряжение - 800 кВ;

2) импульсный ток разряда - 50 кА.

Один из классов полупроводниковых диодов в нашей литературе называется ПОН (полупроводниковый ограничитель напряжения) или супрессор. В зарубежной технической литературе используется название TVS-диод (Transient Voltage Suppressor).

В технической литературе и в среде общения радиолюбителей супрессор могут называть по-разному: защитный диод, ограничительный стабилитрон, TVS-диод, ограничитель напряжения, ограничительный диод. Супрессоры можно встретить в импульсных блоках питания - там они служат защитой от перенапряжения питаемой схемы при неисправностях импульсного блока питания.

Супрессоры были созданы для защиты промышленной аппаратуры от разрядов атмосферного электричества. В условиях эксплуатации электронных приборов как промышленного, так и бытового назначения большое значение придается именно защите этих приборов именно от природных электрических импульсов.

У TVS-диодов ярко выраженная нелинейная ВАХ. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа диода, то он перейдет в режим лавинного пробоя. То есть TVS-диод ограничит импульсные напряжения до нормальной величины, и «излишки» уходят на корпус (землю) через диод. До тех пор, пока не возникает угроза выхода из строя электронного прибора, TVS-диод не оказывает никакого влияния на работу техники. У этого полупроводникового прибор более высокое быстродействие по сравнению с ограничителями, которые использовались раньше.

Большим минусом этих диодов можно считать большую зависимость максимальной импульсной мощности от длительности импульса. Обычно рассматривается работа TVS-диода при подаче на него импульса с минимальным временем нарастания порядка 10 микросекунд и малой длительностью [2].

Рисунок 7.3 - Условное обозначение супрессора

Основные параметры:

а) максимальная импульсная рассеиваемая мощность;

б)максимальное рабочее напряжение, при котором протекающий в течении длительного времени ток не вызывает выхода защищаемого компонента;

в) напряжение, при котором происходит резкое увеличение протекающего тока;

г) напряжение срабатывания, характеризуется максимальным увеличением тока через прибор;

д) пиковый ток в режиме срабатывания;

е) температурный коэффициент;

ж) типовая емкость.

Используемые супрессоры:

а) защита устройств связи

Тип 1.5KE6V8СА

1) максимальная импульсная рассеиваемая мощность - 1.5кВт;

2) максимальное рабочее напряжение - 5,8 В;

3) напряжение срабатывания - 10,5 В;

4)напряжение, при котором происходит резкое увеличение протекающего тока - 6,8В;

5) пиковый ток в режиме срабатывания - 143 А;

6) типовая емкость - 9500 пФ;

7) температурный коэффициент - 5,7•10^-4/°С.

б) защита питания

Тип 1.5KE300CA

1) максимальное импульсная рабочее напряжение - 256 В;

2) напряжение срабатывания - 414 В;

3) напряжение, при котором происходит резкое увеличение протекающего тока - 285В;

4) пиковый ток в режиме срабатывания - 5 А;

5) типовая емкость - 500 пФ;

6) температурный коэффициент - 11•10^-4 /°С.

Предохранитель - это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

Предохранитель включается последовательно с потребителем электрического тока и разрывает цепь тока при превышении им номинального тока, - тока, на который рассчитан предохранитель.

По принципу действия при разрыве тока в защищаемой цепи предохранители разделяются на четыре класса - плавкие, электромеханические, электронные и использующие нелинейные обратимые свойства по изменению сопротивления после воздействия экстратока у некоторых проводящих полупроводниковых материалов (самовосстанавливающиеся предохранители).

В плавких предохранителях при превышении тока свыше номинального происходит разрушение токопроводящего элемента предохранителя (расплавление, испарение), традиционно этот процесс называют «перегоранием» или «сгоранием» предохранителя.

Используемые предохранители: ПН2-250-125А, ПНО 37 на 1А и 5А.

Схемы защиты. Для защиты линейного и станционного оборудования цепей необходимо использовать блок защиты, схема которого представлена на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4 - Схема блока защиты

Блокзащита на рисунке (7.4) состоит из двух модулей: первой и второй ступеней защиты. Модули второй ступени защиты представлены на рисунках (7.5, 7.6.).

Схема защиты аппаратуры представлена на рисунке (7.5), которая состоит из предохранителей (F1, F2, F4, F3), разрядника (PT1), варистора(RU1), супрессора(VD1) и катушек индуктивности(L1, L2, L3, L4).

Рисунок 7.5 - Схема защиты аппаратуры со стороны линейных вводов

Схема защиты электропитания представлена на рисунке (7.6), которая состоит из предохранителей (F7, F8, F5, F6), разрядника (PT2), варистора (RU2), супрессоров (VD3, VD2) и катушек индуктивности(L5, L6, L7, L8).

Рисунок 7.6 - Схема защиты электропитания

Рисунок 7.7 - Схема защиты волновода

8. Расчет параметров электромагнитного экрана аппаратуры

Электромагнитный экран - это металлическая оболочка, которая используется для исключения влияния экранированного оборудования на другие приборы и людей.

Путем окружения такой оболочкой источника переменного электромагнитного поля можно исключить влияние этого источника на устройства, расположенные вне оболочки.

Чем выше частота и толщина стенок экрана, тем экранирующее действие выше.

Эффективное экранирующее действие достигается при толщине стенок, которая равна длине волны в веществе экрана.

Объясняется это тем, что на таком расстоянии происходит фактически полное затухание волны.

На практике считается, что затухание происходит уже на расстоянии, в два-три раза меньшем по сравнению с длиной.

Что касается частоты, то при ее увеличении уменьшается глубина проникновения (длина волны) электромагнитного поля в проводнике.

Под электромагнитным экранированием понимается комплекс мер, ограничивающих область распространения электромагнитных волн (сигналов).

Это необходимо для:

а) обеспечения защиты людей от недопустимого для человеческого организма уровня электромагнитного воздействия;

б) исключения негативного взаимовлияния (создания индустриальных радиопомех) различных передающих и приемных радиоэлектронных устройств;

в) защиты информации в помещениях и технических каналах от несанкционированного съема;

г) обеспечения благоприятной электромагнитной обстановки вокруг работающих электроустановок и сверхвысокочастотных устройств [3].

Поверхностный эффект, скин-эффект - эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды.

В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.[3]

Глубину проникновения рассчитаем по формуле:

, (8.1)

где f - частота, Гц,

µ_m - магнитная проницаемость металла, Гн/м,

?_m - проводимость металла, ?_m=34•10⁶ См/м.

µ_m=µ•µ₀, (8.2)

где µ - магнитная проницаемость алюминия, равная 1 Гн/м,

µ₀ - магнитная постоянная, равная 4•р•10^-7 Гн/м.

Рассчитаем магнитную проницаемость по формуле (8.2):

µ_m=1•4•р•10^-7=4•р•10^-7 Гн/м.

Воспользуемся формулой (8.1) и построим график зависимости глубины проникновения от частоты:



Рисунок 10 - Зависимость глубины проникновения от частоты

Общий коэффициент экранного затухания рассчитаем по формуле:

А_э=А_р+А₀, (8.3)

где А_р - затухание поглощения, Нп,

А₀ - затухание отображение, Нп.

Затухание поглощения найдем по формуле:

, (8.4)

где г_m - постоянная распространения в металле, 1/м,

? -толщина экрана, равная 0,9 мм.

Затухание отображения найдем для магнитного и электрического полей отдельно, изменяя Z_g, по формуле:

, (8.5)

где Z_g -волновое сопротивление диэлектрика (воздуха), Ом,

Z_m - волновое сопротивление металла, Ом.

Постоянную распространения в металле найдем по формуле:

. (8.6)

Волновое сопротивление металла найдем по формуле:

. (8.7)

Волновое сопротивление диэлектрика зависит от магнитного и электрического, поэтому посчитаем его для разных случаев.

Для магнитного поля рассчитаем волновое сопротивление по формуле:

, (8.8)

где г_g - постоянная распространения в диэлектрике, 1/м,

r_э - радиус экрана, равный 0,3 м.

Постоянную распространения рассчитаем по формуле:

, (8.9)

где - электрическая постоянная вакуума, =8,85•10^-12 Ф/м.

Для электрического поля рассчитаем волновое сопротивление по формуле:

, (8.10)

где Z₀ - волновое сопротивление.

Волновое сопротивление найдем по формуле:

. (8.11)

Ом.

Воспользуемся формулой (8.8) и построим график зависимости волнового сопротивления диэлектрика магнитного поля от частоты.

Рисунок 8.2 - Зависимость волнового сопротивления диэлектрика магнитного поля от частоты

Воспользуемся формулой (8.10) и построим график зависимости волнового сопротивления диэлектрика электрического поля от частоты.

Рисунок 8.3 - Зависимость волнового сопротивления диэлектрика электрического поля от частоты

Воспользуемся формулой (8.7) и построим график зависимости волнового сопротивления металла от частоты.

Рисунок 8.4 - Зависимость волнового сопротивления металла от частоты

Воспользуемся формулой (8.4) и построим график зависимости затухания поглощения от частоты.

Рисунок 8.5 - Зависимость затухания поглощения от частоты

Воспользуемся формулой (8.5) и построим графики зависимости затухания отображения от частоты для магнитного и электрического полей.

Рисунок 8.6 - Зависимость затухания отображения от частоты для магнитного поля



Рисунок 8.7 - Зависимость затухания отображения от частоты для электрического поля

Воспользуемся формулой (8.3) и построим графики зависимости общего коэффициента экранного затухания от частоты для магнитного и электрического полей.

Рисунок 8.8 - Зависимость общего коэффициента экранного затухания от частоты для магнитного поля



Рисунок 8.9 - Зависимость общего коэффициента экранного затухания от частоты для электрического поля

Чтобы уменьшить влияние на сигнал в кабеле внешних помех, минимизировать утечки полезного сигнала из кабеля, для уменьшения воздействий высокочастотных помех на кабели и провода, для снижения электромагнитных излучений от кабелей и проводов, используются экраны для кабелей.

Заключение

Курсовой проект включает в себя описание плана расположения станционных и линейных объектов, районов промежуточной малой станции и различных типов кабелей, используемых на этой станции.

Были рассмотрены основные характеристики источников влияния на узлы связи, амплитудно-временные форма и спектры воздействующих импульсов, характеристики тока молнии.

Был произведен расчет контура заземления, который имеет значение менее чем 4 Ома. Расчет совместных влияний, аварийных режимов контактной сети, ЛЭП и воздействия молнии узел связи. Установлено, что магнитное влияние больше гальванического.

Так же приведены основные сведения о элементах защиты, были выбраны те элементы, которые в последующем были применены для построения схем защиты от импульсных перенапряжений и грозовых разрядов. Приведены схемы для защиты электропитания, аппаратуры и волновода.

И в конце был приведен расчет параметров электромагнитного экрана аппаратуры, графики зависимостей параметров от частоты и вывод о необходимости экранов для защиты кабелей и обеспечения благоприятной электромагнитной обстановки вокруг работающих электроустановок и сверхвысокочастотных устройств.

Библиографический список

1 Стандарт предприятия. СТП ОмГУПС - 1.5 2002.

2 Свободная энциклопедия «Википедия»: ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B7%D1%80%D1%8F%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA.

3 Автомобильное оборудование: http://autoprogs.ru/204598-post.html

4 Сайт высокоскоростного измерительного оборудования «Gauss Instrument»: http://gauss-instruments.ru/elektromagnitnoe-ekranirovanie/

6 Испытание эффективности и расчет защитного заземления: «Методические указания к дипломному проектированию, практическим и лабораторным работам по охране труда» / В. Ф. Харламов, Б. П. Баталов, Л. Я. Уфимцева. - Омский институт инж. ж.-д. транспорта, 1993. 42 с.

7 Сайт магазина «Гранд МАГИСТР»:

http://www.grandmagistr.ru/news/ZashitaOPS.pdf

Размещено на Allbest.ru

...