Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов расчета коэффициента готовности телекоммуникационных сетей, источников импульсного электромагнитного влияния, параметров устройств защиты, и методов расчета наведенных напряжений и токов в линейных сооружениях 11
1.1 Анализ существующих методов оценки коэффициента готовности телекоммуникационных сетей 11
1.3 Вероятностные характеристики импульсных полей фронтов нарастания токов 19
1.4 Анализ метода определения временных форм напряжений и токов 25
1.5 Методы оценки и расчета импульсных электромагнитных влияний на сети и устройства телекоммуникации 26
1.6 Метод оценки импульсных воздействий при коммутационных процессах 28
Глава 2 Разработка физической и математической модели импульсного электромагнитного влияния на телекоммуникационные сети 32
2.1 Разработка физической модели замещения влияния внешнего электромагнитного поля на элементы телекоммуникационной сети 32
2.2 Разработка математической модели импульсного электромагнитного влияния на кабели конечной длины, нагруженные на устройства с изменяющимися динамическими характеристиками 34
2.3 Исследование спектральных и временных характеристик грозового импульса 40
2.4 Составление расчетных моделей импульсного электромагнитного влияния на телекоммуникационные сети 45
2.6 Исследование потенциалов и токов в линиях конечной длины во временной области при нагрузке имитирующей работу устройства защиты.48
2.8 Исследование влияния динамических характеристик устройств защиты и параметров заземляющих устройств на перенапряжения, возникающих в подземных кабельных линиях при воздействии импульсного электромагнитного поля 60
2.9 Исследование влияния собственных и внешних параметров подземных сооружений на полное комплексное сопротивление заземления 63
2.10 Исследование сопротивления заземляющих устройств в спектре частот и в импульсном режиме 67
Глава 3 Разработка метода определения коэффициента готовности телекоммуникационной сети учитывающий динамические характеристики устройств защиты оборудования 75
Глава 4 Разработка рекомендаций по совершенствованию методов диагностики устройств защиты от импульсных воздействий аппаратуры телекоммуникаций 90
4.1 Составление имитационной модели возникновения импульсных перенапряжении в линии конечной длины с учетом динамических параметров устройств защиты и комплексного характера сопротивления заземления 90
4.2 Влияние динамических характеристик устройств защиты на защищенность устройств автоматики, телемеханики и связи к импульсным воздействиям 94
4.3 Анализ эффективности от внедрения рекомендаций по выбору УЗИЛ с учетом их быстродействия и комплексного характера
сопротивлений заземлений 103
Основные выводы 104
Библиографический список
- Вероятностные характеристики импульсных полей фронтов нарастания токов
- Разработка математической модели импульсного электромагнитного влияния на кабели конечной длины, нагруженные на устройства с изменяющимися динамическими характеристиками
- Исследование влияния динамических характеристик устройств защиты и параметров заземляющих устройств на перенапряжения, возникающих в подземных кабельных линиях при воздействии импульсного электромагнитного поля
- Влияние динамических характеристик устройств защиты на защищенность устройств автоматики, телемеханики и связи к импульсным воздействиям
Введение к работе
В планах развития телекоммуникационной сети России, намечено продолжить создание Единой сети электросвязи (ЕСЭ) страны, развернуть работы по организации общегосударственной системы передачи данных и увеличить протяженность каналов междугородной телефонной связи. Решить поставленные задачи без надежных средств защиты от импульсного электромагнитного влияния различных линейных сооружений, которые являются одним из основных элементов телекоммуникационных сетей, не представляется возможным.
Высокая эффективность работы элементов телекоммуникационной сети может быть обеспечена только при условии их бесперебойной работы. В этой связи задача повышения надежности функционирования существующих средств защиты аппаратуры систем передачи при воздействии внешних дестабилизирующих факторов является достаточно актуальной.
Опыт эксплуатации современных телекоммуникационных систем передачи (ТСП) показывает их низкую защищенность от воздействия импульсных перенапряжений и токов, возникающих во время грозы и при нестационарном режиме работы ЛЭП и контактной сети железных дорог. При этом наиболее часто повреждаются полупроводниковые элементы входных устройств ТСП, непосредственно подключенных к протяженным металлическим сооружениям (рельсы, сигнальные цепи, линия продольного электроснабжения, провода линий связи). Применяемые в настоящее время устройства защиты, в некоторых достаточно важных случаях нужного эффекта не дают. Разрабатываемые устройства и схемы защиты из-за слабой материальной базы зачастую рекомендуются к внедрению без детальных лабораторных и натурных исследований, что не приводит к улучшению ситуации.
Одним из важнейших компонентов ЕСЭ РФ являются выделенные и технологические сети связи, к которым относятся сети связи железнодорожного транспорта. Линейные сооружения железнодорожного транспорта представляют собой сложный комплекс устройств, которые отличаются назначе-
ниєм, конструктивными особенностями, электрическими параметрами и находятся в тесной электромагнитной связи.
В справочной литературе приводятся электрические параметры линейных сооружений электроснабжения, автоматики и связи только в диапазоне частот рабочих токов. Однако в настоящее время наиболее актуальной задачей является определение динамических характеристик работы устройств защиты элементов (узлов и линий) телекоммуникационной сети при импульсном электромагнитном воздействии.
Реальные участки железных дорог состоят из совокупности протяженных линейных сооружений и применение к ним аналитических решений для одиночного провода может привести к существенным погрешностям по амплитудно-временным параметрам.
Возрастает объем информации, связанный с обслуживанием систем энергетики, повышаются требования к надежности работы каналов связи, и особенно при аварийных режимах работы энергоустройств, когда связь особенно необходима.
Существующие схемы защиты, неэффективно выполняют свои функции, а применение дополнительных средств защиты требует тщательного обоснования.
Большой вклад в развитие теории электромагнитных процессов в цепях с распределенными параметрами сделали следующие отечественные и зарубежные ученые: П.А. Азбукин, М.И. Михайлов, Л.Д. Разумов, Б.И. Косарев, В.Ф. Калюжный, В.У. Костиков, И.И. Гроднев, С.А. Соколов, С.А. Щелкунов, Э.Ф. Вэнс и другие. Все это подчеркивает важность и актуальность выбранной темы.
Вопросам построения и надежности сетей связи, теории направляющих систем, проектированию, теории коммутационных систем посвящены работы Акульшина П.К., Кульбацкого К.Е., Гроднева И.И., Шварцмана В.О., Рогинского В.Н., Харкевича А.Д., Шнепса М.А., Филина К.М., Попкова В.К., Мура Е., Шеннона К., Лебедянцева В.В. Райншке К., Ушакова И. А., Цыма А.
Ю., КамалягинаВ. И. [2, 3, 4, 5, 34, 28, 32, 29, 31, 39, 55, 59, 68, 69, 100].
Значительный вклад в развитие теории электромагнитных влияний связи внесли своими работами следующие авторы: П.А. Азбукин, Г.А. Гринберг, М.В. Костенко, М.И. Михайлов, Л.Д. Разумов, Б.И. Косарев, В.Ф. Калюжный, М.Г. Шалимов, И.В. Стрижевский, В.И. Дмитриев, В.У. Костиков, Л.Г. Поздняков, Э.Л. Портнов, Н.Н. Баженов, Н.И. Гумерова, Л.Г., Ю.А. Парфенов, В.Е. Митрохин, Н.Н. Баженов [15, 17, 39, 41, 44, 47, 49, 51, 53, 63, 64, 69, 70, 81, 84, 89, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 101, 102, 104, 105, 106, 259, 260].
Теория влияния грозовых разрядов на кабельные линии связи и разработка средств грозозащиты рассматривались неоднократно в работах профессоров М.И. Михайлова и С.А. Соколова.
Этому же вопросу посвящены работы иностранных авторов [14, 19, 40, 44, 127, 128, 129,133, 134].
Общие принципы молниезащиты рассмотрены в работах Э.М. Базеля-на, Б.Н. Горина, В.И. Левитова М.В. Костенко,_Н.С. Стекольникова, Д.В. Ра-зевига, В.П. Ларионова [1, 16, 7-1, 131, 132] и др. \
В указанных работах имеется большой фактический материал по пора-жаемости линейных сооружений, приведена классификация возникающих повреждений и даны рекомендации по защите.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование и разработка способов повышения эффективности функционирования устройств защиты систем телекоммуникаций при воздействии внешних импульсных электромагнитных помех, разработка требований к быстродействию устройств защиты телекоммуникационных сетей, согласованных с вольт-секундными характеристиками защищаемого оборудования, выработка рекомендаций по составлению схем каскадов устройств защиты аппаратуры телекоммуникаций.
Для достижения цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
Разработка метода выявления влияния быстродействия устройств защиты на повреждаемость телекоммуникационных узлов и на коэффициент готовности сети.
Составление математической модели изменения во времени сопротивления устройств защиты электронных плат аппаратуры телекоммуникаций (ЭПАТ) при внешнем импульсном электромагнитном воздействии на ТСП.
Разработка метода численного моделирования распространения волн тока и напряжения в линии с распределенными параметрами конечной длины, нагруженной на изменяющиеся во времени сопротивления устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).
Разработка метода имитационного моделирования влияния динамических характеристик и схем включения УЗИП на уровень напряжения на входе ЭПАТ с целью определения требований к быстродействию устройств защиты и заземлений, удовлетворяющих вольт-секундным параметрам ЭПАТ и обеспечивающих нормируемый коэффициент готовности.
Методы исследования. В работе использованы методы статистического анализа, теории графов, методы расчета и преобразования электрических цепей с комплексными переменными, прямого и обратного преобразования Фурье, численные методы решения дифференциальных уравнений и имитационное моделирование динамических характеристик и схем включения УЗИП.
Научная новизна работы.
Предложен метод анализа реальных данных отказов элементов телекоммуникационных сетей, позволяющий выявить источники воздействия внешних помех, вызывающих повреждаемость телекоммуникационного оборудования, и определить соотношение между выходом из строя отдельных элементов ТСП и коэффициентом готовности.
Составлена математическая модель влияния внешнего импульсного электромагнитного поля на линию с распределенными параметрами конеч-
ной длины, нагруженной на изменяющиеся во времени сопротивления УЗИП, позволяющая учесть быстродействие устройств защиты и комплексный характер сопротивлений заземлений оборудования ТСП.
Разработан метод определения амплитудно-временных характеристик наведенных напряжений и токов, который позволяет проводить численное и имитационное моделирование волновых процессов с учетом динамического изменения сопротивления устройств защиты от времени, а также разрабатывать требования и выбирать устройства и схемы защиты.
Усовершенствован метод определения коэффициента готовности телекоммуникационных сетей, который в отличие от известных методов, учитывает коэффициент готовности УЗИП совместно с защищаемым телекоммуникационным оборудованием.
Достоверность научных положений и выводов. Изложенные в работе положения теоретически обоснованы, подтверждены сопоставлением результатов аналитического расчета с данными, полученными в результате имитационного моделирования и экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработанный метод расчета амплитудно-временных характеристик наведенных напряжений и токов в линии с распределенными параметрами конечной длины, нагруженной на изменяющиеся во времени сопротивление УЗИП, предлагается для использования при проектировании сетей, систем и устройств телекоммуникаций для повышения эффективности функционирования, в условиях влияния внешних импульсных электромагнитных полей.
Предложенные рекомендации по испытанию, моделированию и выбору устройств защиты и заземляющих устройств, учитывающие динамические характеристики, могут быть использованы организациями, эксплуатирующими и проектирующими устройства и системы телекоммуникаций.
Разработанный метод определения коэффициента готовности телекоммуникационной сети, с учетом коэффициента готовности схемы защиты и защищаемого оборудования, позволяющий обеспечить необходимую устой-
чивость работы ЭПАТ и тем самым повысить коэффициент готовности телекоммуникационной сети при воздействии внешних электромагнитных полей. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на следующих семинарах и конференциях:
Межрегиональном информационном конгрессе «МИК-2004», Омск, 2004 г.
III международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружения и технологии двойного применения», Омск, 2005 г.
II международной практической конференции «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте ТрансЖАТ 2005», Сочи, 2005 г.
III международной практической конференции «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте ТрансЖАТ 2006», Санкт-Петербург, 2006 г.
Международной научно- технической конференции. «Наука, инновации, образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» Екатеринбург, 2006 г.
Международной конференции и дискуссионного клуба Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе IT + SE'06, Гурзуф 2006 г.
5th Conference of European students of traffic and transportation sciences Transportation as a Mean of Globalization CVUT, Прага, Чехия, 2007 г.
Научно-техническом семинаре ОмГУПСа «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики», Омск, 2007 г.
Научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития специальных систем радиосвязи и радиоуправления», Омск, 2008 г.
Публикации результатов. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 статьи в научных изданиях ВАК (в журналах «Открытое образование», «Электросвязь», «Автоматика, связь, информатика») и 13 материалах докладов на международных научно-технических конференциях.
Структура диссертации и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа изложена на 128 страниц машинописного текста, содержит 73 рисунка, 29 таблиц. Основные результаты, выносимые на защиту
Математическая модель влияния внешнего импульсного электромагнитного поля на линию с распределенными параметрами конечной длины, нагруженной на изменяющиеся во времени сопротивления УЗИЛ, позволяющая учесть быстродействие устройств защиты и комплексный характер сопротивлений заземлений оборудования ТСП.
Метод численного анализа временных форм напряжений и токов, позволяющий прогнозировать электромагнитные процессы в цепях с распределенными параметрами с учетом динамических характеристик устройств защиты и комплексного характера сопротивлений заземлений.
Метод определения коэффициента готовности телекоммуникационной сети, который в отличие от известных, позволяет учесть коэффициент готовности УЗИЛ и вольт-секундные характеристики защищаемого телекоммуникационного оборудования.
Метод имитационного моделирования, позволяющий проводить моделирование влияния динамических характеристик и схем включения УЗИЛ на уровень напряжения на входе ЭПАТ с целью определения требований к быстродействию устройств защиты и параметрам заземлений, удовлетворяющих вольт-секундным параметрам телекоммуникационных систем и устройств.
Вероятностные характеристики импульсных полей фронтов нарастания токов
Время достижения амплитуды тока молнии изменяется в диапазоне 1,5-30 мкс. Время спада тока до половины амплитудного значения составляет 25 - 200 мкс при средней величине порядка 100 мкс. Общая длительность импульса тока насчитывает несколько сот микросекунд. Вероятнее всего, что повторные максимумы тока вызываются вовлечением в процесс ней трализации заряда отдельных крупных ответвлений лидера, расположенных на различной высоте [1]. Это эквивалентно подключению дополнительных источников тока, питающих основной канал. Рисунок 1.5 - Распределения амплитуд токов молнии: 1 - первая компонента отрицательной нисходящей молнии; 2 - положительная молния; 3 - первые компоненты положительных и отрицательных молний; 4 - последующие компоненты отрицательных молний
В оценках вероятности токов нужно иметь в виду, что импульсы с амплитудами свыше 250 к А до сих пор не наблюдались. Следует также отметить, что при нормальном логарифмическом распределении среднее значение амплитуды тока больше 50 % величины и составляет около 35 кА.[1].
Как свидетельствует другой источник [7] по данным многочисленных наблюдений [23] при ударах молнии в землю длительность фронтов волн колеблется в пределах от 1 до 15 мкс, а длительность импульса достигает 10... 100 мкс.
На рисунке 1.6 показаны кривые вероятности процентного распределения амплитудно-временных характеристик импульсов тока молний, характерные для средних широт России. їм, кА Тф,J4KC ТИ, МКС 80 60 40 20Q -8642Л -80 -60 40 20. А И \ А \ s ЧФ4 Л7 Ги w " "О 20 40 60 80 100Рисунок 1.6- Кривые вероятности процентного распределения амплитудно-временных характеристик тока молнии [7]Наибольшие значения амплитуд в спектре излучения молнии соответствует частотам 300-20 000 Гц.Аналитически форма тока молнии описывается выражением [7]i(t) = /0&[ехр(-я,/)-ехр(-а2?)],где la - амплитудное значение тока молнии; к - нормирующий множитель, определяемый условием равенства единице амплитуды тока и принимающий значениек- 1
\а2 ) \а2 )В дальнейшем будем считать, что Ім = кІ0. Для импульсной волны (2/50) параметры, определяющие амплитудно-временные характеристики, принимают значения к= 1,037, ai = 0,0138-106 с"1, а2= 1,6248-106 с" .На практике довольно часто необходимо определять временные характеристики импульса не по его параметрам а] и а2, а по длительностям Хф и ти.На рисунке 1.7 приведены соотношения между параметрами импульсной волны и ее временными характеристиками.В некоторых случаях удается получить приближенные соотношения между параметрами а і и а2 и временными характеристиками импульса, которые для случая ai»cil будут иметь вид [7]: a J = 0,7/ти; а2 = 3,25/тф.21
На основании вольтамперной характеристики, приведенной на рисунке 1.8, можно рассчитать сопротивление электрического разряда в газе, условно принимая напряжение в
На основании таблицы 1.3 можно сделать вывод, что сопротивление электрического разряда в газе изменяется в очень широких пределах от 101 до десятых долей Ом в зависимости от стадии электрического разряда в газе.
Процесс главной стадии происходит в течение долей мкс, далее наблюдается резкое понижение сопротивления. Для учета вольт-секундных характеристик в [137] вводят следующую зависимость времени формирования разряда 1ф лав l-стр лид 1г.р. где Ц- время формирования разряда; ілав - время лавинной стадии разряда; 1стр - время стриммерной стадии разряда; ілид - время лидерной стадии; trp — время главного разряда.
Однако как описывается в [137] в коротких промежутках (единицы см) лидерный канал не успевает сформироваться и пробой происходит при распространении стримера на всю длину промежутка, тогда Іф їлав Істр Согласно [137] скорость разряда для лавинной стадии составляет 104-105 м/с, а для стримерной стадии 105-106, следовательно, время фор мирования разряда составит для коротких промежутков 5-Ю"9-5-Ю
Разработка математической модели импульсного электромагнитного влияния на кабели конечной длины, нагруженные на устройства с изменяющимися динамическими характеристиками
Для учета внешнего электромагнитного воздействия в системы дифференциальных уравнений вводится возмущающий фактор - продольная напряженность электрического поля Ех. В этом случае записывается и решается неоднородная система дифференциальных уравнений. Если, как в рассматриваемом случае, на систему воздействует изменяющееся по времени напряженность электрического поля, то от времени будут зависеть токи и напряжения в проводах [94]. Рассматривая воздушные цепи электропитания и кабельных линий, которые часто представляются в виде однофазной линии, для анализа влияния динамических характеристик, на основании физической модели импульсного электромагнитного влияния на линии связи (см. рисунок 2.2) составим математическую модель для системы «провод - земля» [23].
Сделаем допущение, что возникающие в проводе токи и напряжения не изменяют электромагнитное поле.
Для учета внешнего электромагнитного воздействия в системы дифференциальных уравнений вводится возмущающий фактор -продольная напряженность электрического поля Ех. В этом случае записывается неоднородная система дифференциальных уравнений в частных производных. При решении приведенной системы дифференциальных уравнений, возникли сложности определения временных зависимостей токов и напряжении. Для их определения должны быть известны электрические и взаимные параметры цепи от времени, которые в настоящее время не определены. Поэтому был разработан способ отыскания временных зависимостей, заключающийся в определении спектральных характеристик воздействующего поля и на основании этого, определение собственных параметров цепей, заземляющих устройств и устройств защиты в частотной области. В результате получается система обыкновенных неоднородных дифференциальных уравнений. Собственные электрические параметры провода, входящие в систему уравнений являются частотно-зависимыми.
В связи с этим можно перейти от системы дифференциальных уравнений в частных производных к неоднородной системе обыкновенных дифференциальных уравнений. коэффициент распространения электромагнитной волны для цепи, подверженной влиянию, 1/км; YxU,) коэффициент распространения электромагнитной волны для влияющего воздействия, 1/км; х - текущая координата, км. Жилы кабеля по концам замкнуты на сопротивление Zu(Jco) (при х = 0) и ZK(joS) (при х = -в; - длина линии); Z# ZK ZB[2]. Тогда UHQ CO) = -ІнО ) ZB(JCO), (2.7) UKO O ) =+IK6 O )-ZBO »), (2-8) где UH(Jco) и IH(JCO) - напряжение и ток в начале цепи, UySjco) и IK(JO ) — напряжение и ток в конце цепи.
Постоянные интегрирования, невозможно определить без напряжения и тока в начале цепи, подверженной влиянию.
Определим значение напряжения и тока в начале линии конечной длины, с учетом изменяющегося во времени сопротивления устройств защиты через M(ja ) и NQco):
Так как литературе отсутствуют сведения о временной зависимости собственных и взаимных параметров проводников, поэтому для получения временных зависимостей напряжения и тока, наведенных в линию связи нужно использовать метод интегрирования обратного преобразования Фурье. Перепишем полученные значения применительно к нашей задаче, а именно к системе уравнений (2.6):
Используя этот метод, стало возможным выполнить расчет временных форм напряжения и тока в различных направляющих системах ТСП с учетом: импульсного электромагнитного влияния (источника поля с различными временными параметрами (тфронта, тспада); произвольных нагрузок направляющей системы; динамических характеристик устройств защиты и временных параметров сопротивлений заземлений; значительно сократить время расчета временных форм напряжений и тока без потери точности вычислений. Расчет собственных параметров одиночного воздушного провода произведем по формулам [7]:
Исследование влияния динамических характеристик устройств защиты и параметров заземляющих устройств на перенапряжения, возникающих в подземных кабельных линиях при воздействии импульсного электромагнитного поля
Для исследования влияния динамических характеристик устройств защиты и параметров заземляющих устройств на перенапряжения, возникающих в подземных кабельных линиях при воздействии импульсного электромагнитного поля необходимо: определить напряжение в жилах подземного кабеля без металлических покровов, в этом случае определяются параметры воздействующего поля под землей. Для определения перенапряжений в кабелях с металлическими покровами необходимо определить с учетом комплексного сопротивления заземления полный ток в металлопокровах кабеля, а затем через сопротивление связи перейти к определению напряжений.
Определим суммарный ток, наводимый в кабеле плоской волной, падающей на поверхность земли. Волну представим в виде экспоненциального импульса; однако постоянная времени спада в определенных пределах произвольна, так что можно получить падающее поле, приближающееся к импульсному (очень короткий спад) или к описываемому ступенчатой функцией (очень длинный спад). На ток в кабеле также влияют направление движения волны и проводимость земли. Направление движения волны учитывается функцией направленности D(i(/,(p), проводимость земли — постоянной времени те = Єо/сг. Таким образом, суммарный ток в кабеле зависит от амплитуды импульса воздействующего поля и от трех параметров: т — постоянной времени спада импульса падающего поля, те - постоянной времени земли и D(\j/, ф)- функции направленности. Для длинного подземного кабеля суммарный ток определяется только зависимостью от приведенного времени t/x. Результаты оценки суммарного тока даны в предположении, что земля ведет себя, как проводник. Для многих практических случаев это ограничение не влечет за собой усложнения, ибо земля ведет себя, как диэлектрик с затуханием, только в весьма небольшом диапазоне частот. Кроме того, экран подземных кабелей обычно вносит столь большое затухание на этих частотах, что влиянием электромагнитного поля можно пренебречь при анализе напряжения и тока в жилах кабеля [44].
Падающий электромагнитный импульс, как указано выше, имеет экспоненциальную форму. Предполагается также, что направления падения волны на поверхность земли определяется углом падения \/ и азимутальным углом ф (рисунок 2.34). Глубина прокладки кабеля невелика по сравнению с глубиной проникновения поля в землю, так что поле на глубине прокладки кабеля в основном то же, что и не поверхности.
Полное сопротивление цепи «металлические покровы — земля» состоит из двух составляющих: внутреннего сопротивления металлических покровов или так называемого поверхностного сопротивления Zn и внешнего сопротивления ZB, обусловленного внешним магнитным потоком и потерями в земле; таким образом, ZMn = Zn + ZB.
Полное поверхностное сопротивление равно отношению напряженности электрического поля вдоль внешней поверхности металлических покро BOB к току, протекающему в цепи «металлические покровы - земля». В общем виде поверхностное сопротивление однослойной металлической оболочки сплошной конструкции определяется по формуле[40] ?п = \iCOMa Д( 2) 1( 1) + 0( 2)- ( 1) ОМ 2ш2 у тм I[(kr2)K2(krl)-I1(kr])Kl(kr2) м (2.17) где Г] и г2 - внутренний и внешний радиусы оболочки, м; {ia - магнитная проницаемость металла оболочки, Гн/м; зм - проводимость металла оболочки, Сим/м; к = фсомаам ; 1о, К0, її, К] - видоизмененные функции Бесселя первого и второго рода нулевого и первого порядка.
Исследование частотной зависимости на частотах до 200 Гц поверхностной и внешней индуктивности стального заземляющего проводника с p,r = 100, а = 7,15-Ю6 показывает, что поверхностная индуктивность L110Bepx превосходит внешнюю индуктивность Ьвнеш в 18 раз.
Заземляющие устройства являются основными элементами устройства защиты от перенапряжений, возникающих при импульсном электромагнитном воздействии на телекоммуникационную сеть. При срабатывании УЗИП ток стекает в заземляющее устройство. При импульсном воздействии электромагнитного поля расчет сопротивления заземления зависит от глубины проникновения поля в землю.
Согласно [44] получаем формулу для комплексного сопротивления за-землителя длиной -С меньше глубины проникновения поля в землю 5 при условиях, что длина -6 много больше радиуса а и проводимость среды а больше, чем произведение диэлектрической проницаемости среды є и круговой частоты со:
Проведено исследование индуктированных перенапряжений, возникающих в цепях электропитания и информационных цепях при различном времени срабатывания устройств защиты. Результаты расчетов приведены на рисунках 2.47, 2.48. По результатам математического моделирования были получены следующие выводы: 1) Быстродействие устройства защиты влияет на амплитудно-временные параметры импульса перенапряжения. Увеличение быстродействия срабатывания устройств защиты от 20 до 0,1 мкс снижает уровень перенапряжений в 20 раз, при этом время фронта уменьшается в 6 раз.
Влияние динамических характеристик устройств защиты на защищенность устройств автоматики, телемеханики и связи к импульсным воздействиям
В настоящее время наиболее актуальной задачей является определение динамических характеристик работы устройств защиты элементов, аппаратуры линейных устройств ЖАТС (АЛУ) при импульсном электромагнитном воздействии. Устройства защиты от импульсных перенапряжений характеризуются быстродействием, которое определяется по значению времени срабатывания.
Надежная работа устройств автоматики, телемеханики и связи, связанных с интервальным регулированием движения поездов, может быть обеспечена при их соответствующей защите от импульсных перенапряжений. Перенапряжения, возникающие в двухпроводных цепях сигнализации и связи, подразделяются на два вида: продольные («провод - земля») и поперечные («провод - провод»). Причиной возникновения поперечных перенапряжений является неодновременный пробой разрядников, включенных в разные провода линии.
На основании методических указаний И-247-97 «Защита от перенапряжений устройств АБ и ЭЦ» разработана структурная схема защиты цепей питания линейных устройств автоматики и телемеханики и связи (рисунок 4.6.)
Результаты моделирования при ив03дейст = 1000 В сведены в таблицу 4.2.
Как следует из таблицы 4.2 значительное снижение напряжения достигается при времени запаздывания 200 не, причем на значения напряжения оказывает существенное влияние не только активная величина сопротивления заземления, но и индуктивность контура заземления и подводящих проводов.
С целью исследования влияния неодновременности срабатываний первых двух каскадов защиты (УЗИП 1 и УЗИП 2), получены графики изменения напряжения «провод - провод» (рисунок 4.10), согласно схемы, приведенной на рисунке 4.7.
Согласно схеме приведенной на рисунке 4.7 после УЗИП 1 и УЗИП 2 включен УЗИП 3 его назначение заключается в снижении остаточного перенапряжения, возникающего после неодновременного срабатывания первых двух УЗИП.
На рисунке 4.11 приведен график изменения значений перенапряжений в двухпроводной цепи, полученные при относительном времени запаздывания срабатывания УЗИП1 и УЗИП 2 и при тсрабУЗИП 3=1 мке, который показывает влияние разности срабатываний УЗИП на возникающий уровень напряжения.
Анализируя, полученные результаты, можно сделать вывод, что при неодновременном срабатывании УЗИП1 и УЗИП2 (At = 0,5 не) и і сраб. узипз = 1 мкс, т сраб. узип4 = 0,9 мкс перенапряжение в двухпроводной цепи снижается в 4,3 раза по сравнению с такими лее условиями, но без УЗИП 4. При уменьшении неодновременности срабатывания УЗИП 1 и УЗИП 2 до At = 0,1 не перенапряжение в сети уменьшается при тех же условиях в 2,1 раза.
Для проверки метода имитационного моделирования на реальной линии была выбрана кабельная магистраль длиной 17 км. Схема проведения эксперимента по влиянию неодновременности срабатывания разрядных промежутков УЗИП показана на рисунке 4.12.
На рисунке 4.13 а, б показаны осциллограммы напряжения, возникающего между жилами кабеля соответственно на генераторном и приемном концах, при неодновременном пробое разрядных промежутков разрядника Р-35, а на рисунке 4.13, в, г - разрядника Р-27. Рисунок 4.13 - Осциллограммы напряжения, возникающего между жилами кабеля
Из осциллограмм (см. рисунок 4.13, а, б) следует, что импульсы перенапряжения распространяются по цепям кабеля на значительные расстояния, оставаясь опасными для входных цепей аппаратуры. На рисунке 4.13 в, г приведены осциллограммы напряжения, возникающего в двухпроводных цепях кабеля при срабатывании разрядника Р-27, у которого время относительного запаздывания пробоя приближается к нулю. Из анализа рисунка 4.13 следует, что амплитуда напряжения в цепи «жила-оболочка» в месте установки разрядника уменьшилась в 10 раз, а длительность - в 6 раз. На приемном конце кабеля амплитуда уменьшилась в 100 раз и стала не опасной для входных цепей.
При малой скорости нарастания напряжения в цепях кабеля возможна ситуация, когда пробивается только один промежуток разрядника, что приводит к увеличению длительности и амплитуды напряжения между жилами.
Проведенные исследования наиболее распространенных на сети дорог разрядников (Р-76, Р-4, Р-27, Р-35, РВНШ-250) показывают, что время относительного запаздывания пробоя разрядных промежутков изменяется от долей микросекунды при крутизне нарастания напряжения 100 В/мкс и более до единиц миллисекунд при крутизне 0,3 В/мкс. Амплитуда импульсов, возникающих в двухпроводной цепи, равна динамическому напряжению пробоя разрядного промежутка при крутизне фронта более 3000 В/мкс
В руководящих указаниях РУ-90 предлагается использовать трехэлек-тродные металлокерамические разрядники Р-97-2, которые имеют повышенную пропускную способность и быстродействие относительно разрядников РВНШ-250, РВН-250 и других. В методических указаниях И-247-97 «Защита от перенапряжений устройств АБ и ЭЦ» приводятся схемы с использованием только двухэлектродных разрядников РКН-600, выполненных на базе Р-97-1 в цепях электропитания, что приводит из-за большой неодновременности их срабатывания к возникновению в двухпроводных трактах импульсных перенапряжений с крутым фронтом.
Похожие диссертации на Разработка методов повышения эффективности функционирования телекоммуникационных систем при внешних импульсных электромагнитных воздействиях
