Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние электромагнитной обстановки на качество связи 24
1.1. Характеристики, определяющие качество связи 27
1.2. Контроль качества связи 28
1.3. Результаты тестирования абонентов ОАО МГТС 32
1.4. Нормативные требования по ЭМС для предприятий связи 37
1.4.1. Заземление и экранирование телекоммуникационного оборудования в телекоммуникационных центрах 37
1.4.2. Требования к техническим средствам связи по обеспечению ЭМС в части устойчивости к электромагнитным помехам 45
2. Теоретический анализ и моделирование электромаг нитных процессов в цепях питания технологического оборудования и абонентских линиях 50
2.1. Рассмотрение объектов связи с точки зрения ЭМС 50
2.2. Моделирование электромагнитных помех в системах заземления-зануления и питания технологического оборудования 55
2.2.1. Модель образования электромагнитных помех и их распространения от источника к рецептору кондуктивным путём 55
2.2.2. Модель образования электромагнитных помех и их распространения от источника к рецептору за счёт электромагнитного излучения 62
2.3. Моделирование проникновения электромагнитных помех из цепей питания технологического оборудования в абонентские (соединительные) линии 61
2.3.1. Электромагнитные помехи, обусловленные работой вспомогательного оборудования 69
2.3.2. Электромагнитные помехи, обусловленные работой технологического оборудования 73
2.4. Программа псофометрического анализа осциллограмм 76
3. Теоретический анализ и моделирование процессов на копления и релаксации зарядов статического электричества на операторе 85
3.1. Постановка задачи 85
3.2. Теоретический анализ влияния медленной поляризации на процессы накопления зарядов на поверхности полимерного диэлектрика 87
3.3. Методы снижения потенциала оператора до допустимого значения 92
4. Экспериментальные исследования на объектах связи 95
4.1. Задачи экспериментальных исследований 95
4.2. Методы определения электромагнитной обстановки на объекте связи 101
4.2.1. Методика локализации источников электромагнитных помех на объекте связи 102
4.2.2. Определение принадлежности электромагнитных помех внутренним и внешним источникам 104
4.2.3. Поиск внутренних источников электромагнитных помех на объекте связи 105
4.2.4. Методика поиска блоков технологического оборудования, являющихся источниками электромагнитных помех 107
4.2.5. Методика проведения измерений на кабельных линиях связи 107
4.3. Методика и технические средства для обследования заземляющего устройства объекта связи 110
4.4. Результаты исследований на объектах связи ОАО МГТС и станциях сотовой связи 115
4.4.1. Результаты определения электромагнитной обстановки 115
4.4.2. Результаты обследования заземляющих устройств 125
4.5. Результаты измерений потенциала наэлектризованного оператора 128
4.6. Анализ результатов расчётов и их сравнение с экспериментальными данными 130
5. Методики по устранению электромагнитных помех в цепях питания технологического оборудования и або нентских (соединительных) линиях 139
5.1. Устранение недостатков заземляющих устройств объектов связи 139
5.2. Устранение электромагнитных помех, обусловленных работой вспомогательного оборудования 145
5.2.1. Определение допустимых уровней электромагнитных помех в цепях питания технологического оборудования 145
5.2.2. Проведение работ по устранению гальванических и полевых связей между системами питания технологического и вспомогательного оборудования 147
5.3. Устранение электромагнитных помех, обусловленных работой техноло гического оборудования 160
5.3.1. Электромеханическая коммутационная аппаратура 160
5.3.2. Преобразователи 164
5.4. Устранение электромагнитных помех, обусловленных неправильным функционированием ЭПУ 167
5.5. Устранение электромагнитных помех в кабельных линиях связи при воздействии внешних источников 172
5.6. Предотвращение возможности возникновения разрядов СЭ с наэлектризованного оператора на блоки технологического оборудования 175
5.7. Результаты проведения работ по улучшению электромагнитной обстановки на телефонных станциях ОАО МГТС и базовых станциях сотовой связи 175
Заключение 180
Список использованных источников 184
Приложение
- Результаты тестирования абонентов ОАО МГТС
- Моделирование электромагнитных помех в системах заземления-зануления и питания технологического оборудования
- Теоретический анализ влияния медленной поляризации на процессы накопления зарядов на поверхности полимерного диэлектрика
- Методика и технические средства для обследования заземляющего устройства объекта связи
Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время требования, предъявляемые к качеству связи, существенно возросли, так как большая часть обмена информацией на производстве и в быту осуществляется путем её передачи по линиям связи с использованием современной техники (телефоны, факсы, модемы, радиомодемы). Нарушение в работе связи приводит к разрыву информационного потока и, как следствие, к ощутимым моральным и материальным потерям.
В повседневной практике использования телефонной связи абоненты часто сталкиваются с такими нежелательными явлениями, как: безуспешными попытками подключения к телефонной системе; затруднениями при передаче звуковой информации из-за высокого уровня посторонних шумов; прослушиванием переходных разговоров или интерференционных сигналов; прерыванием связи при установившемся соединении между абонентами; искажением информации передаваемой по факсу или модему.
Одной из причин снижения качества связи является неудовлетворительная электромагнитная обстановка (ЭМО) на объекте [1, 2]. Ухудшение ЭМО обусловлено тем, что существующие в настоящее время в телекоммуникационных центрах системы электропитания и заземления не обеспечивают в полной мере соблюдения современных требований ЭМС. За период продолжительной эксплуатации (20-40 лет), как в самих системах, так и в технологическом (вспомогательном) оборудовании произошли необратимые изменения. К таким изменениям может быть отнесено появление нежелательных гальванических связей между системами питания и заземления, старение и разрушение изоляции электропроводок, износ и ухудшение контактов различных коммутационных устройств, повреждение элементов заземляющих
7 устройств, изменения в схемах электроснабжения и заземления и т.д. [3]. Нередки случаи, когда рядом с устаревшим электромеханическим оборудованием, излучающим электромагнитные помехи, устанавливается современная электронная аппаратура и компьютерная техника [4], особенно чувствительная к электромагнитным влияниям.
Использование в помещениях напольных полимерных покрытий с высокими значениями удельного объёмного и поверхностного сопротивлений способствует накоплению зарядов статического электричества (СЭ) на операторах, обслуживающих технологическое оборудование (потенциал достигает 12кВ). Импульсные помехи, возникающие при разрядах СЭ, часто приводят к выходу из строя транзисторов и микросхем, используемых в отдельных блоках технологического оборудования и компьютерах [5,6].
Анализ существующей ситуации показал, что снижение качества проводной и сотовой связи обусловлено невыполнением требований ЭМС на телекоммуникационных объектах. В связи с этим возникла необходимость в разработке методов и технических средств для диагностики объектов связи с позиций ЭМС, позволяющих определять реальную ЭМО, находить источники электромагнитных помех и проводить анализ причин, приводящих к их возникновению и распространению. Существует также острая необходимость в методах, позволяющих устранять электромагнитные помехи (снижать уровни до допустимых значений), т. е. улучшающих ЭМО на объектах связи. Данные методы и технические средства должны быть применены на действующих объектах в условиях непрерывно продолжающегося технологического процесса без какого-либо влияния на этот процесс.
Следует отметить, что в зарубежной и отечественной литературе практически отсутствует информация по данной проблеме, за исключением нормативных документов по заземлению на телекоммуникационных объектах [7-17] и устойчивости технических средств проводной (или радио-) связи к электромагнитным помехам [18-25].
8 Необходимость решения проблем ЭМС на телекоммуникационных объектах и определила актуальность данной диссертационной работы.
Цель работы.
Целью данной работы является исследование электромагнитной обстановки на действующих объектах связи, разработка методов по обеспечению требований ЭМС для технологического оборудования и практическая их реализация в условиях непрерывно продолжающегося технологического процесса без какого-либо негативного влияния на этот процесс.
Предмет исследований.
Качество телефонной связи и анализ причин, приводящих к его ухудшению.
Теоретический анализ электромагнитных процессов, происходящих в системах заземления и электропитания технологического и вспомогательного оборудования, определение механизмов возникновения и распространения электромагнитных помех.
Теоретический анализ процессов электризации и разработка требований к условиям эксплуатации напольных полимерных покрытий.
Разработка методики и технических средств для диагностики объектов связи с целью определения реальной ЭМО.
Экспериментальные исследования ЭМО на действующих объектах связи с помощью разработанной методики и технических средств.
6. Разработка мероприятий по устранению причин, приводящих к ухудшению ЭМО, и как следствие, к ухудшению качества связи.
7. Проведение работ по улучшению ЭМО на действующих предприяти ях с целью повышения качества связи.
9 Методы исследований.
Для решения поставленных задач использовались методы теории электрических цепей и уравнения математической физики. При моделирования механизмов образования электромагнитных помех в цепях питания ТО, с учётом реальных систем электропитания и заземления-зануления, использовалась программа схемотехнического моделирования MICRO-CAP V.
Научная новизна.
Разработана математическая модель электромагнитного воздействия системы электроснабжения переменного и постоянного тока сложной конфигурации на работу технологического оборудования объекта связи.
Разработана математическая модель накопления зарядов СЭ на операторе, учитывающая процессы медленной (релаксационной) поляризации.
Разработана методика экспериментального определения электромагнитной обстановки на действующих телекоммуникационных объектах, включающая метод локализации источников электромагнитных помех.
В результате проведенных экспериментальных исследований определены амплитудно-частотные характеристики электромагнитных помех, приводящих к нарушениям в работе технологического оборудования и оказывающих мешающее влияние на работу разговорных трактов и передачу информации.
Практическая ценность.
Проведено экспериментальное определение электромагнитной обстановки на 50 объектах связи ОАО МГТС, 15 объектах связи Петербургской Городской Телефонной Сети (ОАО ПГТС), 20 станциях сотовой связи.
Разработаны рекомендации по реконструкции систем электроснабжения и заземления-зануления АТС и базовых станций сотовой связи с учётом требований ЭМС.
10 3. Проведены работы по устранению электромагнитных помех, оказывающих мешающее влияние на работу разговорных трактов (на 25 АТС) и вызывающих нарушение функционирования технологического оборудования (на 10 АТС и 9 базовых станциях сотовой связи).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на:
IV Всесоюзной научно-технической конференции «Защита от вредно го воздействия статического электричества в народном хозяйстве», Северо- донецк, 1989 г.;
7-th International Symposium on High voltage engineering (ISH'91), Dresden, 1991. LIV и LVII научных сессиях, посвященных Дню радио, Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова, Москва, 1999 и 2002 г; международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы Гражданской Авиации», Москва, 1999 г; техническом совете Центра Технической Эксплуатации (ЦТЭ) ОАО МГТС, Москва, 1999 г.
Внедрение.
Результаты диссертационной работы внедрены на объектах проводной связи ОАО МГТС, базовых станциях сотовой связи ОАО "Мобильные ТелеСистемы", в учебный процесс на кафедре Техники и электрофизики высоких напряжений ГОУ В ПО МЭИ (ТУ).
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и четырёх приложений. Объем работы составляет 221 страницу и содержит 86 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 108 наименований, приложения на 27 страницах.
Основные положения, выносимые на защиту.
Моделирование и математическая модель процессов электромагнитного взаимодействия систем питания переменного и постоянного токов с технологическим оборудованием.
Методика определения источников электромагнитных помех на действующих объектах связи: методика локализации источников электромагнитных помех; методы и технические средства определения амплитудно-частотных характеристик; методика диагностики системы заземления-зануления сложной конфигурации.
3. Результаты экспериментального определения амплитудно-частотных характеристик электромагнитных помех на действующих телекоммуникаци онных объектах: классификация по характеру воздействия на качество связи (на работу разговорных трактов и технологического оборудования) в зависимости от амплитуды и частотного спектра; характерные основные внутренние источники электромагнитных помех и пути распространения помех от источника к рецептору.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, перечислены основные научные результаты диссертации, определены практическая ценность и область применения резуль-
12 татов, приведены сведения об апробации работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проводится обзор нормативных документов по ЭМС, которые содержат требования, предъявляемые к системам заземления и экранирования телекоммуникационных объектов, а также требования в части устойчивости технологического оборудования (ТО) к электромагнитным помехам (ЭМП). При нарушении данных требований на объекте ухудшается электромагнитная обстановка, что может привести к снижению качества связи. В период установленного соединения только абоненты могут заметить ухудшение разборчивости речи, причиной которого могут быть различные мешающие влияния. Проведённое автором, в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т (МККТТ), тестирование абонентов ОАО МГТС на предмет качества связи, показало, что качество около 30% соединений оценивается абонентами, как неудовлетворительное. Анализ результатов амплитудно-частотных характеристик электромагнитных помех, зарегистрированных во время тестирования на линейных зажимах телефонных аппаратов абонентов, позволил сделать предположение о том, что в большинстве случаев неудовлетворительное качество связи обусловлено нарушением требований ЭМС на объектах связи.
Из проведенного анализа применяемых в настоящее время на телекоммуникационных объектах методов и технических средств контроля качества связи следует, что с их помощью невозможно определить реальную ЭМО и установить степень её влияния на качество связи. Применяемые технические средства и методы не позволяют также установить причины ухудшения ЭМО, т. е. определить какие из требований нормативных документов по ЭМС для телекоммуникационных объектов нарушены. На основании выводов из первой главы сформулированы основные задачи данной работы.
Во второй главе проводится теоретический анализ и моделирование электромагнитных процессов, происходящих в системах заземления и электропитания технологического и вспомогательного оборудования с целью ус-
13 тановления механизмов возникновения и распространения ЭМП. На первом этапе проведен анализ существующих схем электроснабжения постоянного и переменного токов, а также системы защитного заземления на объектах проводной и сотовой связи. Определены наиболее характерные пары «источник - рецептор» и основные пути распространения ЭМП от источников к рецепторам. Установлено, что ЭМП распространяются как кондуктивным путём, так и посредством электромагнитного излучения. Проводящая среда между источниками и рецепторами образуется по следующим причинам: из-за наличия общих для ТО цепей питания постоянного тока; из-за наличия общих цепей заземления-зануления, образованных посредством многочисленных гальванических связей между проводниками рабочих нулей, системой защитного заземления и проводниками обратных цепей постоянного тока (рабочего заземления «+»).
При распространении ЭМП посредством электромагнитного излучения следующие факторы благоприятствуют данному процессу: наличие полевых связей между системами питания переменного и постоянного тока, обусловленных неправильной прокладкой шин и кабелей (из-за возникновения контуров, образованных прямыми и обратными проводниками); наличие магнитных полей около кабелей переменного тока, причиной появления которых является использование системы заземления TN-C и несимметричная нагрузка кабелей (в этом случае векторная сумма токов в фазных проводниках и проводнике рабочего нуля отлична от нуля); близость трасс прохождения проводников сетей переменного и постоянного тока и отсутствие их взаимного экранирования.
На втором этапе проведено моделирование образования ЭМП в цепях питания ТО при работе вспомогательного оборудования (ВО) с помощью схемы замещения одиночного потребителя однофазной сети переменного тока. Получено выражение для напряжение помех, образующихся в цепях питания ТО. Анализ выражения позволил сделать следующие выводы: - помехи в цепи питания ТО представляют собой падение напряжения на комплексном сопротивлении шины «+» (Zn) при протекании по ней переменного тока, который обусловлен работой ВО и наличием гальванических связей между системами питания; -уровень помех зависит от соотношения комплексных сопротивлений проводников рабочих нулей, защитного заземления и шины «+».
При распространении ЭМП путём электромагнитного излучения установлено, что определяющую роль играют индуктивные связи между проводниками токораспределительных сетей (ТРС) переменного и постоянного токов. Помехи представляют собой падение напряжения на комплексном сопротивлении нагрузки ZA сети постоянного тока при протекании через него переменного тока, обусловленного э. д. с, индуктируемой в контуре постоянного тока магнитным потоком Ф(0> связанным с переменным током ImeJ(U, возникающим при работе ВО в контуре переменного тока.
Для более детального моделирования механизмов образования ЭМП в цепях питания ТО, с учётом реальных систем электропитания и заземления-зануления, использовалась программа схемотехнического моделирования MICRO-CAP V. Расчёты показали, что амплитуда ЭМП основной частотой 50Гц при их проникновении из цепей питания ТО через исходящие (ИШК) и входящие (ВШК) шнуровые комплекты (для АТС координатного типа) в абонентские линии (АЛ), а далее в телефонные аппараты (ТА) абонентов снижается в 4,4-4,8 раза (при длине абонентских линий 1-2,5км) для исходящих сообщений и в 7,5 - 8,2 раза для входящих сообщений, т.е. наиболее подвержены помехам ТА подключенные к исходящим шнуровым комплектам.
В главе рассмотрена также модель распространения ЭМП по проводникам ТРС постоянного тока для случая, когда источником помех является ТО в стационарном режиме работы (например, преобразователи, используемые во вторичных источниках питания). Определена динамика изменения уровня
15 помех в проводниках ТРС постоянного тока, которая позволяет производить поиск источников ЭМП в автозалах АТС: уровень помех линейно растёт по мере удаления точек ТРС постоянного тока от источника питания и приближения к источнику помех; уровень ЭМП максимален в точках ТРС постоянного тока расположенных рядом с источником помех и остаётся неизменным на участке от источника помех до конечных точек питающих шин (точек, наиболее удалённых от источника питания).
Проведено моделирование образования импульсных ЭМП характерных для шаговых станций (при работе первых групповых и линейных искателей) в цепях питания ТО. При этом установлено, что: - помехи представляют собой падение напряжения на комплексном со противлении проводников ТРС постоянного тока, а также суммарного пере ходного сопротивления контактов всех соединений от источника питания до ТО; область распространения помех зависит от места расположения точки повышенного сопротивления контакта, при этом, чем ближе это место расположено к источнику питания, тем больше область распространения помех. амплитуда импульсных ЭМП обусловленных работой шаговых искателей при их проникновении из цепей питания ТО в ТА абонентов снижается в 3,6 - 4,6 раза (при длине абонентских линий 1-2,5км) для исходящих сообщений и в 4,1 - 4,9 раза для входящих сообщений.
На третьем этапе, с помощью расчётов, проведена оптимизация работ по снижению уровней ЭМП. Для ЭМП, распространяющихся кондуктивным путём самым эффективным и экономичным мероприятием является устранение гальванических связей между проводниками рабочего заземления «+» и системой защитного заземления (или между проводниками рабочих нулей сети переменного тока и системой защитного заземления), для ЭМП, распространяющихся путём электромагнитного излучения - устранение контуров, обра- зованных прямыми и обратными проводниками сети переменного тока, путём изменения их трассировки (максимального сближения друг с другом).
Для снижения уровня импульсных ЭМП, обусловленных работой шаговых искателей, необходимо проведение работ по нахождению и устранению мест повышенных переходных сопротивлений между отдельными элементами (ТРС) постоянного тока. Посредством расчётов установлено, что снижение переходного сопротивления на каждые О,20м приводит к снижению амплитуды ЭПМ на линейных зажимах ТА на 68мВ.
В третьей главе рассмотрена математическая модель накопления и релаксации зарядов статического электричества (СЭ) на операторе, расположенном на поверхности полимерного напольного покрытия. Модель учитывает геометрию покрытия (2/]х2/г - линейные размеры и /г-толщину), его электрофизические характеристики (ру - удельное объёмное и р$ - удельное поверхностное сопротивления, ваг относительную диэлектрическую проницаемость) и параметры источника электризации (j0 - плотность тока электризации, 2bix2b2 - линейные размеры оператора).
Проведён теоретический анализ влияния медленной (междуслоевой) поляризации, характерной для напольных полимерных покрытий имеющих неоднородную структуру, на процессы накопления и релаксации зарядов СЭ на операторе. Установлено, что процессы медленной поляризации оказывают тормозящее воздействие на процессы накопления и релаксации зарядов на операторе, не влияя на установившееся значение потенциала.
Теоретически обоснованы методы снижения потенциала оператора до допустимых значений, определяемых из условия соблюдения требования устойчивости технических средств связи и компьютерной техники к разрядам СЭ: - увеличение относительной влажности воздуха у (%) до значения, при котором потенциал оператора не превышает допустимого значения при существующей геометрии открытых незаземлённых частей диэлектрика; - ограничение размеров открытых незаземлённых частей диэлектрика, при которых потенциал оператора не превышает допустимого значения при минимальном значении относительной влажности воздуха в помещении.
В четвёртой главе представлена методика экспериментального определения ЭМО на действующих объектах связи. Методика основана на измерении и осциллографировании токов и напряжений в контрольных точках цепей питания ТО и ВО, абонентских и соединительных линиях, а также измерении магнитных полей вблизи проводников ТРС постоянного (переменного) тока, системы защитного заземления и вдоль трасс следования кабельных линий связи. Последовательность измерений, их необходимость и достаточность, а также выбор контрольных точек для их проведения устанавливались в соответствии с методикой локализации источников ЭМП. На первом этапе измерений методика позволяет устанавливать принадлежность ЭМП внешним или внутренним источникам, а на втором определять вид оборудования и конкретные его блоки, являющиеся источниками помех. По разработанной методике исследована ЭМО на 50 телефонных станциях ОАО МГТС и 20 станциях сотовой связи. ЭМП, зарегистрированные в цепях питания ТО, можно классифицировать по амплитудно-частотным характеристикам и типам источников на следующие группы: помехи частотой 50Гц (основная частота) амплитудой от 100 до 1В, источником которых является ВО, работающее в стационарном режиме (например, светильники рядового освещения); помехи частотой 400-700Гц амплитудой от 50 до ЗООмВ, источником которых являются люминесцентные светильники рядового освещения при возникновении резонансных явлений в RLC- контурах, образованных элементами пускорегулирующих устройств; импульсные помехи, возникающие при коммутациях различных видов ВО (переходные процессы во время включения и отключения электродвигателей, люминесцентных светильников и т. д.), имеющие форму зату-
18 хающих колебаний с частотами от нескольких килогерц до нескольких мегагерц и амплитудой от десятков милливольт до десятков вольт; импульсные помехи, возникающие при работе различных электромеханических и электронных коммутационных устройств входящих в состав ТО (реле, шаговые искатели, транзисторы), имеющие форму затухающих колебаний или пачек импульсов (при работе шаговых искателей) с частотами от нескольких МГц до 10Гц и амплитудой от десятков милливольт до десятков вольт; помехи в виде периодических колебаний (или биений) частотой от сотен герц до десятков килогерц и амплитудой до 1В, возникающие при функционировании преобразователей, используемых в некоторых видах ТО (МГ, ГИ, САЦО, ИКМ «NOKIA», ЭАРБ, СВУ, УЦУ); помехи при работе ЭПУ, возникающие из-за выхода из строя фильтрующих элементов (конденсаторов) или диодов (тиристоров), используемых в работе выпрямительных устройств, с частотами от 50 до 600Гц и амплитудой до 0,5В; помехи, возникающие при работе неисправной коммутационной аппаратуры (автоматических выключателей), посредством которой получают питание некоторые виды ТО (КП, МГ, СВУ), с частотами от единиц до десятков герц и амплитудой до 1В.
По результатам исследований проведена классификация ЭМП по характеру воздействия на работу ТО, в соответствии с которой помехи приводят: к потере качества передаваемой информации по абонентским и соединительным линиям из-за прослушивания абонентами мешающего фона (треска) или искажении полученной информации (при использовании модемов и факсов); к сбоям в работе отдельных блоков ТО, что приводит к прерыванию связи или к затруднениям в организации новых соединений (в некоторых случаях сбои наблюдаются при воздействии разрядов СЭ с наэлектризованного оператора); к срабатыванию блоков защиты выпрямительных устройств и отключению отдельных блоков ЭПУ; к срабатыванию аппаратуры, контролирующей качество соединений.
Разработаны технические средства и методика для диагностики ЗУ объектов связи, которые, без влияния на качество функционирования ТО, позволяют определить: трассу внешнего ЗУ без вскрытия грунта и его сопротивление растеканию тока; реальную схему заземления-зануления электропитающих установок, технологического и вспомогательного оборудования, трассировку проводников системы заземления-зануления и точки их присоединения к корпусам ТО и ВО; -места нежелательных гальванических связей между проводниками защитного заземления, рабочей земли «+60 (48)В» и рабочих нулей системы питания переменного тока.
Проведено обследование заземляющих устройств (ЗУ) на 90 городских АТС и на 200 станциях сотовой связи, из которого следует, что: внешние ЗУ не соответствуют требованиям ГОСТ 494-79 на 82% обследованных АТС; не выполняется стратегия «неполной» или «открытой» цепи при проектировании, монтаже и эксплуатации внутреннего ЗУ; внутри объектов используется система заземления электрических сетей типа TN-C (применяется объединённый защитный и нулевой рабочий PEN-проводник), которая приводит к наличию многочисленных гальванических связей между системой защитного заземления и рабочим нулём сети переменного тока в местах зануления заземлённых корпусов ВО, что является причиной растекания переменного тока по корпусам ТО, металлоконструкциями здания и трубам тепло- и водоснабжения; нарушены общие принципы построения изолированной обратной цепи постоянного тока из-за наличия гальванических связей между рабочей и за-
20 щитной землёй, при этом не соблюдаются необходимые условия для эксплуатации комбинированных сетей обратной цепи постоянного тока, так как различные типы (группы) оборудования получают питание от одной системы шин.
Кроме этого на 8% обследованных АТС имеют место полевые (индуктивные) связи между цепями электропитания переменного и постоянного тока в результате неправильной прокладки шин и кабелей (из-за возникновения контуров, образованных прямыми и обратными проводниками), а также из-за отсутствия их экранирования.
Проведены измерения потенциала заряженного оператора, который находится в диапазоне от 4 до 12кВ и превышает допустимые для технических средств связи и компьютерной техники испытательное воздействие при контактном, а в некоторых случаях при воздушном разрядах. Таким образом, на обследованных объектах связи существуют реальные условия, при которых разряды СЭ могут приводить к сбоям в работе отдельных видов ТО и компьютерной техники. К таким видам ТО относятся, прежде всего, блоки в которых используются элементы микроэлектроники: электронные регистры (ЭАРБ), электронные устройства приёма-передачи информации (ЭУПИ), компьютеры, входящие в состав аппаратуры КИП и АГТУС. Имеются также многочисленные жалобы технического персонала на болевые ощущения при разрядах СЭ и плохое самочувствие в результате влияния электростатических полей.
Разработана методика по проверке целостности экранов линейных кабелей связи (абонентских и соединительных линий) и проведены работы по обнаружению мест их обрывов.
Проведено сравнение результатов расчётов уровней ЭМП в цепях питания ТО и на линейных зажимах ТА абонентов с экспериментальными данными. Из сравнения следует, что расчётные и экспериментальные значения уровней ЭМП отличаются на 5 - 13%. Основными причинами расхождений является: - наличие дополнительной переменной составляющей напряжения час тотой 50Гц в цепях питания ТО (причиной появления которой является ЭПУ), которая не учитывалась при моделировании; наличие дополнительной переменной составляющей напряжения частотой 50Гц в АЛ (причиной появления которой являются внешние источники электромагнитных полей), которая не учитывалась при моделировании; погрешность при моделировании АЛ; нестабильность значения суммарного переходного сопротивления контактов ТРС постоянного тока.
В пятой главе представлена методика по устранению обнаруженных в процессе обследования недостатков ЗУ объектов связи, а также методики по устранению (снижению уровней) ЭМП в цепях питания ТО и абонентских (соединительных) линиях.
В результате проведения работ по реконструкции системы заземления-зануления на 30 АТС и 9 станциях МТС была реализована звёздная (star) топология сети заземления с изолированной обратной цепью постоянного тока (кроме автозалов средств передачи), т. е. стратегия «открытой» цепи, обеспечивающая приемлемый уровень ЭМС.
Определены допустимые уровни ЭМП наиболее характерных для городских телефонных станций. Установлено, что помехи начинают оказывать существенное мешающее влияние на качество связи (регистрируются жалобы абонентов), если их амплитудные значения составляют: для низкочастотных помех (основной частотой 50Гц) более ЮОмВ в цепях питания ТО, и более 20мВ в абонентских линиях; для импульсных помех с частотой следования 10 и 30Гц (характерных для шаговых АТС) более ЗООмВ в цепях питания ТО и более 75мВ в абонентских линиях.
Экспериментально определены пороговые уровни помех, приводящих к сбоям в работе ТО: - определитель коэффициента ошибок системы ИКМ-120 (статив СЛО) срабатывает при значении амплитуды импульса Um>2B (импульсы, воз никающие при включении светильников рядового освещения, имеют форму затухающих колебаний частотой 5МГц); - сбои в работе ЭВМ, управляющих электронными станциями, происхо дят при значении амплитуды импульса Um>8B (импульсы, возникающие при включении светильников рядового освещения имеют форму затухающих ко лебаний частотой 25кГц); - защита радиомодемов на станциях сотовой связи срабатывает при воз никновении разности потенциалов между корпусом модема и точкой опорно го потенциала («землёй») свыше 0,5В при изменении частоты синусои дального сигнала от 20 до 20000Гц, при импульсном воздействии (параметры импульса 8/20мкс) сбой происходит при напряжении на корпусе свыше 2В.
Для устранения (снижения уровня) электромагнитных помех в цепях питания ТО и абонентских (соединительных) линиях на 30 АТС и 9 станциях сотовой связи были проведены следующие работы: - гальваническая развязка между цепями переменного и постоянного тока путём разнуления корпусов заземлённого ВО и установки на групповых линиях устройств защитного отключения (УЗО) с отключающим дифферен циальным током менее ЗОмА, т. е. создания на отдельных участках сети пере менного тока системы заземления электрических сетей типа TN-C-S; замена отдельных кабелей и изменение их трассировки для устранения полевых связей между сетью переменного и постоянного тока; монтаж дополнительных кабелей и перемычек между корпусами ТО и щитком заземлений для обеспечения надёжной связи (с низким импедансом) ТО с заземляющим устройством; индуктивная развязка от общих шин питания путём прокладки кабелей определённой длины (определяемой расчётным путём) для подключения отдельных блоков технологического оборудования, являющихся источниками высокочастотных и импульсных помех; восстановление целостности цепей заземления экранов линейных кабелей связи; устранение мест повышенных переходных сопротивлений различных элементов ТРС постоянного тока (в рядовых и стативных предохранителях, на вводных клеммах стативов, в местах пайки к клеммам врубных разъёмов отдельных блоков); замена неисправных фильтров выпрямительных устройств и коммутационных аппаратов (автоматических выключателей) в цепи постоянного тока.
Предложен и реализован на практике способ предотвращения разрядов СЭ с наэлектризованного оператора на блоки ТО посредством его преднамеренного контакта с разрядным устройством, обеспечивающим отсутствие болезненных ощущений при разряде. Элементом, ограничивающим величину тока, протекающего при разряде через тело человека, является резистор, сопротивление которого составляет 5МОм.
В результате проведения работ на городских АТС и станциях сотовой связи существенно улучшилась ЭМО и, как следствие, повысилось качество связи. Основными критериями при его оценке явилось: - снижение уровней ЭМП до допустимых значений (по результатам псофометрических измерений); отсутствие жалоб абонентов и технического персонала станций на неудовлетворительное качество связи (по отзывам); отсутствие сбоев в работе ТО и ЭПУ; - отсутствие в линиях ЭМП, регистрируемых аппаратурой КИП. В заключении представлены основные результаты работы.
Результаты тестирования абонентов ОАО МГТС
Для оценки состояния соединений ОАО МГТС автором было проведено тестирование абонентов на предмет качества телефонной связи. При этом внимание уделялось следующим разновидностям ухудшения качества: фон низких и средних частот; фон высоких частот (напоминающий свист или писк); треск; беспорядочный (белый) шум или шорох; прослушивание переходного разговора или зуммерных сигналов; прослушивание радиотрансляционных программ; искажения голоса; временное пропадание одного из абонентов; неправильный набор номера; зависание (большое время ожидания соединения после набора номера); обрыв связи. Предлагалось оценивать качество каждого отдельного сеанса, что даёт возможность получения более полной и достоверной информации о качестве связи за истекший период времени. Качество отдельного сеанса оценивалось по 5 балльной системе следующим образом: 5 (отлично) - помехи полностью отсутствуют; 4 (хорошо) - помехи едва ощутимы (присутствует еле слышимый шум, фон, треск, и т. д.); 3 (посредственно) - помехи ощутимы и позволяют с напряжением слуха, но без потери звуковой информации слышать абонента; 2 (плохо) - помехи значительно ощутимы и не позволяют прослушивать отдельные слова и фразы; 1 (очень плохо) - помехи соизмеримы с уровнем полезного сигнала и не позволяют продолжить сеанс связи, данная оценка ставится также при разъединении (обрыве связи). Качество связи считалось удовлетворительным при оценках отлично и хорошо и неудовлетворительным при оценках посредственно, плохо и очень плохо. Для нахождения распределения неудовлетворительных оценок в зависимости от времени суток предлагалось проводить одинаковое количество сеансов связи за каждый час тестирования начиная с 8 — и заканчивая 24 —, с фиксацией времени начала сеанса. В тестировании принимали участие сотрудники фирмы ООО «НПФ ЭЛНАП» (10 человек) в течение 5 дней. Предварительно, перед опросом, тестируемые были ознакомлены с наиболее характерными разновидностями ухудшения качества связи и системой оценок. Одновременно с тестированием на линейных зажимах некоторых телефонных аппаратов (ТА) производилось осциллографирование помех. Результаты тестирования приведены на Рис. 1.2-1.4. Среди помех, оказывающих мешающее влияние, наиболее часто встречаются треск (31,4%), фон низких и средних частот (27,6%), переходный разговор (13%), шум (12%), искажения голоса (5,6%), фон высоких частот (5,4%).
Остальные помехи составили от 0,5 до 2% от общего количества сеансов связи, сопровождающихся какими-либо помехами (Рис. 1.2). Удовлетворительным качество связи является в 73,3%) (45,7% отлично, 27,6% хорошо) и неудовлетворительным в 26,7% (19,9% посредственно, 5,2% плохо и 1,6% очень плохо) при выборке 500 сеансов связи (Рис. 1.3). Диаграмма распределения неудовлетворительных оценок приведена на Рис. 1.4. Наибольшее количество неудовлетворительных оценок наблюдалось с 18 до 22 часов (17-23%). Некоторое увеличение было отмечено также в 10 часов (до 9%). Причём из всех помех наиболее часто в вечерние часы встречается фон низкой частоты. 36 Так как тестирование проводилось в зимнее время года (февраль), то увеличение количества помех в вечерние часы, особенно фона низкой частоты, связано прежде всего с ростом осветительной нагрузки как у абонентов, так и на самих телефонных станциях. По результатам тестирования абонентов ОАО МГТС можно сделать следующие выводы: a) качество 26,7% соединений оценивается, как неудовлетворительное; b) наиболее распространёнными видами помех, оказывающих мешающее влияние на работу разговорных трактов, является фон низких частот и треск (около 60%); c) вероятность возникновения помех промышленной частоты увеличивается в вечернее время суток, что по всей видимости, связано с ростом осветительной нагрузки на предприятиях связи и у абонентов; d) частотные характеристики помех находятся в звуковом диапазоне (20-20000Гц) и поэтому они достаточно чётко прослушиваются во время сеансов связи; e) в большинстве случаев уровень помех прослушиваемых во время сеансов связи превышает допустимый уровень 1,5мВПСОф, определяемый псо-фометрическими измерениями на линейных зажимах телефонных аппаратов абонентов [40]; f) качество связи при наличии в абонентских линиях помех низких звуковых частот (до ЗООГц) несмотря на то, что их уровень не превышает допустимого значения, оценивается абонентами в большинстве случаев, как неудовлетворительное; данные помехи не приводят к потере полезной звуковой информации, однако их присутствие оказывает мешающее влияние, приводящее к ухудшению селективных признаков качества речи (шум в речевых паузах) [39], напряжение слуха, и т. д.. Существующие нормативные документы в области ЭМС можно условно разделить на документы, содержащие требования по заземлению и экранированию телекоммуникационного оборудования в телекоммуникационных центрах и документы, содержащие требования, предъявляемые к техническим средствам связи по обеспечению ЭМС в части устойчивости к электромагнитным помехам, включая виды стандартизованных помех, степени жёсткости испытаний для каждого вида, критерии качества функционирования при испытаниях, а также соответствующие методы испытаний.
Моделирование электромагнитных помех в системах заземления-зануления и питания технологического оборудования
Одной из основных задач данной работы является моделирование механизмов образования ЭМП и их распространения по системам заземления-зануления и электропитания. Главной целью моделирования является проведение анализа причин приводящих к ухудшению ЭМО и оптимизации мероприятий по её улучшению. Рассмотрим несколько типовых моделей возникновения ЭМП в системе питания ТО в соответствии с Таблицей 2.1: 1. Модель образования ЭМП и их распространения от источника к ре цептору кондуктивным путём (по цепям питания и заземления): a) источником помех является ВО; b) источником помех является ТО. 2. Модель образования ЭМП и их распространения по цепям питания за счёт электромагнитного излучения (источником помех является ВО). Рассмотрим случай, когда источником помех для ТО является ВО работающее в стационарном режиме. Из-за наличия нежелательных гальванических связей между цепями питания и защитного заземления на телекоммуникационном объекте образуются многоконтурные системы заземления-зануления, приводящие к распространению ЭМП из одной системы питания в другую. Составными частями контуров являются провода, кабели и шины систем питания постоянного и переменного тока, а также проводники системы защитного заземления. На схеме замещения (Рис.2.3) одиночный потребитель однофазной сети переменного тока представлен комплексным сопротивлением Zu, проводники системы питания переменного тока сопротивлениями Z D (фазный) и ZQ (нулевой), проводник защитного заземления - Z3, проводники системы питания постоянного тока - Zn (рабочая земля «+») и Zu (шина «-»), нагрузка сети постоянного тока - ZA, а нежелательные гальванические связи между системами питания и заземления - сопротивлениями Z(o-3 и Z(n-3 При моделировании делались следующие допущения: предполагалось, что переходные процессы в цепях постоянного и переменного тока обусловленные включением ТО и ВО завершены, что реально отражает картину непрерывного технологического процесса при длительной работе ВО. в реальных условиях ZA»Zn, т.е. переменным током, протекающим через сопротивления нагрузки цепи постоянного тока ZA можно пренебречь, поэтому данную схему можно упростить, рассматривая её без ветви в которую входят ZA, Zu и источник постоянного тока Е0.
В этом случае напряжение помех, образующихся в цепи постоянного тока определяется как: Составляя систему уравнений и решая её методом контурных токов [44], получаем следующее выражение для напряжения помех в цепи питания ТО: Для предельного случая, когда Z0_3 = Zn-з= 0, имеющего место при бесконечном количестве гальванических связей между рабочей землёй и рабочим нулём сети переменного тока получаем следующее выражение для напряжения помех: Проводя анализ полученных выражений, можно сделать следующие выводы: помехи в цепи питания ТО представляют собой падение напряжения на комплексном сопротивлении шины «+» Zn при протекании по ней переменного тока, который обусловлен работой ВО и наличием гальванических связей между системами питания; уровень помех зависит от соотношения комплексных сопротивлений проводников рабочих нулей, защитного заземления и шины «+»; увеличение нагрузки в цепи переменного тока (уменьшение ZH) приводит к увеличению уровня помех; уровень помех прямо пропорционален количеству гальванических связей между системами переменного и постоянного токов. Из проведённого анализа следует, что для снижения уровня ЭМП в цепях питания ТО рекомендуется проведение следующих мероприятий: устранение нежелательных гальванических связей между рабочим нулём сети переменного тока и защитной землёй; устранение нежелательных гальванических связей между рабочей землёй «+» и защитной землёй; увеличение сечений проводников рабочих нулей и кабелей защитного заземления с целью снижения величин токов, протекающих по шинам «+». Далее рассмотрим случай, когда источником ЭМП является один из блоков ТО. Рассмотрим две типовые схемы токораспределительной сети (ТРС) постоянного тока автозалов АТС (Рис. 2.4, 2.5). Основными элементами схем являются: Zui - комплексное сопротивление шин постоянного тока на участке от источника питания до первого ряда автозала; Zuip - комплексное сопротивления шин постоянного тока на участках между рядами стативов; ZH - комплексное сопротивление нагрузки одного ряда стативов ТО; ZK - комплексное сопротивление проводников, посредством которых питается блок ТО. Источник помех представлен источником напряжения с э. д. с. Ет (Ею) и расположен в к-том ряде автозала. Поскольку в реальных условиях ZH » Zm и ZH » Zap , то ток от источника помех протекает только по контуру, образованному последовательно соединёнными участками шин и источником постоянного тока.
Теоретический анализ влияния медленной поляризации на процессы накопления зарядов на поверхности полимерного диэлектрика
Исходное расположение полимерного диэлектрика, соответствующее его реальному расположению между рядами заземлённых стативов автозала АТС, приведено на Рис.3.1. Диэлектрик размерами 2/ix2/2 и толщиной h размещён на заземлённой подложке (проводящем полу) и заземлён по периметру посредством заземлённых металлоконструкций стативов. Ступни оператора (в антистатической обуви), находящиеся в контакте с поверхностью диэлектрика представлены проводящей плоскостью размерами 2b\x2b2. Процесс электризации оператора моделируется зарядкой проводящей плоскости плотностью тока/о- Для представленной модели процесса накопления заряда на операторе справедливо следующее уравнение: Где: F{t-0) - функция релаксации поляризации учитывающая процессы медленной (миграционной, дипольной) поляризации и их тормозящее действие на процессы накопления и релаксации зарядов на поверхности диэлектрика; So - оптическая диэлектрическая проницаемость, измеренная на высокой частоте, учитывающая процессы быстрой (электронной и ионной) поляризации; ; - статическая диэлектрическая проницаемость, учитывающая процессы медленной поляризации. Для диэлектриков с одним видом медленной поляризации (или с одной постоянной времени релаксации) обычно принимают [64, 65]: Напольные покрытия имеют неоднородную структуру (подложка, средняя часть, верхнее декоративное покрытие) и состоят из нескольких слоев разных диэлектрических материалов, имеющих различные электрофизические параметры (pyySx)- Для слоистого пластика наиболее характерным является явление миграционной (междуслоевой) поляризации [66]. Проведём теоретический анализ влияния процессов медленной поляризации на процессы накопления и релаксации зарядов на поверхности диэлектрика. Для упрощения рассмотрим эти процессы без влияния поверхностной проводимости. При этом рассмотрим три случая накопления зарядов на поверхности диэлектриков: диэлектрик однороден (в нём отсутствуют процессы медленной поляризации) и его параметрами являются ру = руост, є = &о; в диэлектрике присутствуют процессы медленной поляризации с постоянной времени гр, причём yCV = pvocm, s(t) s , диэлектрик однороден (в нём отсутствуют процессы медленной поляризации) и его параметрами являются ру = pv , - & ; Для этих случаев будут справедливы следующие уравнения (для накопления зарядов): при ґ = оо, т.е. при бесконечно длительной зарядке диэлектриков, получаем: t/i(oo) = /2(оо) = t/Доо) =у0 Л pvocr (3.7) где /TVOCT является интегральной характеристикой (для всего слоистого пластика), определяемой по току остаточной (сквозной) проводимости [64, 65]. Таким образом, миграционная поляризация замедляет скорость роста поверхностного потенциала диэлектрика при накоплении зарядов, но не влияет на его установившееся значение. Аналогичное явление будет наблюдаться при свободной релаксации накопленных на поверхности диэлектрика зарядов в отсутствии тока электризации (/0 =0): Ui(t) = Ux (О)ЕХР (-1 /pvocrrM), где C/p(0), /i(0), /2(0) - начальные поверхностные потенциалы диэлектриков для процесса релаксации зарядов, причём: На рис.3.2 приведены расчётные кривые накопления и релаксации зарядов на поверхности диэлектриков с учётом и без учёта процессов медленной поляризации. Как видно из рисунка, наиболее опасным с точки зрения увеличения вероятности возникновения разрядов СЭ является кривая 1 (наиболее быстрый рост поверхностного потенциала при накоплении зарядов) и кривая 3 (наиболее медленный спад поверхностного потенциала при релаксации зарядов). Реальные кривые процессов накопления и релаксации зарядов (кривая 2) занимают промежуточное положение.
Методика и технические средства для обследования заземляющего устройства объекта связи
Заземляющее устройство (ЗУ) типового объекта связи состоит из внешнего заземляющего устройства (контура рабочего заземления) и системы за-земления-зануления электропитающих установок, технологического и вспомогательного оборудования [82, 83]. ЗУ должно выполнять следующие функции: а) обеспечивать электробезопасность персонала при работе на ТО и ВО [83- 88]; b) обеспечивать устойчивое (без сбоев и ухудшения качества) функционирование ТО [36, 81, 89]. Приемлемый уровень ЭМС в телекоммуникационном здании может быть достигнут при соблюдении определённых требований, предъявляемых к системе заземления, которые изложены в нормативных документах [13-15].
При неправильном выполнении она может являться одним из источников ЭМП или приводить к неустойчивому функционированию ТО [90]. С целью определения реального состояния ЗУ объектов связи и их соответствия предъявляемым требованиям в части электробезопасности и ЭМС были разработаны методы и технические средства для их обследования. При обследовании внешнего ЗУ необходимо было решить следующие задачи: a) определить трассу прокладки искусственного заземлителя (контура рабочего заземления) без вскрытия грунта; b) провести измерение сопротивления растеканию тока ЗУ. При обследовании системы заземления-зануления необходимо было решить следующие задачи: a) определить реальную схему заземления-зануления электропитающих установок, технологического и вспомогательного оборудования (элементами схемы являются проводники и шины рабочих нулей, рабочего и защитного заземлений); b) определить трассировку проводников системы заземления-зануления и точки их присоединения к корпусам ТО и ВО; c) найти места нежелательных гальванических связей между проводниками защитного заземления, рабочей земли «+60В» и рабочих нулей системы питания переменного тока. По результатам обследования делался вывод о соответствии ЗУ требованиям нормативных документов в части электробезопасности и ЭМС. Для нахождения трассы контура рабочего заземления источник переменного тока (ИПТ) частотой 400Гц подключался между щитком заземлений АТС и предварительно от него отсоединённым выводом контура рабочего заземления. Отличие частоты пропускаемого тока от промышленной частоты 50Гц обусловлено стремлением к надежной отстройке измерений от фонового поля, создаваемого силовым оборудованием и кабелями переменного тока. Создаваемое растекающимся по заземляющему устройству током магнитное поле регистрируется селективным измерителем напряженности магнитного поля (ИПМ).
По распределению, на уровне 10-3Осм от поверхности земли, тангенциальной к земле составляющей напряженности магнитного поля определяются местонахождения горизонтальных заземлителей [91-93]. Измерение сопротивления растеканию ЗУ проводилось стандартным способом [80, 94]. Для определения реальной схемы заземления-зануления и трассировки её проводников ИПТ частотой 400Гц подключался от одной клеммы к щитку заземлений, где объединялись в одной точке проводники защитного и рабочего заземления, а также рабочий нуль системы электроснабжения переменного тока. От второй клеммы ИПТ протягивался провод на все этажи здания АТС и попеременно подключался в различных точках системы заземления-зануления. Использование при обследовании небольших токов и напряжений (ток источника составлял 1-ЗА, а напряжение на выходных клеммах 5В) позволило проводить измерения на действующем ТО, не создавая помех его работе. С помощью селективных ИПМ и токовых клещей определялись пути растекания тока по системе заземления-зануления и устанавливались места присоединения проводников к корпусам технологического и вспомогательного оборудования (Рис.4.8).
