Размещено на http://www.Allbest.Ru/
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день в Республике Беларусь одним из наиболее приоритетных направлений развития электросвязи является развитие сетей сотовой подвижной электросвязи.
В нашей стране продолжается ускоренное развитие сети сотовой подвижной электросвязи стандарта GSM. Общее количество абонентов трех операторов, оказывающих данные услуги, превысило 6 миллионов. Сотовой подвижной электросвязью охвачена территория, на которой проживает более 93 процентов населения. Острая конкуренция между операторами сотовой связи способствует расширению перечня предоставляемых услуг и снижению их стоимости, стимулирует операторов к внедрению новейших технологий. Компании предоставляют своим абонентам многочисленные услуги, которые делают сотовую связь более многофункциональной и расширяют возможности использования сотового телефона.
Рынок сотовой подвижной электросвязи будет развиваться в направлении перехода к следующему поколению сотовой связи - 3G. Реализация проекта 3G сдерживается отсутствием свободного частотного ресурса. После решения вопроса о выделении частотного ресурса будут разработаны условия предоставления частот для организации сети третьего поколения (3G) [25].
В настоящее время во многих странах активно развивается технология Mobile WiMAX, проект по созданию сетей WiMAX существует и в Республике Беларусь.
Развитие технологии идет в нескольких направлениях. Операторы связи развертывают телекоммуникационные сети, а производители оборудования осваивают выпуск мобильных устройств для пользователей: модемов, ноутбуков, нетбуков, карманных персональных компьютеров, телефонов, роутеров со встроенной поддержкой Mobile WiMAX. Массовый выпуск такой техники уже начали мировые лидеры - Samsung, Intel, ASUS, HTC, Lenovo и другие.
Тем временем национальные сети Mobile WiMAX уже развернуты в России (Yota), США (Clear), Корее (KT WiBro) и Японии (UQC). Yota, первая сеть мобильного WiMAX в России, работает с 2008 года. При участии Yota сейчас строятся сети Mobile WiMAX в Перу, Никарагуа и Республике Беларусь.
Создание крупных сетей, развитие рынка устройств и формирование потребительского спроса приводит к так называемому «эффекту домино»: развертывание новых сетей и выход на рынок новых устройств в сформированной среде происходят значительно быстрее и проще.
С образованием WiMAX-сетей национального масштаба возникает необходимость международного роуминга. Переговоры о роуминге сейчас ведутся между компаниями Yota, Clear, UQC и другими операторами. Протокол о намерениях был подписан компаниями в сентябре 2009 года. Одно из необходимых условий роуминга - стандартизация сетей и оборудования, работающего в разных сетях. Над этим сейчас работают ведущие операторы и производители в рамках WiMAX Forum.
Следующим шагом развития Mobile WiMAX должно стать внедрение нового стандарта - IEEE 802.16m, который сейчас находится в стадии тестирования. С его появлением станет возможной передача информации на пользовательское устройство на скорости до 100 Мбит/с. Стандарт совместим с ныне действующим IEEE 802.16e, поэтому пользователям не потребуется переходить на новые устройства после модернизации сети [26].
Однако необходимо учесть, что с развитием сетей сотовой подвижной электросвязи в разы увеличивается стоимость оборудования базовых станций, а также на несколько порядков возрастает объем передаваемой информации. И одной из причин выхода из строя оборудования сетей сотовой связи, перебоев в передаче информации являются так называемые внешние факторы. Для Республики Беларусь наиболее характерными внешними факторами, способными вызвать перебои в связи, поломки аппаратуры и линий связи, являются такие природные явления как грозы.
В Республике Беларусь в среднем наблюдается до 30 случаев грозовой активности за год, в южных областях - около 50. В последние годы их число только увеличивается. Молния может ударить в любой предмет, который находится выше земной поверхности. Ее притягивают вода, металл и электроприборы. Напряженность электрического поля молнии составляет миллионы вольт на метр, сила тока - несколько сотен тысяч ампер, температура плазмы - почти 10 тысяч градусов. Поэтому очевидно, что попадание молнии в антенну сотовой связи, установленную, например, на крыше здания может привести к поломке дорогостоящего оборудования базовой станции, а также вызвать повреждение чувствительной аппаратуры внутри здания или даже привести к возгоранию объекта. При этом нужно учитывать, что антенны операторов сотовой связи устанавливаются практически повсеместно на крышах высотных промышленных зданий и учреждений (иногда сразу несколько, для каждого из действующих операторов сотовой связи). То есть риск довольно велик, а ремонт пострадавшего оборудования потребует и времени, и денежных средств. При этом никакой речи о надежной передаче информации идти не может.
Следовательно, необходимо разработать и установить комплексную систему защиты антенн операторов сотовой связи, оборудования базовых станций, зданий, на крышах которых устанавливается необходимая аппаратура, от атмосферных перенапряжений, проанализировать возможные варианты противодействия грозовым разрядам. Кроме этого, необходимо рассмотреть основные методы борьбы с дестабилизирующими факторами внешних воздействий, дать оценку эффективности применения разного рода молниеприемников и сопутствующего им оборудования.
Целью данного дипломного проекта является достижение стабильной с экономической точки зрения работы операторов сотовой связи, связанных со строительством и эксплуатацией антенн и базовых станций сотовой связи, путем организации комплексной защиты в случае атмосферного перенапряжения возникающего при попадании молнии.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
Изучены способы защиты антенны и базовой станции сотовой связи, от внешних влияний (т. е. молниезащита зданий, сооружений и проводящих инсталляций на их крышах);
Изучены способы защиты внутреннего оборудования базовых станций от вторичного проявления атмосферных перенапряжений;
Исследована экономическая целесообразность монтажа молниезащиты базовой станции сотовой связи;
Для производства работ при монтаже антенн и базовых станций на крышах зданий, разработана местная инструкция при работах на высоте.
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Во время работы над дипломным проектом были использованы литературные источники, которые содержат информацию о грозозащите зданий, сооружений и оборудования внутри них, о грозозащите антенн сотовой связи и радиосвязи.
На сегодняшний день очень актуальна тема молниезащиты зданий и сооружений, в источнике [1,13] описывается новейшая разработка в этой области - активные молниеприемники. Так же здесь приводится пример ряда преимуществ активной молниезащиты над пассивной.
В источниках [2,18] рассмотрен физический механизм развития искрового разряда в гигантских воздушных промежутках между заряженными центрами облака и землей в стадиях развития лидерного процесса и нейтрализации объемного заряда лидера. На основе выполненного анализа определены возможные параметры тока молнии: крутизна нарастания и максимальное значение. Показано, что время нарастания тока молнии соответствует времени пробега электромагнитной волны вдоль канала лидера. Определены волновые параметры канала молнии. Исследована зависимость параметров импульса тока молнии от сопротивления заземления проводящего канала молнии.
В источнике подробно описывается природа образования молнии, ее основные характеристики [4,5] и защиты от нее [6,7]. Описываются различные варианты монтажа молниеприемников.
Для защиты объекта от попадания молнии в дипломном проекте описывается внешняя (активная [9] и пассивная [10]) и внутренняя молниезащита.[12]
В источниках [24,28,31,32,33,34] приведены основные стандарты грозозащиты и защиты от электромагнитных влияний, основные принципы выбора той или иной системы защиты с учетом экономической целесообразности, основные способы определения точек, подверженных влиянию молнии [20], рассмотрены внешние и внутренние системы защиты, приведены реальные примеры комплексной молниезащиты зданий и сооружений, а также различных инсталляций на крышах (в том числе и антенн операторов сотовой связи)
В пособии [3,7,8,11] также приведены основные нормы[15,16], касающиеся молниезащиты, рассмотрены различные виды молниеприемников и токоотводов, молниезащита объектов, расположенных на крышах зданий и сооружений (в частности антенн операторов сотовой связи), рассмотрены основные принципы защиты от искрового перекрытия, а также различные виды заземлителей [17,23], как естественных, так и искусственных. Отдельный раздел посвящен устройствам ограничения перенапряжений в электрической инсталляции на строительных объектах.[19,35]
В источнике [36] излагаются современные представления о разряде молнии, ее опасных воздействиях и способах защиты от них. Рассматриваются механизмы инициирования и развития первого лидера молнии, главной стадии, сопровождающейся разрушительным током в месте удара, эффекты притяжения молнии к высоким сооружениям, воздействие на линии электропередач, подземные кабели, самолеты и др., как прямое, так и в результате электромагнитных наводок от удаленных разрядов. Критически обсуждаются результаты наблюдений и измерений с целью извлечь полезное для понимания молниевых механизмов. Рассматриваются средства защиты от молний, по возможности даются практические рекомендации.
В пособии [3,7] изложены вопросы молниезащиты и защиты от перенапряжений установок промышленных предприятий. Кратко отраженна диагностика состояния заземляющих устройств и молниезащиты. С целью углубленного изучения теоретического материала приводиться рещение отдельных инженерных задач по молниезащите электроустановок и расчету их заземляющих устройств.
В источниках [14,21,27,29,30] приведены основные требования для разработки Местной инструкции по охране труда при работе на высоте, она понадобится нам при монтаже и эксплуатации антенн и базовых станций сотовой связи на крышах зданий.
Так же при разработке дипломного проекта были использованы Internet-источники, где описаны самые последние тенденции в области развития сотовой связи [25,26] и молниезащиты [1,9,10,22].
2. Техническая часть
2.1 Основные термины и определения
1. Безопасное расстояние - минимальное расстояние между двумя проводящими элементами вне или внутри защищаемого объекта, при котором между ними не может произойти опасного искрения.
2. Вторичное проявление молнии - наведение потенциалов на металлических элементах конструкции, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри защищаемого объекта.
3. Двойной (многократный) молниеотвод - это два (или более) стержневых или тросовых молниеотвода, образующих общую зону защиты.
4. Допустимая вероятность прорыва молнии - предельно допустимая вероятность Р удара молнии в объект, защищаемый молниеотводами. Надежность защиты определяется как 1 - Р.[17]
5. Естественные заземлители - заглубленные в землю металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений.
6. Заземляющий контур - заземляющий проводник в виде замкнутой петли вокруг здания в земле или на ее поверхности.
7. Заземляющее устройство - совокупность заземлителя и заземляющих проводников.
8. Заземлитель молниезащиты - один или несколько заглубленных в землю проводников, предназначенных для отвода в землю токов молнии или ограничения перенапряжений, возникающих на металлических корпусах, оборудовании, коммуникациях при близких разрядах молнии. Заземлители делятся на естественные и искусственные.
9. Занос высокого потенциала - перенесение в защищаемое здание или сооружение по протяженным металлическим коммуникациям (подземным, наземным и надземным трубопроводам, кабелям и т.п.) электрических потенциалов, возникающих при прямых и близких ударах молнии и создающих опасность искрения внутри защищаемого объекта.
10. Зона защиты молниеотвода - пространство, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с надежностью не ниже определенного значения. Наименьшей и постоянной надежностью обладает поверхность зоны защиты; в глубине зоны защиты надежность выше, чем на ее поверхности.
- Зона защиты типа А обладает надежностью 99,5% и выше, а типа Б - 95 % и выше.
11. Защищаемый объект - здание или сооружение, их часть или пространство, для которых выполнена молниезащита, отвечающая требованиям настоящего норматива
12. Искусственные заземлители - специально проложенные в земле контуры из полосовой или круглой стали; сосредоточенные конструкции, состоящие из вертикальных и горизонтальных проводников.
13. Конструктивно молниеотводы разделяются на следующие виды:
- стержневые - с вертикальным расположением молниеприемника;
- тросовые (протяженные) - с горизонтальным расположением молниеприемника, закрепленного на двух заземленных опорах;
- сетки - многократные горизонтальные молниеприемники, пересекающиеся под прямым углом и укладываемые на защищаемого объекта.[19]
14. Молниеприемник - часть молниеотвода, предназначенная для перехвата молний.
15. Молниеотвод - устройство, воспринимающее удар молнии и отводящее ее ток в землю.
- В общем случае молниеотвод состоит из опоры; молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии; токоотвода, по которому ток молнии передается в землю; заземлителя, обеспечивающего растекание тока молнии в земле.
- В некоторых случаях функции опоры, молниеприемника и токоотвода совмещаются, например, при использовании в качестве молниеотвода металлических труб или ферм.
16. Молниеотвод, установленный на защищаемом объекте - молниеотвод, молниеприемники и токоотводы которого расположены таким образом, что часть тока молнии может растекаться через защищаемый объект или его заземлитель.
17. Напряжение на заземляющем устройстве - напряжение, возникающее при стекании тока с заземлителя в землю между точкой ввода тока в заземлитель и зоной нулевого потенциала.
18. Отдельно стоящие молниеотводы - это те, опоры которых установлены на земле на некотором удалении от защищаемого объекта.
19. Одиночный молниеотвод - это единичная конструкция стержневого или тросового молниеотвода.
20. Опасное искрение - недопустимый электрический разряд внутри защищаемого объекта, вызванный ударом молнии.
21. Прямой удар молнии (поражение молнией) - непосредственный контакт канала молнии со зданием или сооружением, сопровождающийся протеканием через него тока молнии.
22. Промышленные коммуникации - силовые и информационные кабели, проводящие трубопроводы, непроводящие трубопроводы с внутренней проводящей средой
23. Сопротивление заземляющего устройства - отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающего с заземлителя в землю.
24. Соединенная между собой металлическая арматура - арматура железобетонных конструкций здания (сооружения), которая обеспечивает электрическую непрерывность.
25. Токоотвод (спуск) - часть молниеотвода, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю.
26. Точка поражения - точка, в которой молния соприкасается с землей, зданием или устройством молниезащиты. Удар молнии может иметь несколько точек поражения.
27. Устройство молниезащиты - система, позволяющая защитить здание или сооружение от воздействий молнии. Она включает в себя внешние и внутренние устройства. В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства.
28. Устройства защиты от прямых ударов молнии (молниеотводы) - комплекс, состоящий из молниеприемников, токоотводов и заземлителей.
29. Удар молнии в землю - электрический разряд атмосферного происхождения между грозовым облаком и землей, состоящий из одного или нескольких импульсов тока.
30. Устройства защиты от вторичных воздействий молнии - устройства, ограничивающие воздействия электрического и магнитного полей молнии.
31. Устройства для выравнивания потенциалов - элементы устройств защиты, ограничивающие разность потенциалов, обусловленную растеканием тока молнии.
32. Устройство защиты от перенапряжений - устройство, предназначенное для ограничения перенапряжений между элементами защищаемого объекта (например, разрядник, нелинейный ограничитель перенапряжений или иное защитное устройство). [31], [32].
2.2 Молниеприемники и их виды
Молниеотвод - устройство для защиты зданий, промышленных, коммунальных, транспортных, сельскохозяйственных и других сооружений от удара молнии. Молниеотвод состоит из электрода в виде тонкого, заострённого на конце металлического стержня, устанавливаемого над защищаемым объектом (стержневой молниеотвод), или в виде провода (троса), обычно протягиваемого над линиями электропередачи (тросовой молниеотвод - грозозащитный трос), и из надёжного заземления с общим сопротивлением не более 10-20 Ом. Защитное действие молниеотвода в значительной степени зависит от размеров защитной зоны, границей которой является геометрическое место точек, ограничивающее пространство. Молниеотвод может перехватывать более 99% молний. Защитная зона одиночного стержневого молниеотвода близка по форме к конусу с углом при вершине 45 градусов, у одиночного тросового молниеотвода защитная зона имеет форму трёхгранной призмы, ребром которой служит трос.
При наличии двух и более молниеотводов объект может оказаться защищённым даже в том случае, если он не находится внутри защитных зон, так как вероятность поражения объекта при этом значительно снижается. На электрических подстанциях для отвода токов молнии обычно используется рабочие заземления. Достаточной защитой от молнии небольших жилых домов или других зданий с металлическими крышами является надёжное заземление крыши. Здания с центральным отоплением, водопроводом и подземной электропроводкой практически являются защищёнными от молнии и не нуждаются в специальных молниеотводах. Для защиты помещений, в которых возможно образование взрывоопасных смесей, пыли, паров, газов, применяют изолированные от здания, отдельно стоящие стержневые молниеотводы, расположенные так, что все части здания оказываются в зонах их защиты. При этом каждый молниеотвод должен иметь свой отдельный заземлитель.[33,6]
2.2.1 Одиночный стержневой молниеотвод (пассивная защита)
Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус (рисунок 2.1), вершина которого находится на высоте h0<h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом r0. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения hx представляет собой круг радиусом rx.
1.1 Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой h£150 м имеют следующие габаритные размеры.
Зона A:
h0 = 0,85h,
r0 = (1,1 — 0,002h)h,
rx = (1,1 — 0,002h)(h — hx/0,85).
Зона Б:
h0 = 0,92h;
r0 = 1,5h;
rx =1,5(h — hx/0,92).
Для зоны Б высота одиночного стержневого молниеотвода при известных значениях h и может быть определена по формуле
h = (rx + 1,63hx)/1,5.
Рисунок 2.1 - Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:
I — граница зоны защиты на уровне hx, 2 -то же на уровне земли
1.2 Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой 150 < h < 600 м имеют следующие габаритные размеры
Зона А:
;
Зона Б
;
2.2.2 Двойной стержневой молниеотвод
Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой h£150 м представлена на рисунке 2.2 (рисунок 2.2). Торцевые области зоны защиты определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов, габаритные размеры которых h0, r0, rx1, rx2 определяются по формулам п. 1.1 этой главы для обоих типов зон защиты.
Рисунок 2.2 - Зона защиты двойного стержневого молниеотвода:
1 - граница зоны защиты на уровне hx1; 2 -то же на уровне hx2,
3 - то же на уровне земли
Внутренние области зон защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габаритные размеры.
Зона А:
при L £ h
;
;
;
при 2h < L £ 4h
;
;
;
При расстоянии между стержневыми молниеотводами L > 4h для построения зоны А молниеотводы следует рассматривать как одиночные.
Зона Б:
при L £ h
;
;
;
при h < L £ 6h
;
;
;
При расстоянии между стрежневыми молниеотводами L > 6h для построения зоны Б молниеотводы следует рассматривать как одиночные.
При известных значениях hc и L (при rcx = 0) высота молниеотвода для зоны Б определяется по формуле
h = (hc + 0,14L) / l,06
Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты h1, и h2 £ 150 м приведена на рисунке 2.3 (рисунок 2.3).
Габаритные размеры торцевых областей зон защиты h01, h02, r01, r02, rx1, rx2 определяются по формулам п. 1.1, как для зон защиты обоих типов одиночного стержневого молниеотвода.
Габаритные размеры внутренней области зоны защиты определяются по формулам.