Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ совместной прокладки оптических и силовых кабельных линий в коллекторах, тоннелях и галереях 22
1.1. Совместная прокладка оптических и силовых кабельных линий в коллекторах и тоннелях 22
1.2. Характеристики оптических кабелей для прокладки в тоннелях, коллекторах, галереях 40
1.3. Допустимые длительные токи для силовых кабелей 56
1.4. Способы прокладки силовых кабелей 59
1.5. Мировая практика по подземной прокладке силовых кабельных линий 64
1.6. Повреждаемость силовых кабелей на распределительных сетях 68
Выводы 84
Глава 2. Электромагнитная совместимость силовых и оптических кабельных линий в коллекторах, тоннелях и галереях 87
2.1. Существующие методы расчета электромагнитного влияния силовых кабельных линий на кабельные линии связи в коллекторах, тоннелях и галереях 87
2.2. Уточненная методика расчета электромагнитного влияния силовых кабельных линий на металлические элементы оптических кабельных линий 90
2.3. Учет магнитной проницаемости в расчетах 109
2.4. Учет неоднородной структуры земли... 111
2.5. Оптическая кабельная линия с изолированными внешними металлическими покровами и с заземленными внешними металлическими покровами 112
2.6. Учет влияния нескольких высоковольтных кабельных линий на металлические элементы оптической кабельной линии 115
Выводы 120
Глава 3. Влияние температуры вследствие воздействия электромагнитного поля 122
3.1. Тепловой расчет высоковольтных кабелей в тоннеле, коллекторе, галерее 122
3.2. Расчет теплового сопротивления одножильного силового кабеля 128
3.3. Определение температуры на поверхности оптической кабельной линии и металлических элементах оптической кабельной линии в тоннеле, коллекторе, галерее 141
3.4. Допустимые температуры окружающей среды , при которых работают оптические кабельные линии 146
Выводы 153
Глава 4. Сравнение результатов расчета и измерений влияния температурных воздействий на передаточные характеристики оптического волокна оптических кабельных линиях. 156
4.1. Сравнение результатов расчетов измерения электромагнитного влияния высоковольтных кабельных линий на металлические элементы оптических кабельных линий 156
4.2. Сравнение результатов с экспериментальными данными по тепловому полю 160
4.3. Влияние температурных воздействий на передаточные характеристики оптического волокна 167
Выводы 178
Заключение. 179
Библиография
- Характеристики оптических кабелей для прокладки в тоннелях, коллекторах, галереях
- Уточненная методика расчета электромагнитного влияния силовых кабельных линий на металлические элементы оптических кабельных линий
- Расчет теплового сопротивления одножильного силового кабеля
- Сравнение результатов с экспериментальными данными по тепловому полю
Введение к работе
Проблема электромагнитной совместимости направляющих систем электросвязи (ЭМС НСЭ) возникла в связи с:
резким увеличением энерговооруженности и энергонасыщенности производственных процессов, в связи с чем увеличился уровень электромагнитных помех (ЭМП);
непрерывным усложнением и увеличением функций при одновременном росте числа используемой электротехнической, радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры;
миниатюризацией и сосредоточением различных видов аппаратуры в ограниченных объемах, что при широком использовании разветвленных сетей и систем связи между объектами ведет к росту влияния ЭМП.
ЭМС представляется как комплексная характеристика качества НСЭ с учетом объективных внешних и внутренних аспектов совместимости, которые можно охарактеризовать тремя величинами [1,4].
Первая - это система устойчивости функционирования НСЭ при внутренней ЭМП, которая вызывается внутренними источниками аналоговых или цифровых систем передачи.
Вторая - стойкость к внешним воздействиям (грозовые разряды, разряды статического электричества, радиопередающие станции, линии электропередачи, электрифицированные железные дороги и т.д.). При
6 достаточной интенсивности эти внешние воздействия могут вызвать временные
нарушения функционирования НСЭ и даже временное повреждение НСЭ.
Третья величина - электромагнитное воздействие данной НСЭ на другие НС, для которых это воздействие является помехой.
Решение проблемы ЭМС НСЭ преследует две взаимосвязанные цели:
обеспечение минимальной восприимчивости к внешним и внутренним ЭМП НСЭ;
обеспечение минимального уровня создаваемых ЭМП.
Направляющие системы чрезвычайно разнообразны и в разных случаях классифицируются по-разному: по используемому диапазону шкалы электромагнитных волн, по назначению, по конструкции и т.д. [1-5].
Уровень помех, воспринимаемых направляющей системой, зависит от большого числа факторов: физической длины электрической линии, наличия скрутки, частотного диапазона передаваемых сигналов, конструкции экрана, взаимного расположения направляющих систем. Поэтому любая их классификация с точки зрения электромагнитной совместимости имеет определенную долю условности. Электромагнитная совместимость любой системы или ее части любого иерархического уровня - это совокупность качественных показателей, включающих, с одной стороны, способность нормально функционировать совместно и одновременно с создающими ЭМП
другими системами при наличии внешних естественных и допустимых индустриальных ЭМП; с другой стороны, рассматриваемая система сама не должна создавать ЭМП выше оговоренного научно-технической документацией уровня.
Электромагнитная помеха - нежелательное воздействие электромагнитного, электрического и магнитного полей, а также тока и напряжения любого источника, которое может ухудшить качество функционирования передачи за счет искажения информативных параметров полезного сигнала.
Естественнее ЭМП образуются электромагнитными процессами и явлениями, объективно происходящими в различных оболочках Земли и в космосе, которые непосредственно не связаны с деятельностью человека.
Актуальность работы:
Рассмотрим источники, создающие опасные и мешающие влияния на НСЭ (рис.1).
Из всего разнообразия источников влияния можно выделить только несколько (рис.2) источников, которые создают опасные и мешающие влияния на оптические кабельные линии связи [1].
Это в первую очередь связано с занимаемым диапазоном, поэтому источники, создающие мешающие влияния на НСЭ, отпадают (рис.3).
Учитывая то, что оптические системы работают в диапазоне 1014 - 1015 Гц, на рис. 4 можно увидеть, что ни один частотный спектр не попадает в спектр сигнала оптического волокна (ОВ) [3,4].
*
Вместе с тем, многие оптические кабели в своей конструкции имеют металлические элементы (рис.5):
внешние металлические элементы (ВМЭ) в виде механической защиты сердечника ОК;
центральный металлический элемент (ЦМЭ);
ВМЭ и жилы для дистанционного питания (ЖДП).
Кроме того, для увеличения срока службы ОВ применяется металлизация ОВ (ОВ с М).
Полностью диэлектрические конструкции ОК (ДОК) применяются как для прокладки кабеля в земле, так и для внешней подвески на различных существующих опорах (рис.6).
При прокладке кабеля в земле возможна прокладка ОК совместно с высоковольтным кабелем (ВВК) или даже в конструкции ВВК, в туннеле и на пересечении с ВВК [4,5,6].
При этом возможно увеличение температуры на полимерных элементах ОК и потеря со временем механических свойств полимеров, и, следовательно, уменьшение срока службы (рис.7).
источники
ЕСТЕСТВЕННЫЕ
ИСКУССТВЕННЫЕ
ЭП/СТ
АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
э.жд
Рис.2. Источники, создающие опасные влияния на ОК.
114 -диапазон
ВЧ - диапазон
СВЧ - лиана шм
5 Технический переменный ток
дм см
л.
^м С 107м 1<)6м 100км 10км 1ки 100« 10« 1м 1д« 1
J , L
J , I
I -т
і і і і і г : і і г
<",Гц О 10' 102 Ю3 Ю4 105 10" 107 10* ю' 10"
Радио ЯИ Ш^Н
Телевидение * l^^i
Спутники ^^И СВЧ - диапазон
ІСМ ІММ ЮОмКМ lOviKM ІМКМ ІООїІМ ІОіІМ 1 llltf ІООїІМ ЮіІМ І1ІМ
'.',',' I . і і і і і і
10' 10" 1012 10IJ
Cdct (пилимое излучение)
Диапазон для оптических волокон
Рис.3.Спектр электромагнитных волн.
Рис. 4. Частотные спектры
а)
электромагнитных (а) и
периодических (б) процессов,
вызывающих помехи в _.
б)
электрических установках и приборах:
- коммутационные процессы
- броски нагрузки
- радио, телевидение
- компьютерные системы
5 - сетевые коммутационные
устройства
6 - электротехнологические
установки
- электропривод
- централизованное управление
ОКсМЭ
док
Al - О + БП
Fe-БП
сВМО
+ ЖДП
сВМО
Al - ПЭТ
сВМО
+ ЦМЭ
Fe-БП
*-Fc - ЦМЭ
сВМО
+ ОВсМ
А1 - ПЭТ
+
ОВсМ
Рис.5. Типы ОК.
САМОНЕСУЩИЕ
наВВЛ
НАВИТЫЕ на трос ВИЛ
НАВИТЫЕ на фазу ВВЛ
СОВМЕСТНО С ввк
ПЕРЕСЕЧЕНИЯ С ВВК
І
ЭЛ. ПОЛЕ
МЕШАЮЩИЕ
ОПАСНОЕ
МЕШАЮЩЕЕ
УВЕЛИЧЕНИЕ
а и т
t ВОЗДЕЙСТВИЯ ТОКОВ ВВК
УМЕНЬШЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ
СУХОПОЛОСНАЯ ДУГА
РАЗРУШЕНИЕ ОК
ЭФФЕКТ КЕРРА
УВЕЛИЧЕНИЕ
Рис.6. Виды ДОК и проблемы.
ОКсМЭ
РАЗРУШЕНИЕ 0!<
t ВОЗДЕЙСТВИЕ
ЭФФЕКТ КЕРРА ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ
УМЕНЬШЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ
УВЕЛИЧЕНИЕ
Рис.7. Виды ОК с МЭ и проблемы.
Учитывая свойства ОВ, оптические кабельные линии широко используют для подвески на опорах высоковольтных линий, осветительной сети, железных дорог, трамвая и троллейбуса [3]. В этом случае на высоких уровнях напряжений на ВВЛ постоянное воздействие электрического поля (опасное влияние) при определенных условиях, (дождь, высокий уровень загрязнения атмосферы) приводит к возникновению широкополосной дуги, что повлечет со временем к разрушению ОК.
Одновременно высокая напряженность поля изменяет показатель преломления ОВ, что приводит к эффекту Керра (увеличение затухания и дисперсии), т.е. мешающему влиянию продолжительное время (рис.7).
При грозовых разрядах возникают кратковременные эффекты Керра и
Фарадея (мешающие влияния).
Наиболее серьезным влияниям подвержены оптические кабели с металлическими элементами (ОК с МЭ) (рис.7) при прокладке в земле и на подвеске.
На конструкцию ОК и на ОВ оказывают опасное влияние грозовые разряды, ВВЛ, Эл. ж. д. в аварийном и нормальном режимах работы. При грозовых разрядах и коротких замыканиях на ВВЛ возможно как повреждение ОК, так и разогрев под действием протекающих в них токов полимерных элементов, и либо разрушение, либо сокращение срока их службы. Мешающее влияние проявляется в эффектах Керра и Фарадея, которые и приводят к увеличению дисперсии и затухания
Исследованию электромагнитной совместимости (ЭМС) силовых и электрических кабельных линий (ОКЛ) посвящено много работ: Михайлов М.И., Разумов Л.Д., Соколов С.А., Костенко М.В., Портнов Э.Л. и др. Исследованию ЭМС силовых и оптических кабелей посвящены работы Разумова Л.Д., Портнова Э.Л., Дьяконова М.Н. Конкретно учету теплового поля при совместной прокладке силовых и оптических кабелей посвящены работы Портнова Э.Л. и Дьяконова М.Н., при этом, рассмотрению ряда принципиальных вопросов уделено недостаточное внимание.
Цель работы и задачи исследования
ЭМС ОКЛ в значительной мере зависит от выбора конструкции и условий применения. Неподверженность передачи ОВ прямому электромагнитному воздействию определяется исключительно диапазоном
частот, хотя любое электромагнитное поле проходит через ОВ как через любой диэлектрик.
Целью работы является исследование и разработка уточненной методики расчета воздействия электромагнитного и теплового поля силовых кабелей на оптические кабели при их прокладке в коллекторах и тоннелях. Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
Проведен сравнительный анализ совместной прокладки высоковольтных кабельных линий (ВКЛ) и оптических кабельных линий (ОКЛ) в тоннелях и коллекторах.
Разработана уточненная методика расчета электромагнитного и теплового влияния ВКЛ на ОКЛ в коллекторе и тоннеле.
Разработанная методика позволяет определить оптимальное решение по конструкции ОКЛ при совместной прокладке ВКЛ и ОКЛ коллекторах и тоннелях.
Решена задача по определению теплового поля в любой точке тоннеля на основании точного решения электромагнитного поля.
Методы исследований.
При решении поставленных задач использовались методы теории электромагнитного поля, электродинамики, математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений, методы и средства вычислительной математики и вычислительной техники.
16 Научная новизна основных результатов диссертационной работы
состоит в следующем:
Уточнено решение задачи совместного воздействия электромагнитного и теплового поля ВКЛ на ОКЛ.
Разработана единая методика расчета влияния ВКЛ на ОКЛ при их совместной прокладке в тоннеле и коллекторе в любой точке коллектора и тоннеля.
Полученная методика позволяет определить критические длины совместной прокладки ВКЛ и ОКЛ при их ненормированных расстояниях.
Уточнены значения магнитного влияния на металлические элементы ОКЛ без учета и с учетом воздействия теплового поля.
Уточнены условия воздействия теплового поля на характеристики передачи ОВ ОКЛ, проложенной в коллекторе или тоннеле совместно с ВКЛ.
Практическая ценность.
Материалы диссертационной работы вошли в НИР 2004г - 2005 г, которые выполнялись в научно-исследовательской лаборатории НИЛ - 17 научного центра Московского технического университета связи и информатики.
Результаты работы внедрены при строительстве и прокладке ОК в тоннелях и коллекторах сети МГТС и Телеком МТК и в учебный процесс на
,
кафедре линий связи для дипломного проектирования и в курс лекций «Направляющие системы электросвязи» факультета СС и С МТУ СИ.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на ежегодных научно-технических конференциях МТУСИ в 2004 - 2006 г.г, а также на ежегодной сессии НТОРЭС им АС Попова в 2004 - 2005 г.г. и Международной конференции информатизации 2004 - 2005 г.г.
Публикации по теме диссертационной работы.
Автором опубликовано 23 печатных работ, в т.ч. 7 единолично, получено положительное решение по заявке на изобретение.
Структура и объем работы.
Перечисленные выше положения раскрываются в материалах диссертационной работы, изложенной на 199 страницах машинописного текста, втч 57 рисунков, 53 таблицы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 117 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика расчета электромагнитного влияния ВКЛ на ОКЛ в любой точке тоннеля или коллектора с учетом воздействия теплового поля и различной магнитной проницаемости среды позволяет при любом количестве ВКЛ в коллекторе или тоннеле оптимально разместить ОКЛ в любом месте коллектора или тоннеля.
Методика расчета электромагнитного влияния ВКЛ на ОКЛ с учетом теплового поля в зависимости от конструкции оптического кабеля связи в коллекторе и тоннеле дает возможность с определенной точностью определить как параметры воздействия электромагнитного,так и теплового поля ВКЛ на ОКЛ.
Методика определения воздействия теплового и электромагнитного поля на передаточные характеристики ОКЛ позволяет предотвратить негативные длительные последствия на изменение характеристик передачи по ОВ.
Методика расчета внешнего теплового поля ВКЛ в зависимости от времени позволяет оптимально оценить тепловое воздействие ВКЛ на КЛ за длительный период времени.
Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.
Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, предмет исследования, методы исследования, научная новизна и положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен анализ совместной прокладки оптических и высоковольтных кабельных линий в коллекторах, тоннелях и галереях.
Показано, что в коллекторах и тоннелях используются ВКЛ с изолированной нейтралью напряжением до 10 кВ. Допустимые аварийные токи не превышают 100 - 400 А. В России используются 8 типовых конструкции коллекторов, где совместно прокладываются высоковольтные кабельные линии (ВКЛ) и оптические кабельные линии (ОКЛ). 80% ОКЛ содержат металлические элементы в виде оболочек, армирующих элементов [3,18].
Температурный режим ВКЛ определяется «Правилами устройства электроустановок». Вместе с тем, развитие рынка телекоммуникаций показывает интенсивное вытеснение электрических кабелей связи оптическими, нормативы для которых конкретно не разработаны. Совместная прокладка ВКЛ и ОКЛ в коллекторах, тоннелях, галереях широко используется в мировой практике. Однако существующая статистика повреждений ВКЛ показывает значительный рост повреждений ВКЛ в первые годы эксплуатации ВКЛ, и только через 14-16 лет происходит стабилизация повреждений ВКЛ. Это не может не отразиться на характеристиках ОКЛ. В коллекторе, тоннеле, галерее как закрытом пространстве важное значение приобретает температурный режим и возможные перепады температур при выходе из коллектора, тоннеля, галереи.
Вторая глава посвящена электромагнитной совместимости силовых и оптических кабельных линий в коллекторах, тоннелях и галереях.
Рассмотрены существующие методы расчета электромагнитного влияния ВКЛ на линии связи. Однако ни один из методов не дает возможности определить влияние ВКЛ на ОКЛ в любой точке коллектора, тоннеля, галереи.
Предложенная методика позволяет не только определить влияние ВКЛ на ОКЛ в любой точке коллектора, тоннеля, галереи, но и учесть значение относительной магнитной проницаемости, отличное от единицы, учесть влияние удельного сопротивления земли, влияние нескольких ВКЛ и ОКЛ. Полученные выражения и расчеты по ним показали, что наиболее оптимальной является прокладка ВКЛ и ОКЛ на противоположных сторонах коллектора, тоннеля, галереи, а наиболее опасной является прокладка ВКЛ и ОКЛ на одной стороне коллектора, тоннеля, галереи. Показано, что применение конструкции ОКЛ с изолированными металлическими проводниками в коллекторе, тоннеле, галерее может привести к поражению обслуживающего персонала наведенным напряжением. Наиболее оптимальной является конструкция с заземленными на консолях тоннеля, коллектора, галереи проводниками. Несмотря на увеличение влияния при наличии нескольких ВКЛ на ОКЛ заземление внешних покровов на консолях не приводит к увеличению наведенных напряжений за счет экранирования металлических элементов тоннеля, коллектора, галереи.
Ошибки расчетов по приближенным выражениям, полученным рядом авторов, и точным выражениям, полученным в работе, могут достигать 35% при относительной магнитной проницаемости [ir = 1. При других значениях
относительной магнитной проницаемости эти ошибки могут достигать 200% и более.
В третьей главе рассмотрено влияние температуры при воздействии электромагнитного поля. Согласно «Правилам устройства электроустановок» температура на жиле ВКЛ напряжением 10 кВ не должна превышать 65С при температуре окружающей среды 25 С. При аварийных режимах эти температуры увеличиваются до 150-200С в зависимости от типа изоляции жилы.
При токах жилы 100-460 А на металлических элементах ОКЛ могут наводиться напряжения и токи 10-15 А/км, которые могут принять участие в нагреве среды тоннеля, коллектора, галереи. Токи ВКЛ могут поднять температуру в коллекторе, тоннеле, галерее до 45-54С. Вместе с тем токи в металлических элементах ОКЛ изменят температуру на 5-10С в том случае, если металлические элементы изолированы от окружающей среды коллектора, тоннеля, галереи. При заземленных внешних металлических элементах на консолях наведенные напряжения и токи в ОКЛ не оказывают влияния на температуру внутри сооружения.
В главе 4 приведено сравнение полученных теоретических данных по электромагнитному влиянию с экспериментальными. Результаты дают 2% отличие. Расчеты по тепловому полю дают хорошее совпадение с экспериментами в фиксированных точках, т.к. нагрузка ВКЛ непрерывно меняется в течение суток. Ошибка по температурному режиму составляет 6,9%.
Таким образом, для ОКЛ в тоннеле, коллекторе, галерее важнейшими задачами являются:
воздействие электромагнитного поля и температуры на передаточные характеристики ОВ ОКЛ;
воздействие электромагнитного поля на безопасность персонала.
Показано, что перепады температуры для ОВ могут изменить показатель преломления сердцевины ОВ и, следовательно, временную задержку, дисперсию, затухание.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
В приложении приведены документы о внедрении результатов работы.
Характеристики оптических кабелей для прокладки в тоннелях, коллекторах, галереях
В зависимости от условий применения на Взаимоувязанной сети связи России (ВСС) оптические кабели могут содержать основные конструктивные элементы [3,5,9,10], приведенные нарис 1.10.
Чтобы не удорожать и не усложнять техническую эксплуатацию, конструкции ОК должны исключать необходимость их содержания под избыточным воздушным давлением.
Оболочка ОК должна в течение всего срока службы сохранять герметичность, влагонепроницаемость, электрическую прочность, стойкость к воздействию соляного тумана, солнечного излучения, стойкость к избыточному гидростатическому давлению, к низким и высоким температурам, обеспечивать нераспространение горения и иметь требуемые механические свойства на растяжение, сдавливание, удары и изгибы.
Броня, применяемая в ОК, должна обладать механическими свойствами, адекватными условиям прокладки и эксплуатации ОК, и сохранять эти свойства в течение всего срока службы ОК, обеспечивать защиту от грызунов.
Оптические волокна, применяемые в конструкциях ОК, имеют характеристики, зависимые от температурных условий (таблица 1.3). Электрические параметры ОК приведены в таблице 1.4. В зависимости от назначения ОК должен выдерживать определенный диапазон температур (таблица 1.5)
Волоконно-оптическая связь занимает лидирующее место в отрасли телекоммуникаций и одно из важнейших составляющих мировой индустрии. Ежегодный прирост объема проложенного волокна в 90-х годах не опускался ниже 20%) с рекордным показателем в 1999 г., когда этот прирост составил 38% (рис 1.11). Рост объемов прокладки линий сопровождался значительными усовершенствованиями систем передачи и в том числе волокон, направленными на значительное увеличение пропускной способности линий связи. Следует отметить, что сочетание роста объемов прокладываемого волокна с усовершенствованием технологии связи, особенно на дальних линиях связи, привело к взрывообразному росту трафика. Если задаться вопросом: что явилось основным побудительным мотивом столь впечатляющего развития, ответ будет однозначным - Интернет, ставший доступным широкому кругу потребителей в 90-х годах, побил все рекорды роста потребности в трафике. Мировые объемы прокладки волокон в сухопутных линиях связи.
Другим важным фактором, приведшим к быстрому росту систем связи, явилась либерализация законодательства в области телекоммуникаций в Европе, Латинской Америке и Южной Африке. Это создало предпосылки к образованию новых телекоммуникационных компаний и привлечению дополнительных капиталов в отрасль. Существует определенная опасность повреждения оптических кабелей связи от электромагнитных воздействий при прокладке их в коллекторах и тоннелях. ОКЛ с металлическими элементами в настоящее время широко используются в подземных, подвесных, подводных конструкциях на магистральных, зоновых и местных сетях, в районах землетрясений, в районах с вечномерзлыми грунтами и оползневыми участками, в местах обитания большого количества грызунов. При разработке конструкции ОК следует различать две большие группы: 1. диэлектрические; 2. с металлическими элементами. Первую и вторую группы можно разделить на три подгруппы: а) ОК, содержащие армирующие элементы (диэлектрические или металлические) в центре конструкции кабеля; б) OK, содержащие армирующие элементы по периферии оптического сердечника; в) ОК, содержащие армирующие элементы и в центре и на периферии.
При выборе того или иного типа оболочек (диэлектрическая, металлическая, металлодиэлектрическая) необходимо рассматривать большое число различных факторов, кроме электромагнитного воздействия.
Как можно видеть из таблицы 1.6, ОК для коллекторов и туннелей могу содержать бронепокровы Кроме того, как можно видеть из таблицы 1.7, кроме бронепокровов из металла, ОК могут содержать стальной центральный силовой элемент. ОК из круглых стальных проволок или стальной гофрированной оболочки.
для прокладки в тоннелях или коллекторах изготавливают все кабельные заводы России, т.к. они могут прокладываться и непосредственно в грунте и канализации.
Рассматриваемые конструкции ОК относятся к группе кабелей с пассивными металлическими элементами. Поэтому важным моментом является вопрос электромагнитной совместимости ОК в условиях воздействия сильных электромагнитных полей:
1. Чисто диэлектрическая конструкция ОК применятся для прокладки в земле и для совмещения с любой направляющей системой, в частности с электрифицированной железной дорогой переменного тока (в эл.ж.д подвешивается на опорах эл.ж.д.) линией электропередачи. Диэлектрические конструкции ОКС, проложенные в земле, подвергаются агрессии со стороны грызунов, имеют более слабые механические характеристики: опасные воздействия землетрясений, оползней, мерзлотных явлений.
2. Конструкции с металлическими элементами имеют серьезные проблемы, связанные с электромагнитной совместимостью. Для конструкций, содержащих металлические элементы внутри металлического сердечника, такие как наличие троса, может привести к возникновению перенапряжений на тросе и, следовательно, необходимости рассмотрения пробоя между тросом и землей и вопросы, связанные с обслуживанием кабелей с металлическими элементами внутри оптического сердечника. В результате возможны косвенные воздействия на ОВ такие как: 1. воздействие электрического поля на диэлектрические элементы ОКС и их разрушение от времени; 2. электрический пробой в виде дуги между металлическими элементами и разрушение ОВ; 3. перегрев металлических элементов при протекании больших токов и повышение температуры на поверхности защитных полимерных элементов ОВ выше 200С и потери прочности; 4. нарушение герметичности ОВ в конструкции ОК и проникновение влаги и коррозия ОВ. 5. воздействие сильных ЭМ полей на конструкцию с ОВ и потеря механических характеристик ОК во времени.
Уточненная методика расчета электромагнитного влияния силовых кабельных линий на металлические элементы оптических кабельных линий
Согласно главе 1 большинство оптических кабельных линий прокладываемых в коллекторах и тоннелях, имеют бронепокровы из круглых проволок, либо центральный металлический элемент и бронепокров из круглых проволок.
В диссертации Дьяконова М.Н. [21] рассматривалась модель электромагнитного влияния силового кабеля на оптический кабель с металлическими элементами в круглом тоннеле. Эта модель крайне приближенно давала оценку влияния. На основании ее решения рассматривались вопросы теплового режима для оптического кабеля.
Расчеты коэффициента взаимной индукции для проводников с возвратом через землю необходимо выполнять для условий режима короткого замыкания в системе трех разных линий. Большинство работ [28-50] посвящено воздушным высоковольтным линиям и только в работах [37, 38, 46, 50] выполняются расчеты для подземных кабельных линий.
В случае однородной структуры земли глубина проникновения токов в толщу земли определяется выражением: Ро= П Z пРи =Ио 1 Приц=иоЦг Р0= , где ыг - относительная магнитная проницаемость среды, с - проводимость среды, w=2nf, где/- частота влияющего тока, /=50Гц. О Учитывая, что глубина проникновения токов частотой 50Гц значительно больше глубины прокладки силовых и оптических кабелей, можно допустить к использованию выражения для воздушных линий передачи.
Для силового кабеля, проложенного в тоннеле, радиусом а, коэффициент самоиндукции определится как: Ък а Для точного решения задачи рассмотрим проводник радиусом а, # расположенный на расстоянии в от центра цилиндрического тоннеля радиусом й, окруженного однородной средой с удельной проводимостью а и магнитной проницаемостью //(рис.2.1). Плотность тока J и напряженность электрического поля Е в земле параллельны осевому току проводника поэтому: Еф=Ег=іф=,Іг=0.
Пренебрегаем для частоты 50Гц поверхностным эффектом и эффектом близости обратного тока в земле вследствие их незначительности, поэтому общий ток проводника протекает по всему сечению проводника. Токами смещения пренебрегаем, поз тому дД dt = Следовательно в земле L = оЕ2 В направлении распространения напряженность электрического поля не изменяется, т.е. dEz _ dJz dz dz Для магнитного векторного потенциала А при синусоидальном токе имеем V72, дА . V A = jia— = vw\ioA dt Предположив, что А не имеет изменений по Z, и только г составляющие могут изменятся, используем цилиндрические коэффициенты для А вне тоннеля: А:,{гіф)=Ал{г)А2(ф) Решение будет: Azo -/_ »=0 FJn + Л г + [F3n cos пф + F4n sin пф] где In (и) и Kn (u) модифицированные функции Бесселя первого и второго рода порядка п. Так как In(u) - со, то Fln должен быть равен 0, т.к. А і (г) - ограниченная величина А2(ф) является четной функцией ф, то F4„ должен быть равен 0.
Расчет теплового сопротивления одножильного силового кабеля
Нагрузка силовых кабелей зависит от допустимой температуры нагрева токопроводящих жил, а также от условий теплоотвода [11,61-72].
Длительно допустимую нагрузку можно найти путем составления уравнения теплового баланса для кабеля в установившемся тепловом режиме на основе так называемого «теплового закона Ома».
Этот закон отражает законы передачи теплоты внутри кабеля и на его поверхности в установившемся режиме. Внутри кабеля теплота распространяется согласно гипотезе Фурье: количество теплоты dP, проходит через элемент изотермической поверхности dF за промежуток времени dx, пропорционально падению температуры по направлению нормали к данной щ поверхности: dP = -\—dFdr (3.1) dn где X - теплопроводность изоляции кабеля.
На поверхности кабеля передача теплоты в окружающую среду может осуществляться как за счет теплопроводности последней (прокладка в земле), так и за счет конвекции (прокладка в воде, в воздухе). Количество теплоты, передаваемое при конвективном теплообмене, также пропорционально разности температуры поверхности кабеля и окружающей среды, т.е. dP = a(v-v0)dFdr (3.2) где a - коэффициент теплоотдачи.
В установившемся режиме оба процесса передачи теплоты учитываются «тепловым законом Ома»: Av = PS (3.3) где AD - разность температур между какими-либо точками на изотермических поверхностях кабеля или кабеля и окружающей среды, К; Р - тепловой поток, « проходящий через эти изотермические поверхности, Вт; S - термическое сопротивление элемента кабеля и окружающей среды, К/Вт.
Понятие «тепловой закон Ома» введено по аналогии с электрическими цепями, распределение напряжения и тока в которых подчиняется тем же законам, что и распределение температуры и тепловых потоков в кабеле в установившемся тепловом режиме.
Для расчета допустимой нагрузки необходимо учесть все источники теплоты, имеющиеся в кабеле при его работе, а также термические сопротивления элементов кабеля и окружающей среды.
В кабелях постоянного тока источником теплоты являются потери в токопроводящих жилах Рж. В кабелях высокого напряжения переменного тока, помимо потерь в жилах, имеются потери в диэлектрике Рд, а также потери в металлических экранах и оболочках Р0 и Р0 . 124 В дальнейшем при расчете допустимых токов удобно пользоваться тепловой схемой замещения кабелей (рис.3.1.), построенной по аналогии с электрическими схемами. с Рж Рд Роб S V п иж Ьиз Sn So Рис. 3.1. Тепловые схемы замещения одножильного кабеля переменного тока Для одножильного кабеля постоянного тока согласно рис. 3.1 и выражению (3.3) можно записать: -У0 = РЖ(5И4Л+5О) где иж - температура жилы, К; и0 - температура окружающей среды, К; SH3 - термическое сопротивление изоляции жилы, К/Вт; Sn - термическое сопротивление поверхности оболочки, К/Вт; S0 - термическое сопротивление окружающей среды, К/Вт.
Термическое сопротивление окружающей среды зависит от наружного диаметра кабеля, температуры его поверхности, а при прокладке на воздухе - от цвета и состояния поверхности, так как в этом случае наряду с конвективной передачей теплоты имеет место излучение света. При определении термического сопротивления окружающего воздуха с достаточной степенью точности можно пользоваться следующей формулой: S0 = \/axdk (3.5) 125 где І/а - удельное сопротивление теплопереходу от поверхности кабеля в воздух, К-м7Вт: dK - наружный диаметр кабеля, м.
Значение 1/а - многократно определялось экспериментально, для кабелей высокого напряжения оно может быть принято равным 0,1 К#м /Вт.
Однако, как известно, коэффициент теплоотдачи а зависит от температуры поверхности кабеля и его геометрии. Кроме того, выражение (3.5) не учитывает уменьшение термического сопротивления окружающей среды за счет излучения теплоты с поверхности. В тех случаях, когда необходимо более точно рассчитать термическое сопротивление окружающего воздуха, можно пользоваться выражением: с- 0 4MAv„)"4 где h - постоянная теплоотдачи, Вт/(м2 К5/4); Дип - превышение температуры поверхности кабеля v„ над окружающей средой и0, К; Aun = ип - и0.
Кабели с защитными покровами рассматриваются как кабели, имеющие темную поверхность. Для кабелей со свинцовой оболочкой, а также бронированных кабелей значение h составляет 80% значения h для темной поверхности. Расчеты по формуле (3.6) связаны с определенными трудностями, так как значение Дип заранее не известно.
Сравнение результатов с экспериментальными данными по тепловому полю
Согласно проведенным расчетам по тепловому воздействию силовых кабелей с токами 460А и 620А. Температура при неизменной нагрузке в коллекторе составляет при допустимой температуре на жиле силового кабеля 65С, в коллекторе 44С.
При увеличении нагрузки по току в 1,35 раза т.е. 620А и увеличении температуры жилы силового кабеля до 85С температура в коллекторе вблизи ВВК будет равна 48,6С.
Согласно работе [64] температура на жиле при экспериментах изменялась от 47,5С до 90С при токе 475 - 540А, но при этом учитывался многочасовой цикл изменения нагрузки и днем, и ночью.
В высоковольтной кабельной линии, расположенной в коллекторе или тоннеле, температура на жиле меняется в течение суток от нормального значения (65С) до 50С и 70С за счет изменения нагрузки (рис.4.1) однако, температура может увеличиваться до 95С - 110С при переходном режиме (рис.4.2).
На рис.4.3 представлен нормализованный токовой цикл в течение 24 часов в зависимости от изменения нагрузки, где КТП меняется от 0,56 до 1 при 75% нагрузки и днем, и ночью.
Если принять: — — = гитах max то можно пересчитать тепловые потери на элементах ВКЛ. Расчеты, выполненные для ВКЛ показывают при сравнении с измерениями, что при токах 460А и температуре силового кабеля 65С температура в коллекторе в верхней его части будет составлять 55С, а на консолях в средней части 45С, однако, при изменение (рис. 4.4) температура поднимается в верхней части При аварийных условиях при увеличении температуры до 120С на проводнике силового кабеля, температура в коллекторе в верхней точке достигает 70С, а в средней части 60С (рис.4.7)
Аварийный режим возникает при перегрузках ВКЛ, т.е. когда токи нагрузки достигают максимальных значений, а температура на жиле и в окружающей среде достигает максимальных значений. Так при токе на жиле 620А и температуре на жиле 120С температура окружающей среды будет достигать 33С (рис.4.7).
Следовательно, если далее увеличить величину тока до 620А, температура на жиле увеличится до 0Х=118
Допустимая температура на жиле силового кабеля, как указано выше, при токе 620А не должно быть выше 85С. Как показывают расчеты, температура окружающей среды при токе на жиле 620А и температуре на жиле 120С составляет 33С, а при токе 460А и температуре жилы 65С составляет 17С, что соответствует проведенным экспериментам.
Рассмотрим максимальные и минимальные токи на жилах силового кабеля и соответственно на металлических элементах ОКЛ.
Температура 65 С на жиле силового кабеля соответствует допустимому току 460А, что соответствует току на металлических элементах ОКЛ, равному 14-19 А при худших условиях расположения силового кабеля и ОКЛ при 0=7 на консолях коллектора. їж , А р, Ом-м 10 100 500 1000
Однако, температура поверхности ОКЛ мало изменяется, её колебания не выходят за пределы ±2С при заземлении внешних металлических элементов на консолях коллектора или тоннеля.
Приведенные экспериментальные результаты подтверждают достоверность проведенных расчетов, что позволяет сделать вывод о верном решении для оптической кабельной линии.
