Практические / Пр5-Р_Гроза

Дисциплина НТС Практическая работа № 5-Р

ВЛИЯНИЕ ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ НА ЛИНИИ СВЯЗИ

Требования к оформлению

1.Условие задания и исходные данные своего варианта переписываются полностью и помещаются перед решением задания.

2.Расчетные формулы приводятся в том виде, как они даны в методических указаниях или основном учебнике. Ссылка на номер формулы при этом обязательна. Если требуется рассчитать заданный параметр в диапазоне частот, то он подробно рассчитывается на одной частоте с обязательной подстановкой численных значений входящих в формулу параметров. На других частотах приводятся в форме таблиц только окончательные значения расчетного параметра.

3.Результаты расчетов обязательно сравниваются с нормами, если рассчитываемый параметр нормируется и указывается размерность каждого рассчитываемого параметра.

4.Все страницы, чертежи, рисунки и таблицы должны соответствовать требованиям предъявляемым к оформлению ВКР бакалавра, которые опубликованы на сайте МТУСИ.

5.В конце работы приводится вывод и список использованных источников с указанием издательства и года издания. Методические указания также входят в этот список.

ЗАДАНИЕ

Рассчитайте плотность повреждения кабеля связи от грозовых разрядов и подберите меры защиты при заданных исходных данных: тип кабеля, удельное сопротивление земли = 1000 Ом ∙ м, место прокладки кабеля. Считаем, что кабель работает по двухкабельной системе связи.

Номер варианта задания определяется двумя последними цифрами номера студенческого билета. Например, если номер студенческого билета No 22175, то вариант задания 75.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 1 – Исходные данные

1

что связано с условиями образования и разделения зарядов в грозовых облаках. Но в большинстве случаев токи молнии имеют отрицательную полярность, т.е. из облака в землю переносится отрицательный заряд и лишь в редких случаях зафиксированы токи положительной полярности.

Именно с токами молнии часто связано возникновение перенапряжений в электрических установках, в том числе в устройствах проводной связи. Различают два вида воздействия: прямой удар молнии в линии связи и косвенные воздействия токов молнии при разряде молнии вблизи линий связи. В результате обоих воздействий в проводах линий связи возникают атмосферные перенапряжения.

Степень грозостойкости кабеля ударам молнии характеризуется добротностью кабеля q и определяется отношением максимально допустимого ударного напряжения к омическому сопротивлению металлического покрова кабеля на длине 1 км:

Повреждения в кабеле возникают не при каждом ударе молнии, опасным является такой удар, при котором возникающее напряжение превышает по амплитуде пробивное напряжение кабеля в одной или нескольких точках. При одном и том же опасном ударе может возникнуть несколько повреждений кабеля.

Повреждаемость кабелей ударами молний характеризуется плотностью повреждений. Под плотностью повреждений понимается общее количество отказов (повреждений с простоем связей), отнесенных к 100 км трассы кабеля в год, как при однокабельных системах передачи, так и двухкабельных, т.е.:

где– общее число повреждений, равное числу опасных ударов молнии;

– промежуток времени, за который произошло повреждений, лет;– длина трассы, км.

Для определения плотности повреждения кабеля с металлическими защитными покровами, не имеющего поверх оболочки изолирующего шлангового покрытия, необходимо знать следующие данные:

•сопротивление внешних защитных металлических покровов постоянному току, Ом/км;

•удельное сопротивление грунта, Ом ∙ м;

•электрическую прочность изоляции жил по отношению к металлической оболочке, В;

•интенсивность грозодеятельности в районе прокладки кабеля (количество часов в году);

•характер местности: наличие леса или отдельно стоящих деревьев, наличие воздушных линий связи или линий электропередачи (при этом необходимо знать высоту опор и расстояние до кабеля связи) и т.д.

Для определения плотности повреждения кабеля, имеющего поверх металлических защитных покровов изолирующее шланговое покрытие, необходимо дополнительно к перечисленным данным знать электрическую прочность внешнего изоляционного покрытия, В; емкость между металлической оболочкой и землей, Ф/км; емкость между пучком жил и оболочкой, Ф/км.

Сопротивление внешних защитных металлических покровов постоянному току находится либо экспериментальным, либо расчетным путем по формуле:

где - удельное электрическое сопротивление материала металлической оболочки кабеля, Ом ∙

мм2/м (таблица 1);

d1 и d2 - соответственно наружный и внутренний диаметры оболочки кабеля, мм; t - толщина оболочки кабеля, мм.

Если оболочка состоит из нескольких слоев разного материала, проводимость каждого слоя находится отдельно, а затем результаты складываются.

3

Сопротивление ленточной брони, состоящей из двух стальных лент, определяется по формуле:

гдебр - средний диаметр кабеля по броне, мм;

а - ширина одной ленты, мм; в - толщина ленты, мм.

Общее сопротивление внешних защитных покровов постоянному току R находится как сопротивление параллельно соединенных металлической оболочки и стальной брони кабеля:

Если кабель имеет несколько проводящих защитных покровов, имеющих периодически контакт между собой, то их общее сопротивление находится как сопротивление параллельно соединенных проводников.

Втаблице 1 приводятся удельные электрические сопротивления металлов, применяющихся

вкачестве покровов. В таблице 2 приводятся некоторые параметры основных типов междугородних кабелей, характеризующие их грозостойкость.

Таблица 1 – Удельное электрическое сопротивление металлов

Таблица 2 – Параметры междугородных кабелей

Если параллельно друг другу проложено несколько кабелей, не имеющих шлангового покрытия поверх металлической оболочки, и максимальное расстояние между ними не превышает 1,2 м, то вопрос о защите решается исходя из общего сопротивления защитных покровов всех кабелей. При этом предполагают, что последние соединены параллельно.

Электрическая прочность изоляции пр между жилами и металлической оболочкой кабеля определяется экспериментально для импульсов напряжения в предразрядное время порядка 10 мкс и пробое на фронте волны. В случае невозможности экспериментального определения допустимое импульсное напряжение приближенно можно оценить по формуле:

4

где исп – испытательное напряжение изоляции «жила-оболочка» при частоте 50 Гц (определяется по техническим условиям на данный кабель). Если испытательное напряжение задано при постоянном токе, то допустимое импульсное напряжение определяется по формуле:

Для типов кабелей дальней связи, используемых в данной работе, максимальное допустимое импульсное напряжение для изоляции «жила-оболочка» приведено в таблице 2.

Если в кабеле содержатся жилы с различной изоляцией по отношению к оболочке, то расчет плотности повреждений кабеля ведется по наименьшей прочности изоляции; в комбинированных кабелях с коаксиальными и симметричными парами и сигнальными жилами – по прочности симметричных пар.

Интенсивность грозовой деятельности определяется по продолжительности гроз в часах по сведениям метеостанций, располагающихся на трассе кабеля. Ориентировочную оценку интенсивности грозодеятельности можно проводить по картам, приведенным в приложении А.

Плотность повреждений молнией кабеля связи с металлическими покровами без изолирующего шланга, проложенного по открытой местности (на 100 км длины кабеля в год), можно определить по графикам, представленным на рисунке 2. Графики построены исходя из расчетной электрической прочности изоляции кабеля пр = 3000 В при средней продолжительности гроз T=36 ч. в год.

Рисунок 2 – Плотность повреждений молнией кабеля связи с металлическими покровами без изолирующего шланга

5

При других значениях электрической прочности изоляции пр и продолжительности грозового сезона Т величину плотности n, полученную из графиков рисунка 2, следует пересчитать по формуле:

Плотность повреждений, получаемая из графиков рисунка 2 и формулы (2), относится к отрезку магистрали длиной 100 км. Для необходимости определения ожидаемого числа повреждений участка некоторой длины l, плотность повреждений, определяемую по формуле (8), следует умножить на отношение длин:

Плотность повреждений кабелей связи, имеющих шланг, не зависит от удельного сопротивления окружающего грунта и определяется параметрами кабеля и грозодеятельностью в районе прокладки.

На междугородных кабельных линиях связи защитные мероприятия следует предусматривать на тех участках, где ожидаемая плотность повреждений (ожидаемое число опасных ударов молнии) превышает норму. Для симметричных и коаксиальных кабелей допустимая плотность повреждений указана в таблице 3.

Таблица 3 - Допустимая плотность повреждений кабелей

Защитить междугородние линии связи от ударов молнии можно следующими способами:

•путем прокладки специальных грозостойких кабелей с повышенной проводимостью оболочки (кабели с алюминиевой оболочкой, кабели типа МКСЭБ, МКСАБп, КМЭБ идр.);

•с помощью проложенных в земле параллельно кабелю медных, биметаллических или стальных оцинкованных проводов, шин и тросов;

•с помощью заземлителей, подключенных в определенных точках к металлическим покровам кабеля;

•с помощью разрядников, включенных между жилами и оболочкой кабеля в муфтах;

•с помощью действующей воздушной линии связи, проходящей параллельно кабелю и оборудованной искровыми промежутками с выносными заземлителями.

Выбор той или иной защитной меры или комплекса защитных мер устанавливается исходя из экономической целесообразности на основании нормативных указаний.

Тросы, проложенные в земле над кабелями, выполняют следующие функции:

•уменьшают вероятность попадания прямых ударов молнии в кабель;

•отводят часть тока молнии в землю и, следовательно, уменьшают ток в металлической оболочке кабеля;

•в случае прямых ударов молнии уменьшают влияние тепловых и механических воздействий на кабель. Это очень важно для коаксиальных кабелей, поскольку они чрезвычайно чувствительны к деформации, которая может возникнуть в случае появления этих воздействий вблизи кабеля;

6

•эффективно понижают градиенты потенциалов в земле.

Защита кабеля с помощью подземных проводов (тросов)

Защитное действие проложенных в земле проводов или тросов характеризуется коэффициентом тока в оболочке кабеля , показывающим отношение тока молнии в оболочке кабеля при наличии троса к току молнии при отсутствии троса. Этот коэффициент для одного медного или биметаллического провода рассчитывается по формуле:

где rкт – расстояние между кабелем и защитными тросами, мм; dт – диаметр защитного троса, мм;

dк – внешний диаметр оболочки кабеля, мм.

На рисунке 3 приведены зависимости коэффициента тока η в оболочке кабеля от диаметра защитного провода. При прокладке одного биметаллического провода (кривая 1), одного стального (кривая 2), двух биметаллических проводов с расстоянием между ними 0,6 м (кривая 3) и двух стальных проводов (кривая 4), а также с расстоянием между ними 0,6 м. Для всех кривых величина rкт = 0,4 м.

Рисунок 3 - Зависимости коэффициента тока η в оболочке кабеля от диаметра защитного провода: 1 – для провода БСМ; 2 – для стального провода;

3 – для двух проводов БСМ при расстоянии между ними 0,6 м; 4 – для двух стальных проводов при расстоянии между ними 0,6 м

На рисунке 4 представлены зависимости коэффициента тока η в оболочке кабеля от расстояния между кабелем и защитным проводом, выполненным в виде биметаллического или стального троса, а на рисунке 5 – зависимость от расстояния между защитными проводами (для двух защитных проводов ПС-70).

7

Рисунок 4 – Зависимости коэффициента тока η в оболочке кабеля от расстояния между кабелем и защитным проводом: 1 – для провода ПС-70; 2 – для провода БСМ – 4 мм;

3 – для провода БСМ 5 мм

Рисунок 5 - Зависимости коэффициента тока η в оболочке кабеля от расстояния между защитными проводами: 1 – 0,3 м; 2 – 0,4 м; 3 – 0,6 м

Расчет защиты тросами проводится следующим образом:

•Если плотность повреждений на участке линии связи превышает допустимое значение, то в качестве защитной меры может быть выбран один защитный провод (трос).

•Далее для оценки эффективности действия этого защитного провода (троса) рассчитывается коэффициент тока в оболочке кабеля η.

•По графику на рисунке 2 определяется плотность повреждений кабеля n после прокладки защитного провода, при этом вместо сопротивления внешних защитных покровов кабеля R берется величина:

•Если найденная величина плотности повреждений меньше допустимой, то для защиты достаточно одного защитного провода.

•Если больше допустимой, то следует взять уже два защитных провода, после чего опять рассчитать плотность повреждений кабеля с двумя защитными проводами.

Коэффициент тока двух биметаллических проводов при симметричном расположении

защитных покровов относительно кабеля определяется по формуле:

где rтт – расстояние между защитными тросами (проводами).

Для большего увеличения защитного действия возможно применение трех или более защитных проводов.

Если кабель проложен на открытой местности и по условиям расчета выбран один защитный провод, то предпочтительно его прокладывать над кабелем. При прокладке двух и трех защитных проводов последние следует располагать симметрично над кабелем с расстоянием между проводами от 2,0 м при ручной прокладке и до 1,2 м при механизированной прокладке. Предпочтительны следующие расстояния между двумя соседними проводами: при двух защитных проводах – 2,0 м, а при трех – 0,6 м.

Защитные провода и тросы прокладываются при механизированной прокладке примерно на половине глубины прокладки кабеля, но не менее 0,3 м от поверхности земли (за исключением скального грунта). При прокладке в скальном грунте защитные провода (тросы) прокладываются на одной глубине с кабелем.

Если кабель прокладывается вдоль леса (аллеи деревьев) либо вдоль воздушной линии связи или линии электропередачи, и необходимо проложить грозозащитный трос, то трос прокладывается между кабелем и лесом на расстоянии от 2 до нескольких метров от кабеля.

8

Порядок выполнения задания

1.Используя таблицу 2, определите общее сопротивление внешних защитных покровов постоянному току параллельно соединенных кабелей по формуле общ = /2.

2.Используя карту из приложения А, найдите значение средней продолжительности гроз в районе прокладки кабельной трассы.

3.С помощью графиков на рисунке 2 определите значение плотности повреждений молнией кабеля связи, приведенное для расчетной электрической прочности изоляции кабеля пр = 3000 В при средней продолжительности гроз T=36 ч. в год.

4.По формулам (8) и (9), используя данные из таблицы 2, проведите перерасчет плотности повреждений молнией кабеля связи для заданного района прокладки и его длины.

5.Сравните значение, полученное в п.4, с нормами, приведенными в таблице 3. Если

полученное значение превышает норму, то требуются защитные мероприятия.

Для начала в качестве меры защиты подберите прокладку биметаллического троса диаметром 5 мм и оцените эффективность тросовой защиты.

По кривым на рисунке 3 для биметаллического троса диаметром 5 мм определите коэффициент тока η в оболочке кабеля. Подсчитайте сопротивление металлических покровов с учетом этого коэффициента тока η по формуле (11). Далее из графика на рисунке 2 найдите значение вероятностной плотности повреждения n при T=36 ч. и пр = 3000 В. Пересчитайте полученное значение для параметров заданного кабеля и района его прокладки (таблица 2). Сравните новое значение вероятности плотности повреждения с нормами, приведенными в таблице 3. Если полученное значение не превышает норму, то принятые защитные меры в виде прокладки биметаллического троса диаметром 5 мм достаточны, а если больше допустимой, то следует взять уже два защитных провода, после чего опять рассчитать плотность повреждений кабеля с двумя защитными проводами.

9

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рисунок 1 – Распределение интенсивности грозовой деятельности по территории России и стран СНГ

Рисунок 2 - Карта районирования территории РФ по среднегодовой продолжительности гроз в часах (https://ezop.ru/services/karta)

10