Влияние внешних электромагнитных полей на цепи связи

Источники и виды внешних вияний

Источники внешних электромагнитных влияний на цепи связи:

1. ЛЭП (Линии Электропередач);
2. электрифицированные железные дороги;
3. мощные радиостанции;
4. атмосферное влияние;
5. индустриальные помехи;
6. электрифицированный городской транспорт.

Взаимные влияния обусловлены поперечной асимметрией между цепями. Влияние внешних электромагнитных полей обусловлено продольной несимметричностью про­во­дов относительно земли или кабельной оболочки.

 

Виды влияний:

1. Электрическое - обусловлено действием электрического поля. Проявляется только на цепях ВЛС. На кабельных отсутствует, так как жилы кабеля помещены в железную заземленную оболочку.

 

2. Магнитное - обусловлено действием магнитного поля. Проявляется как на воздушных линиях, так и на кабельных.

 

3. Гальваническое - обусловлено наличием в земле блуждающих токов. Создается тяговыми сетями электрифицированных ж.д., и ЛЭП, использующие землю в качестве обратного провода. Возникают и в ВОЛС, и в кабельной линии связи (только в тех, которые используют землю в качестве обратного провода).

 

По степени и характеру воздействия различают опасные и мешающие влияния:

Опасные – при которых появляется большие напряжения и токи, опасные для об­слу­жи­ва­ющего персонала и абонентов и приводящие к повреждению. Опасные влияния (не­до­пус­ти­мы даже на короткие промежутки времени) определяются при вынужденном и аварийном режиме работы влияющей линии;

Мешающие - при которых возникают помехи, шумы, приводящие к нарушению нормальной работы средств связи. Мешающие влияния определяются только при нормальном режиме работы влияющей цепи.

 

Нормальный режим – режим, при котором линия работает постоянно;

Вынужденный режим – режим, отличающийся от нормального, при котором линия вынуждена работать определенный промежуток времени;

Аварийный режим – режим работы в случае коротко замыкания провода влияющей линии на землю.

 

Параметры влияния

Сближение – взаимное расположение ПВЛ и ВЛ, при котором в ПВЛ возникает опасное или мешающее влияние.

 

l­_э­ – длина сближения. Длина гальванически неразделенного участка ПВЛ, находящегося под воздействием опасного или мешающего влияния (проекция ПВЛ на ВЛ).

а – ширина сближения. Кратчайшее расстояние между ПВЛ и ВЛ.

Сближение называется параллельным, если а увеличивается не более чем на десять процентов. Остальные участки – косое сближение.

Определим длину и ширину сближения при косом сближении.

Участки сближения разбиваются на несколько эквивалентных параметрических участков.

l­_э­ - длина эквивалентного участка;

a - ширина сближения, эквивалентного участка.

Эквивалентный участок выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение:

, .

Расчет влияние ведут на длине гальванически изолированного участка, т.е. на длине усилительного участка.

Опасные влияния рассчитываются для наихудшего случая, а в зависимости от режима работы ЛС, наводимая эдс будет иметь разные значения по длине.

Рассмотрим 3 случая:

 

При определении влияния и выборе средств защиты необходимо суммировать все виды влияний (для ВЛС):

.

Для кабельных линий связи:

 

Особенности влияния ЛЭП

на цепи воздушных и кабельных линий связи

ЛЭП бывают переменного и постоянного тока.

ЛЭП переменного тока имеют трехфазный ток. По конструкции бывают симметричные и несимметричные.

Рассмотрим симметричные ЛЭП:

с изолированной нейтралью (u<35 кВ):

 

С заземленной нейтралью (u>35 кВ):

 

Их называют симметричными, так как напряжение и ток на всех проводах одинаковое, но сдвинуто по фазе на 120°. Они обладают высоким потенциалом и создают большое энергетическое воздействие. Даже при нормальном режиме работы, ЛЭП не являются полностью симметричными. На симметричность цепи влияет продольная асимметрия цепей и неравномерность напряжений и фаз. Поэтому при нормальном режиме работы они вызывают внешние электромагнитные поля, обусловленные не только фазными напряжениями и токами прямой последовательности, но и напряжениями и токами обратной последовательности. Ток прямой последовательности – ток, замыкающийся на каждой паре ЛЭП, оказывает наибольшее влияние на линию связи.

 

Аварийный режим работы

В ЛЭП с заземленной нейтралью, через землю пройдет большой ток. Время работы приборов защиты 0.15 – 0.2 секунды. В результате чего на проводах лини связи появится опасное напряжение. В ЛЭП с изолированной нейтралью заземление одной из фаз вызывает появление между фазными проводами и землей значительного напряжения: 1.73­ U_л (л – линейное), и электрического поля.

Аварийный режим может существовать продолжительнее время, так как заземление одной из фаз не нарушает энергоснабжения. В результате в проводах воздушной линии могут появиться опасные для человека токи и напряжения.

Несимметричные ЛЭП (2 провода – земля):

В нормальном режиме работы оказывают опасные мешающие электромагнитные и гальванические влияния.

В аварийном режиме имеют большой ток и являются источником сильного магнитного влияния. ЛЭП переменного тока оказывают влияние на частоте 50 Гц и на высших гармониках (главным образом в тональном диапазоне частот).

ЛЭП постоянного тока оказывают влияние за счет пульсирующих составляющих выпрямленного тока в диапазоне до 30 кГц и ухудшают качество передачи вы­со­ко­час­тот­ных сетей передачи. Опасные влияния ЛЭП переменного тока на линии связи гораздо сильнее, чем ЛЭП постоянного тока и требуют переноса линии связи на значительное расстояние. По диапазону частот, при мешающем влиянии наиболее вредоносное воздействие оказывает ЛЭП постоянного тока.

 

 

Особенности влияния тяговых сетей

электрифицированных ж.д. на линии связи

Тяговые сети на цепи АТС оказывают магнитное, электрическое и гальваническое влияния. Величина влияния зависит: от схемы питания и нагрузочного режима работы тяговой сети, параметры тяговой сети и высоковольтной линии внешнего энер­го­снаб­же­ния, от параметров оборудования тяговых подстанций и под­виж­но­го состава, длины и ширины сближения тяговой сети с подверженной влиянию линией, от параметров цепей линии передачи, восприимчивости цепей к помехам, взаимного расположения всех элементов тяговой сети по отношению к сетям связи.

При электротяге переменного тока в тяговую сеть подается однофазный переменный ток частотой 50 Гц напряжением U = 25÷27 кВ.

Электровозы обычно оборудуют понижающими трансформаторами, выпрямительными устройствами и двигателями постоянного тока. Выпрямители ухудшают форму кривой тока в тяговой сети, что увеличивает мешающее влияние гармонических составляющих.

 

Обратный ток I₂ частично стекает с рельсов в землю – I₂’. Из земли в рельс ток воз­вра­ща­ет­ся в районе тяговой подстанции. Ток I₂ протекает в обратном направлении относительно I₁. Ток I₁ вызывает появление индуцированного тока I₃ в цепи рельс-земля.

Магнитные поля токов I₁   и I₃, направлены противоположно полю влияющей линии и частично снижают его влияние.

Явление, снижающее влияние в результате присутствия рельсов называют экранирующим действием рельсов. Различают 3 режим работы тяговой сети:

- нормальный;

- вынужденный;

- аварийный.

Нормальный режим работы – когда все тяговые подстанции подключены к тяговой сети согласно принятым схемам питания, как правило, питание должно быть двухсторонним.

Несмотря на экранирующее действие рельсов, тяговые сети оказывают на цепи автоматики и телемеханики большое влияние, которое возрастает при нарушении режима работы тяговой сети. В случае аварии или профилактического ремонта может быть временно отключена одна из тяговых подстанций, тогда появляются участки сети с односторонним питанием, оказывающие повышенное опасное влияние. Такой режим работы на сети называется вынужденным и может длиться часами.

При эксплуатации тяговой сети возможно замыкание контактного провода на землю или рельс. Такой режим работы называется аварийным. В этом случае в тяговой сети воз­ни­кает ток, который превышает влияющий ток при вынужденном режиме. Дли­тель­ность протекания тока невелика – не более 0,6 секунды. Тяговая сеть переменного тока на двух­пут­ном участке оказывает меньшее влияние на цепи АТС, чем на однопутном участке.

Еще более эффективной является тяговая сеть переменного тока, построенная по схеме 2 провода – рельс с автотрансформаторами. При этом опасные влияния снижаются при­бли­зительно в 8 раз, а мешающее влияние на кабельные сети – в 7÷11 раз. В тяговых се­тях постоянного тока при выпрямлении тока появляются гармоники.  Первая из них, при шестифазном выпрямлении тока частой f = 50 Гц будет иметь частоту 300 Гц, - сле­ду­ющая 600 Гц, 900 Гц... и т.д.

Под нагрузкой кривая тока обогащается рядом дополнительных гармоник, но ам­пли­ту­ды этих гармоник незначительно уменьшаются с увеличением частоты. Влияние тяговой сети уменьшается из-за экранирующего действия рельсов, поэтому сети переменного тока оказывают влияние только на цепи воздушных линий.

Для того чтобы не относить цепи подверженные влиянию далеко от железных дорог, на тяговой подстанции всегда устанавливаются сглаживающие фильтры, уменьшающие амплитуды гармонических составляющих в тяговой сети. Опасные влияния тяговой сети постоянного тока, возникают только при ее выключении и при замыкании на землю.

 

Особенности влияния на одно- и двухпроводные цепи

Имеется влияющая цепь 1 и однородная цепь 2, подверженная влиянию. Весь ин­ду­ци­ро­ван­ный ток протекает через сопротивление нагрузки Z_{2 ­}, включенное в цепь и на нем действует напряжение: .

 

В результате индукции провода 2 и 3 окажутся под напряжением  и  со­от­вет­ствен­но и по ним будут протекать токи:  и .

Если , то на нагрузке Z₂ будет действовать напряжение . И через них пройдет ток влияния: . Причины, по которым  и соответственно : различные расстояния от про­во­дов двухпроводной сети до провода влияющей линии (). Это явление обу­слов­ле­но поперечной ассиметрией. Вторая причина: продольная ассиметрия двупроводной цепи. Полное результирующее колебание в двухпроводных цепях вычисляется по формуле:

.

 и – напряжения, индуцированные соответственно из-за поперечной и про­доль­ной асимметрии.

Расстояние от подверженной линии до влияющей линии составляет 10 м. Расстояние между цепями влияющей линии обычно 20÷60 см, а между жилами кабеля – 1÷4 мм.

Провода влияющей линии скрещивают, а жилы в симметричном кабеле скручивают. Поэтому, как правило, составляющая  мала по сравнению с и поэтому прак­ти­чес­ки достаточно определить . Численно оценить влияние продольной асимметрии не удается ни расчетами, ни измерениями, т.к. продольная асимметрия неравномерно рас­пространяется по длине цепи и изменяется во времени в зависимости от климатических условий и качества обслуживания линии.

Чем лучше обслуживается линейное хозяйство, тем симметричнее цепи и тем меньше их чувствительность к индуктивным влияниям. Поэтому для расчета  применяют метод, который основан на устойчивости коэффициента двухпроводной цепи к помехам.

Этот коэффициент определяют по многократным измерениям на действующих цепях.

 

 

Методика расчета опасного магнитного влияния

Опасные магнитные влияния создают несимметричные системы: ЛЭП с заземленной нейтралью и ЛЭП при заземлении одной из фаз электрифицированных ж. д. (создают опасные влияния в аварийном и вынужденном режимах работы). Магнитным влияниям подвержены цепи кабельной и воздушной линии связи.

τ – ширина сближения;

l_э – длина сближения;

n – коэффициент магнитной связи между цепями;

I_вл – ток влияния.

 ,

,   т.к. ,

а – ширина сближения;

σ – удельная проводимость грунта;

S_э – результирующий коэффициент экранирующего действия.

ВЛС:

КЛС:

 - коэффициент защитного действия троса 0,5÷0,6.

 - коэффициент защитного действия рельса 0,5;

 - коэффициент защитного действия оболочки кабеля;

 - коэффициент защитного действия жилы (зависит от емкости кабеля).

 - ток в нормальном режиме. Ток во влияющей линии определяется организацией, которая проектировала данную линию. В вынужденном режиме – эквивалентный.

 

 – коэффициент, характеризующий уменьшение эквивалентного тока;

 - равномерно распространенный по всей длине ток, ока­зы­ва­ющий такое же магнитное влияние, какое возникает при дей­стви­тель­ном ступенчатом.

При аварийном режиме – ток короткого замыкания задается в виде графиков, по которым можно определить ток короткого замыкания в любой точке влияющей линии.

 

 

Расчет опасных электрических влияний (только для ВЛС)

Электрическое влияние определяется коэффициентом K_{12(ВЛ-ПВЛ)}:

, (т.к. )

Электрическое влияние:

                                        (1)

Сопротивление линии подверженной влиянию носит емкостной характер:

,

.

Подставим из выражения (1) зная  в это выражение:

.

С учетом того, что наведенный потенциал в линии подверженной влиянию будет по­сто­янен по всей длине, то для практических расчетов можно воспользоваться формулой, в которой величина емкостного сопротивления между влияющей линией и линией под­вер­жен­ной влиянию выражается через расстояния а, с и b_экв. Заменим это выражение:

, В                 (2)

 

 

 – экранирующее действие соседних проводов связи;

k – коэффициент емкостной связи, который зависит от типа линии;

k = 0,25 (для ВЛС);

b_экв – расстояние от центра эквивалентного провода до по­верхности рельса.

Формула (2) справедлива для параллельного сближения когда:

l_э = l. Если сближение сложное:

m – количество эквивалентных участков сближения;

 – длина i-го эквивалентного участка сближения.

 

Методы определения мешающих влияний

В любой ЛЭП (особенно в тяговых сетях), влияющий ток имеет несимметричную форму, поэтому его мешающее действие определяется суммой действия всех его гар­мо­ни­че­ских составляющих. Эффективное значение напряжения шума U_{ш k} создаваемое каждой k-ой гармоникой. В двухпроводной телефонной цепи:

 - среднее значение напряжение k-ой гармоники в начале или в конце однопроводной цепи (рассчитывается или измеряется);

 - коэффициент чувствительности двухпроводной телефонной цепи для k-ой гармоники. Этот коэффициент не представляется возможным определить расчетным путем, поэтому определяется статистически, на основе анализа большого количества измерений.

Значения  берут из графиков частотной зависимости для цепей КЛС и ВЛС.

Чтобы определить воздействие тока разных частот, принято сравнивать их акустическое воздействие с акустическим воздействием тока той же амплитуды с частотой 800 Гц, который в технике связи является расчетной для каналов низкой частоты.

P_k - коэффициент акустического воздействия, который представляет собой отношение акустического воздействия тока в телефоне с частотой f, к акустическому воздействию того же тока но частотой 800 Гц.

 (псофонометрическое) - напряжение частотой 800 Гц, которое действует в те­ле­фон­ной цепи вместо индуцированных напряжений с различными час­тотами и оказывает одинаковое с ними мешающее воз­дей­ствие.

Данный метод расчета является приближенным и применяется, в основном, для расчета мешающего влияния от ЛЭП. Для контактной сети в качестве расчетной частоты можно принять частоту 800 Гц. Для более точного расчета для конкретного расчетного участка для частоты 50 Гц по специальным кривым опре­де­ля­ют одну определенную гармонику мешающего тока, а затем рассчитывают U_ш для этой гармоники, либо определяют U_ш, который вносит все гармонические составляющие влияющего тока.

Нормы допустимых опасных и мешающих влияний

Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала и абонентов, для пре­до­хра­не­ния аппаратуры, включенной в цепи и для обеспечения нормальной эксплуатации устрой­ств, установлены предельно допустимые значения опасных и мешающих токов и на­пря­жений, которые могут возникнуть в цепях линий различного назначения.

 

Нормы опасных влияний

Испытания показали, что основными факторами, влияющими на степень поражения человека электрическим током промышленной частоты, являются: значение тока, про­хо­дя­щего через тело, продолжительность по действию и путь прохождения тока по телу человека, а также индивидуальные особенности организма. Установлено, что ток до 2 мА, проходящий через тело человека не оказывает значительного действия и считается безопасным. Увеличение значения тока вызовет у человека дрожание пальцев рук, со­кра­ще­ние мышц, боли и судороги. Опасность для жизни создается при токе больше 10 мА. При кратковременном прохождения тока через тело человека, опасность поражения увеличивается пропорционально времени действия тока. Значения предельно до­пус­ти­мых напряжений устанавливают с точки зрения опасности для жизни человека и опас­нос­ти пробоя изоляции жил и устройств, включенных в цепь.

Допустимое на­пря­же­ние в случае опасности для человека определяют в зависимости от допустимого тока и общего сопротивления цепи между проводом и землей, образующегося в момент прикосновения человека к проводу. Это сопротивление обусловлено сопротивлением тела человека и переходным сопротивлением между проводом и телом человека и телом человека и землей.

Сопротивление тела человека в основном зависит от состояния кожного покрова. До­пус­тимое значение опасных напряжений для кабелей и оборудования, включенного в це­пи, определяют с учетом электрической прочности их изоляции. Допустимые значения опасного напряжения при влиянии цепи постоянным током устанавливаются правилами защиты.

Линия связи	Допустимые напряжения, В
	При коротком замыкании на землю и времени отключения тяговой сети				При вынужденном режиме, гальваническом магнитном влиянии
	0,1	0,15	0,3	0,6
Воздушные линии с деревянными опорами, в том числе с железобетонными приставками	–	2000	1500	1000	60
Кабельная линия, местной и магистральной связи, в том числе волоконно-оптическая с металлическими жилами и воздушная с железобетонными или металлическими опорами	500	450	310	160	36

Если эти значения превышены, применяют специальные меры по технике безопасности и защите обслуживающего персонала. Допустимые напряжения в режиме короткого замыкания – 60 % от Uисп.

0.6 Uисп – напряжение испытания изоляции жилы на пробой по отношению к земле.

Значения Uисп приводятся в технических условиях на кабель.

Нормы мешающего влияния

Мешающее влияние нормируются исходя из условий обеспечения заданного качества телефонной связи. Допустимые величины мешающих напряжений устанавливаются для двухпроводной цепи связи. Помехи принято делить на 2 группы – собственные (внут­рен­ние) и внешние. Внутренние – возникают непосредственно в устройствах связи.

Помехи внешнего происхождения – шумы, проникающие в цепи связи извне, которые создаются высоковольтными линиями радиостанциями, электрическими волнами.

 

Таблица напряжений шума

Тип ПВЛ	Длина нормируемого участка	Нормируемый уровень, дБ	Норма шума, мВ
Канал магистральной связи	УУ	7	1,5
Местные сети	От абонента до абонента	–	1,5
ОТС (Оперативно Техническая Связь)	Участок избирательной связи	–	1

 

Все приведенные нормы шумов справедливы для цепей с волновым сопротивлением

Z_в = 600 Ом, в противном случае их необходимо пересчитать:

.

Если  оценивается на всей линии, насчитывающей N усилительных участков, то в том случае если норма дана на один усилительный участок: .