Защита сооружений связи от внешних электромагнитных влияний
[gl] Тема 5. Защита сооружений связи от внешних электромагнитных влияний. Источники опасных и мешающих влияний.[:]
На соединительные и абонентские линии ГТС могут оказывать влияние следующие посторонние источники: высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП); электрифицированный железно дорожный транспорт (эл. ж. д.); передающие радиостанции; промышленные установки различного назначения.
По интенсивности и характеру воздействия внешних источников на линии связи влияния разделют на опасные и мешающие.
Опасными влияниями называют такие влияния, при которых напряжения и токи, возникающие в цепях связи, могут создать опасность для здоровья и жизни абонентов и работников эксплуатации, а также вызвать повреждение аппаратуры, приборов, кабеля связи.
Мешающие влияния проявляются в телефонных цепях и каналах связи в виде шумов, тресков, нарушения или ухудшения качества связи.
Первые два источника могут оказывать как опасные, так и мешающие влияния, последние два - только мешающие влияния. Наибольшее воздействие на линии ГТС оказывают высоковольтные линии электропередачи и электрифицированные железные дороги, которые вместе принято называть линиями высокого напряжения (ЛВН). Вокруг провода ЛВН создается интенсивное электромагнитное поле, которое вследствие электромагнитной индукции вызывает в линии связи посторонние напряжения и токи. Обычно при оценке влияния ЛВН на линии связи рассматривают раздельно воздействие электрического и магнитного полей. Электрическое поле вызывает электрическое влияние, а магнитное поле - магнитное влияние.
Электрическому влиянию, обусловленному наличием в ЛВН переменного электрического напряжения, подвержены в основном цепи воздушных линий связи. Подземные и подвесные кабели связи не подвержены электрическому влиянию, так как силовые линии электрического поля экранируются поверхностью земли и металлической оболочкой (экраном) кабеля.
Магнитному влиянию, обусловленному протекающими по проводам ЛВН токами, подвержены как воздушные, так и кабельные линии связи. В нашей стране для передачи электрической энергии в основном применяются трехфазные ЛЭП переменного тока промышленной частоты 50 Гц и напряжением от 3 до 750 кВ. Дря передачи энергии на большие расстояния (более 1000 км) используются также ЛЭП постоянного тока с рабочим напряжением 400...1500 кВ. Высоковольтные линии передачи бывают воздушные и кабельные. Кабельные ЛЭП оказывают меньшее влияние, так как сказывается экранирующее действие кабельных оболочек. В зависимости от режима работы ЛЭП делятся на симметричные и несимметричные. Симметричные ЛЭП характеризуются одинаковыми напряжениями и токами в проводах. Такие линии не имеют остаточных напряжений и токов в земле. К симметричным линиям относятся трехфазные ЛЭП с заземленной (нейтральная точка линейных трансформаторов заземлена) и изолированной нейтралью, а также двухпроводные линии.
В несимметричных линиях передачи в качестве одного из рабочих проводов используется земля. К таким линиям относятся:
Рекомендуемые материалы
- ЛЭП напряжением более 35 кВ, работающие в неполнофазном режиме по схеме «два провода - земля»;
- электрифицированные железные дороги (эл. ж. д.), работающие на переменном токе промышленной частоты 50 Гц;
- контактные сети эл. ж. д. и городского электротранспорта (трамвай, метро), питающиеся от постоянного тока.
На контактных сетях городского электротранспорта питающее напряжение достигает 600... 800 В, на эл. ж. д. постоянного тока - 3,3...3,7 кВ, на эл.ж.д. переменного тока - 25 кВ.
При рассмотрении влияния на линии связи различают следующие режимы работы ЛВН: нормальный, вынужденный, аварийный.
Нормальный режим работы характеризуется условиями, при которых ЛВН работает постоянно.
Вынужденныд режим - это режим, при котором ЛВН работает ограниченное время (как правило, не более 2 ч) в несимметричном режиме (например, неполнофазный режим трехфазной ЛЭП или одностороннее питание контактной сети эл. ж. д. при временном отключении одной из смежных тяговых подстанций).
Аварийный режим имеет место при обрыве фазового провода трехфазной ЛЭП или контактного провада эл. ж. д. При этом в ЛЭП возникают либо высокое напряжение относительно земли (ЛЭП с изолированной нейтралью), вызывающее большое электрическое влияние, либо токи короткого замыкания (ЛЭП с заземленной нейтралью), вызывающие магнитное влияние. Наибольшее влияние на линии связи оказывают несимметричные ЛВН, так как напряженность электромагнитного поля около несимметричной линии существенно больше, чем у симметричной. В нормальном режиме работы несимметричные ЛВН могут оказывать как мешающие, так и опасные влияния; при этом опасные напряжения незначительны. В случае вынужденного и особенно аварийного режимов работы влияние на линии связи резко возрастает.
Если на линии связи в качестве обратного провода используется земля, то тяговые сети эл. ж. д. и трамвая (у которых прямым проводом является контактный провод, а обратным - рельсы, плохо изолированные от земли) наряду с электрическим и магнитным влияниями создают гальваническое влияние. Гальваническое влияние обусловлено разностью потенциапов между точками земли, в которых размещены рабочие заземления линии связи. На линиях ГТС однопроводные цепи практически не ислользуются, поэтому гальванические влияния можно не учитывать.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что кабельные линии ГТС могут быть подвержены опасному и мешающему магнитным влияниям, которые и следует учитывать при проведении расчетов.
Основные меры защиты на линиях связи от опасных и мешающих влияний: применение кабелей связи с оболочками, имеющими повышенный экранирующий эффект; включение разрядников и предохранителей; включение редукционных трансформаторов; прокладка вдоль кабеля металлических тросов.
Экранирование кабелей связи. Экранирование является одной из основных мер защиты от опасных и мешающих влияний. Металлические оболочки (экраны) полностью защищают кабельные цепи связи от внешних электрических полей и частично снижают влияние магнитных полей. Физическая сущность экранирования металлической оболочки кабеля основана на создании индуцированными линиями высокого напряжения токов в оболочке встречного магнитного поля, которое частично компенсирует основное влияющее поле. Эффективность экранирования кабельных экранов оценивается коэффициентом экранирования, который в диапазоне низких частот называют коэффициентом защитного действия (КЗД). Применительно к влиянию ЛВН на кабели связи в диапазоне низких частот КЗД определяется как отношение ЭДС, наводимой в жилах кабеля при наличии экрана, к навоДимой ЭДС при отсутствии экрана. Различают идеальный и реальный КЗД. Идеальный КЗД соответствует идеальному заземлению, а реальный - конечному значению сопротивления заземления. Для тонального диапазона частот идеальный КЗД. Из формулы (7.9) видно, что для уменьшения КЗД (улучшения экранирования) необходимо уменьшать активное сопротивление и повышать индуктивность экранирующих покровов. Для обеспечения надежного экранирования необходимо строго выполнять нормы на величину сопротивления заземления экранов, так как чем меньше сопротивление заземления, тем тучше экранирование.
Следует отметить, что такую же физическую основу имеет и экранирование рельсов железных дорог, грозозащитного троса ЛЭП, различного рода трубопроводов, которые на участках сближения ЛВН и линий связи проходят параллельно.
Существующие конструкции кабелей ГТС со свинцовыми оболочками (кабели ТГ, ТБ) и полиэтиленовыми оболочками с ленточными алюминиевыми экранами (кабели ТПП, ТПЛБ) имеют сравнительно большие КЗД на частоте 50 Гц: для небронированных кабелей S=0,99...0,6, а для бронированных S=0,96...0,3. Следовательно, эти кабели не всегда обеспечивают высокую защищенность от опасных напряжений и токов в зоне повышенного электромагнитного влияния. Существенно снизить (улучшить КЗД кабелей связи можно заменой свинцовых оболочек алюминиевыми (КЗД уменьшается в 7...8 раз). Поэтому для зон повышенного электромагнитного влияния ЛВН рекомендуется использовать кабели связи с алюминиевыми оболочками. В настоящее время на ГТС для организации протяженных межстанционных соединительных линий широко используют высокочастотный кабель МКСАШп-4х4-1,2. Для каблирования телефонных узлов в местах скопления большого количества ЛВН (например, на территории мощных электростанций) и для организации низкочастотных межстанционных соединительных линий в зоне повышенного влияния целесообразно использовать специально выпускаемые для таких целей кабели, имеющие алюминиевую оболочку и броню, защищенные полиэтиленовым шлангом.
Защита с помощью разрядников и предохранителей. На телефонных сетях для защиты от опасных напряжений и токов аппаратуры АТС, телефонных аппаратов абонентов и кабелей связи широкое применение находят разрядники и предохранители. На городских телефонных сетях разрядники и предохранители устанавливают на кроссах, которые являются на телефонных станциях местом соединения линейных и станционных кабелей. На кроссе обеспечивается возможность подключения к абонентским и соединительным линиям с целью проведения измерений и проверок в сторону линии и в сторону станции при определении места повреждения.
Для защиты от высоких напряжений, возникающих на линии связи, между проводом и землей включают разрядник. Защитная функция разрядника заключается в полном или частичном преобразовании энергии электрического поля наведенной волны, опасной своим высоким потенциалом, в энергию магнитного поля снизким напряжением относительно земли. Основными рабочими элементами разрядника являются электроды, отделенные друг от друга искровым промежутком.
При возникновении на разряднике высокого напряжения частотой 50 Гц или импульсного напряжения при грозовых разрядах с амплитудой, превышающей напряжение его зажигания, происходит пробой искрового промежутка (рис. 7.3). Тогда через разрядник потечет разрядный ток
При отекании разрядного тока наведенное напряжение уменьшается до величины падения напряжения на разряднике и заземлителе:
Отсюда следует, что защитное действие разрядника возрастает с уменьшением сопротивлекия заземления. Поэтому очень важным условием надежной работы разрядников является строгое соблюдение норм на сопротивление заземления. На сетях ГТС используют в основном угольные двухэлектродные разрядники типа УР-500 с номинальным напряжением зажигания 500 В и газонаполненные трехэлектродные разрядники типа Р-27 с номинальным напряжением зажигания 350 В.
Для защиты оборудования и обслуживающего персонала АТС от опасных токов на абонентских линиях в разрыв проводов связи включают предохранители. Предохранители бывают линейные и станционные. Линейные предохранители типа СН-1 (спиральные с ножевыми контактами) и СК (спиральные с коническими контактами) рассчитаны на величину тока 1 А. Станционными предохранителями являются термические катушки, устанавливаемые на кроссе. Термические катушки рассчитаны на ток 0,25 А (ТК-0,25) и 0,3 А(ТК-0,3). Они отключают оборудование станции от проводов линии связи в случае сообщения последних с проводами электросети с напряжением ниже напряжения зажигания установленных разрядников. Термокатушки являются предохранителями многократного действия.
Электрическая защита в кроссе и абанентских пунктах необходима при подземной прокладке кабеля на открытой местности, при подвеске кабеля, в случае использования смешанных линий, состоящих из кабеля и воздушной линии. Следует отметить, что в связи с использованием на ГТС кроссового оборудования импортных поставок и внедрением квазиэлектронных и электронных АТС электрическая защита на основе угольных разрядников и термокатушек подлежит замене на более совершенные устройства защиты. Вместо угольных разрядников и предохранителей применение двухэлектродных миниатюрных газонаполненных разрядников с напряжением зажигания 90, 240 и 350 В. Эти разрядники имеют замыкатели в виде плавких шайб, колец или пружинных контактов, которые обеспечивают в аварийных ситуациях замыкание проводов связи на землю.
По сравнению с электромеханическими, квазиэлектронные и электронные АТС более чувствительны к внешним перенапряжениям. IIоэтому для этих АТС может предусматриваться дополнительная, так называемая вторичная ступень защиты, которая реализуется непосредетвенно в оборудовании АТС.
Защита от магнитного влияния ЛВН с помощью редукционных (компенсирующих) трансформаторов (PT). Включение PT позволяет снизить (улучшить) величину коэффициента защитного действия металлической оболочки кабеля связи. На ГТС наиболее целесообразно использовать РТ в местах сближения с ЛВН высокочастотных межстанционных соединительных линий. Снижение КЗД достигается за счет повышения индуктивной связи между металлической оболочкой и жилами кабеля путем включения в линию PT с коэффициентом трансформации, равным единице. Первичная обмотка трансформатора из медного провода включается в разрыв оболочки, а вторичная обмотка выполняется из сердечника того же кабеля, что и защищаемый, но со снятой оболочкой. Сечение провода первичной обмотки выбирается не меньше эквивалентного сечения металлической оболочки.
Коррозия подземных кабелей связии меры защиты от коррозии. Коррозия - это разрушение металла кабельных оболочек вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Главным признаком коррозии подземных кабелей связи является появление на их оболочках разрушенных участков в виде пятен, язв, трещин, воронок, сквозных повреждений и т. д.
В зависимости от условий протекания коррозионного процесса различают следующие основные виды коррозии: межкристаллитная, почвенная (электрохимическая) и коррозия блуждающими токами.
Межкристаллитная коррозия возникает по причине ослабления молекулярных связей между отдельными кристаллитами (зернами) металла, в результате чего на металлической оболочке кабеля появляются мелкие трещины. Чаще всего межкристаллитной коррозии подвергаются кабели в местах возможной вибрации (при прокладке кабеля вблизи рельсовых путей железных дорог и трамвая, вблизи шоссейных дорог с интенсивным движением транспорта, по мостам), а также при длительной транспортировке кабеля на барабанах.
Кабели ГТС наиболее интенсивно подвергаются почвенной коррозии и коррозии блуждающими токами. Рассмотрим более подробно эти виды коррозии.
Почвенная коррозия - это электрохимическое разрушение металла оболочки кабеля, вызываемое действием окружающей среды (почвы, грунтов, грунтовых и других вод). Скорость протекания почвенной коррозии зависит от содержания в почве солей, кислот, щелочей, органических веществ, от влажности и структуры грунта, соприкасающегося с кабельной оболочкой, от неравномерности доступа кислорода к оболочке.
Все процессы коррозии металлов в земле обусловлены перемещением ионов в электролите, которым являются в данном случае водные растворы кислот, щелочей, солей в земле, и соответственным перемещением электронов в самом металле. Каждый металл характеризуется своим электрохимическим потенциалом, который зависит от свойств металла. Величина электрохимического патенциала является показателем степени перехода ионов металла в электролит. Чем больше абсолютная величина отрицательного электрохимического потенциала, тем менее прочно он удерживает свои ионы и тем больше подвергается коррозии.
Почвенная коррозия проявляется в основном в виде макрогальванических пap и контактных гальванических пар.
Макрогальванические пары образуются на проложенном в грунте или телефонной канализации кабеле вследствие различия удельного сопротивления, химического и структурного состава грунта и неравномерности доступа кислорода в разных точках кабеля по длине. В результате этого потенциалы кабельной оболочки относительно окружающей среды становятся разными и возникают гальванические пары, вызывающие протекание токов от точек оболочки с большими потенциалами к точкам с меньшими потенциалами (рис. 7.5).
В местах протекания тока оболочка имеет положительный потенциал. В этих местах образуется так называемая анодная зона. Здесь происходит переход от электродной проводимости в метале к ионной в электролите. Именно в анодных зонах и коррозирует кабельная оболочка. В местах, где токи входят в оболочку, образуется катодная зона, имеющая отрицательный потенциал относительно окружающей среды. Здесь кабель не подвергается коррозии. Макрогальванические пары характеризуются тем, чтоанодные и катодные зоны находятся на сравнительно большом расстоянии друг от друга. Это позволяет проводить измерения потенциалов в различных точках оболочки. Различные металлы в разной степени подвергаются коррозии в грунтах. Свинцовые оболочки в большей степени коррозируют в щелочных средах (зола, известняки), алюминиевые оболочки сильно подвергаются коррозии и в щелочных, и в кислотных средах. Для стальных оболочек наиболее опасными являются кислотные среды (чернозем, торфяники, солончаки). Наиболее активно коррозия протекает в грунтах, удельное сопротивление которых невелико. Это объясняется тем, что при малом сопротивлении грунта токи с оболочки стекают более интенсивно. Контактные гальванические пары в кабелях могут возникать в местах монтажа соединительных муфт. При этом анодные и катодные зоны располагаются в непосредственной близости друг к друry, т. е. контактируют. Металлы с более отрицательными электрохимическими потенциалами становятся здесь анодом и начинают разрушаться со значительно большей скоростью. Металлы с менее отрицательными или положительными потенциалами разрушаются с меньшей скоростью, так как играют роль катодов. Наиболее опасными являются контактные пары свинец-алюминий и сталь-свинец.
Коррозия блуждающими токами - это электрохимическая коррозия металла под воздействием блуждающих токов, основным источником которых является электрифицированный транспорт: электрифицированные железные дороги, трамвай, метрополитен, питающиеся от постоянного тока. Схема, показывающая распределение блуждающих токов, показана на рис. 7.6.
Лекция "18. Последовательные и параллельные реакции" также может быть Вам полезна.
От тяговой подстанции тяговый ток IT по контактному проводу через токоприемник подводится к тяговым двигателям электропривода. Пройдя тяговые двигатели, ток Iр через колеса электровоза и рельсы возвратится к минусовой шине питающей подстанции. Так как рельсовые пути плохо изолированы от земли, то значительная часть тока ответвляется в землю. Это и есть блуждающие токи. Растекаясь по земле и встречая на своем пути кабели связи, удельное сопротивление оболочек которых много меньше удельного сопротивления земли, блуждающие токи IБ попадают на оболочку, распространяются по ней и в зоне, близкой к питающей подстанции, стекают с кабельной оболочки в землю и попадают на минусовую шину подстанции. Блуждающие токи могут достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. Из рис. 7.6 видно, что анодная зона находится вблизи тяговой подстанции, а катодная зона перемешается вместе с перемещением электровоза, т. е. она распределена по всей трассе сближения кабеля с рельсовыми путями. В реaльных условиях на линии бывает несколько электролитов. Кроме того, в городских условиях возможно одновременное воздействие нескольких независимых источниковблуждающих токов. Поэтому на трассе сближения кроме анодной и катодной зон может иметь место знакопеременная зона, в которой знак потенциала кабеля по отношению к окружающей среде меняется во времени. Переменный характер токов, стекающих с рельсов, обусловливает переменный характер блуждающих токов, а соответственно токов и потенциалов на оболочке кабеля. Если определить средний потенциал в каждой точке за определенный период времени, то можно получить усредненную потенциальную диаграмму, пример которой приведен на рис. 7.6. Коррозия блуждающими токами происходит в анодной зоне и является следствием процесса электролиза, т. е. процесса перехода с анодного участка кабеля ионов металла в почвенный электролит. Коррозия блуждающими токами, как правило, более интенсивна, чем почвенная коррозия. Характерным признаком коррозии этого вида является язвенный характер повреждений кабельных оболочек вплоть до сквозных отверстий. Следует отметить, что в реальных условиях эксплуатации кабельных линий связи могут существовать одновременно все рассмотренные выше виды коррозии. Защитные мероприятия от коррозии проводят как на электрифицированном транспорте, так и на сооружениях связи. На электрифицированном транспорте для уменьшения блуждающих токов увеличивают переходное сопротивлении между рельсами и землей. На сооружениях связи защитные мероприятия делятся на две группы - пассивные и активные. Пассивные меры предусматривают защиту от коррозии без использования внешних ЭДС. Активные :меры защиты предусматривают использование внешних ЭДС, обеспечивающих необходимые токи зашиты. К пассивным мерам защиты относятся защитные покровы, накладываемые на металлические оболочки в виде полиэтиленовых или поливинилхлоридных шлангов (предусматриваются конструкцией кабелей связи), изолирующие муфты, электрический дренаж. К активным мерам защиты относятся катодные станции и протекторы. Защитные покровы в виде полиэтиленовых шлангов в конструкции кабелей с aлюминиевыми или стальными гофрированными оболочками, используемых на межстанционных соединительных линиях ГТС могут существенно ослабить или полностью исключить коррозию, так как они препятствуют проникновению в оболочку влаги и оказывают большое сопротивление электрическому току. Защитные покровы должны быть по длине сплошными и плотно прилегать оболочке, иначе даже при небольших трещинах в шланга коррозия в месте повреждения резко усилится. Поэтому при монтаже соединительных муфт кабеля необходимо тщательно восстанавливать защитные покровы шлангового типа и контролировать их сопротивление изоляции. Изолирующие муфты, позволяющие увеличить продольное сопротивление оболочки, используют для защиты от коррозии стыков кабелей с разными металлическими оболочками, чтобы устранить возникновение гальванических пар, вводов кабелей связи со шланговыми покровами в телефонной станции для контроля сопротивления изоляции шланга, а также кабелей, выходящих за пределы сооружений метрополитена, для уменьшения блуждающих токов. Конструктивно муфты состоят из двух свинцовых цилиндров, разнесенных на 10 мм и соединенных между собой эпоксидным компаундом.Электрический дренаж применяют в основном для защиты от коррозии блуждающими токами. С помощью установок электродренажной защиты блуждающие токи с кабельной оболочки отводятся к их источнику. Электрические дренажи бывают nрямые и поляризованные. Прямые дренажи имеют одностороннюю проводимость и включаются только в устойчивых анодных зонах, где отсутствует возможность протекания тока с рельсовых путей на кабель. В знакопеременных зонах используют поляризоаанные дренажи, которые пропускают ток только с кабеля на рельсовые пути. Схема подключения поляризованного электродренажа представлена на рис. 7.7. Включение электродренажа меняет распределение потенциалов в системе «рельсы - земля – кабель», вследствие чего анодная зона, в которой оболочка кабеля разрушается, заменяется катодной и коррозия замедляется или совсем прекращается. Здесь обеспечивается замена ионной проводимости (переход ионов металла в почвенный электролит) электронной (отвод блуждающих токов с кабеля в рельсовые пути). В работе электрического дренажа большое значение имеет величина дренируемого тока. Чрезмерно большой ток может влиять на соседние подземные сооружения связи. Поэтому для регулирования и контроля тока в схеме дренажа предусмотрены реостат R и амперметр А. При перегорании предокранителя Пр сигнальное реле СР срабатывает и замыканием своих контактов сигнализирует о нарушении нормальной работы дренажной установки. Катодная защита осуществляется с помощью внешнего источника постоянного тока. Схема катодной защиты представлена на рис. 7.8. Катодная защита может использоваться для защиты от почвенной коррозии и коррозии блуждающими токами. Принцип катодной защиты заключается в том, что в анодной зоне к оболочке кабеля подключают отрицательный полюс источника, а положительный полюс источника заземляют. При этом защищаемый кабель поддерживается под отрицательным потенциалом по отношению к окружающей среде, вследствие чего он является катодом, а заземлитель - анодом. Ток, текущий от заземлителя к оболочке кабеля, должен создать в земле электрическое поле, значительно большее электрического поля блуждающих токов, стекающих с оболочки в землю. Только в этом случае обеспечивается отрицательный потенциал относительно окружающей среды
Источник постоянного тока подбирают таким, чтобы он обеспечивал компенсацию анодной зоны на защищаемом участке кабеля. В качестве источника постоянного тока используют катодные станции, которые представляют собой выпрямительные устройства.
Протекторная защита по принципу работы отличается от катодной только тем, что для создания отрицательного потенциала на оболочке кабеля в анодной зоне защищаемую оболочку соединяют не с источником постоянного тока, а с металлическим электродом (протектором). Протектор имеет собственный электрохимический потенциал, более отрицательный, чем потенциал металла оболочки. Схема протекторной защиты показана на рис. 7.9.
При протекторной защите потери металла вследствие коррозии не прекращаются, только коррозионный процесс с защищаемого кабеля перемещается на протектор. Таким образом, анодная зона с защищаемого кабеля переносится на протектор, который, являясь анодом, разрушается.
Изготавливают протекторы из магниевых и алюминиевых сплавов. Для уменьшения сопротивления растекания токов протектор помещают в специальный активатор, состоящий из смеси гипса, сернокислого натрия и глины. Протекторы обычно имеют форму, цилиндра длиной 500...700 мм и диаметром 150...300 мм. Устанавливают их на расстоянии 2...6 м от кабеля на глубину 0,6... 1,8 м. [kgl]