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.