Атмосферное электричество

Характеристики источников электромагнитных помех

Классификация внешних влияний

ЗАЩИТА ОТ ВНЕШНИХ ПОМЕХ

Источниками внешних электромагнитных помех (ЭМП) на двухпроводные цепи и другие приемники помех являются: Линии электропередач (ЛЭП), электрофицированные железные дороги (ЭЖД), радиостанции, промышленные установки, атмосферное электричество, включая грозовые процессы и магнитные бури. Различают естественные и техногенные помехи, включая преднамеренные. Все помехи можно разделить на электрические, магнитные, электромагнитные и гальванические (кондуктивные). Особенности первых трех видов помех были рассмотрены в разделе экранирование. Гальванические помехи возникают за счет протекания токов помех по общим цепям источников и приемников излучения. К таким цепям относятся общие цепи (так называемая земля) в схемах усилителей, приемников и других электронных устройств. В настоящей земле протекают так называемые блуждающие токи. Их источниками являются ЭЖД, включая трамвай, использующие в качестве обратного провода рельсы, ЛЭП с заземленной нейтралью, а также любые ЛЭП в аварийных режимах при обрыве и падении на землю оборванного провода. Блуждающие токи возникают также при грозовых разрядах на объекты, находящиеся на земле или под землей. Блуждающие токи, встречая на своем пути металлические оболочки и бронепокровы кабелей, могут распространяться по ним на большие расстояния, вызывая помехи в кабельных цепях.

Под влиянием внешних помех в двухпроводных цепях возникают напряжения и токи помех, которые делятся на:

опасные с напряжениями более 36 В и токами более 10 мА, представляющие опасность для людей и оборудования,

мешающие с напряжениями порядка нескольких мВ и токами порядка 1 мА, приводящие к ухудшению качества связи.

По длительности воздействия помехи делят на кратковременные (до 1 с) и долговременные (свыше 1 с).

Внешним электромагнитных помехам в наибольшей степени подвержены воздушные линии связи (ВЛС). На втором месте находятся цепи симметричного кабеля (СК). Значительно меньше подвержены влиянию помех цепи коаксиального кабеля (КК). Практически не подвержены электромагнитным помехам волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). В связи с этим основное внимание уделяется помехозащищенности симметричных цепей.

Атмосферное электричество относится к очень опасным источникам помех. Напряжение между грозовым облаком и землей достигает 1-10 МВ, амплитуда тока грозового импульса достигает 20-30 кА, длительность удара молнии 0.3-0.5 с, количество разрядов за один удар 3-10, длительность одного разряда 100-200 мкс, фронт нарастания разряда 10-40 мкс, фронт спада 40-120 мкс (до половины амплитуды), длина канала молнии 2-3 км, температура в канале молнии достигает 20000 °С. Наиболее опасен непосредственный разряд молнии через цепи линий связи, электрические и электронные приборы и оборудование, который часто приводит к катастрофическим последствиям. Однако большой уровень помех возникает и при разряде молнии в землю или другие объекты (молниеотводы, металлоконструкции, деревья и т.п.), расположенные на сравнительно небольших расстояниях (до нескольких км) от подверженного влиянию помех устройства. Причем сама помеха носит комплексный характер и включает электрическую, магнитную и кондуктивную составляющие.

Провода воздушной линии связи или подвесного кабеля при прямом ударе молнии под действием больших токов могут расплавиться на одном или нескольких пролетах, а деревянные опоры под действием быстро повышающегося давления испаряющейся влаги расщепляются, линейные изоляторы от высокого напряжения пробиваются и разрушаются.

Повреждения кабеля от токов молнии весьма разнообразны: так, от сильного нагрева под действием тока расплавляется свинцовая оболочка, сгорает джутовая оплетка, обгорает изоляция, расплавляются жилы кабеля, от высокого напряжения пробивается изоляция и т.д.

Вероятность повреждений ВЛС и кабельных линий связи (КЛС) грозовыми разрядами зависит от среднего количества грозовых дней, т.е. от климатических условий в данном районе. В районах Москвы, Санкт-Петербурга, Смоленска среднее количество грозовых дней составляет 20-25. В районах Архангельска, Мурманска число грозовых дней в году не превышает 5-10, а в районах Кавказа 30-40. Есть отдельные районы, в которых количество грозовых дней превышает 60. Вероятность повреждения кабелей подземной прокладки с металлическими элементами (жилами, оболочкой, бронепокровами) зависит от свойств грунта и типа оболочки кабеля и возрастает с увеличением удельного сопротивления грунта и уменьшением проводимости оболочки кабеля. Вероятное число повреждений на единицу длины кабеля в год может быть определено для всех географических точек Земли.

Вероятное количество повреждений 100 км участка подземного кабеля за год с 20 грозовыми днями можно определить по графикам, приведенным на рис.5.1 для заданного удельного сопротивления грунта r (Ом м) и металлической оболочки кабеля. Если количество грозовых дней N для данной местности отличается от 20, то вероятное количество повреждений надо скорректировать, учитывая, что эта величина прямо пропорциональна N.

Рис.5.1. Вероятное количество повреждений 100 километровогом кабельного участка от грозовой деятельности.

В таблице 5.1 приведены значения удельных сопротивлений грунтов и воды для расчетов вероятного количества повреждений от грозы.

Таблица 5.1

Приближённые значения удельных сопротивлений грунтов и воды

Вид грунта	r, Ом×м
Возможные пределы	Значения, рекомендуемые для предварительных расчётов
Песок	400 – 1000 и более
Супесок	150 – 400 и более
Суглинок	40 – 150 и более
Глина	8 – 70 и более
Садовая земля
Чернозём	10 – 50 и более
Торф
Речная вода (реки на равнинах)	10 – 80
Морская вода	0,2	0,2

Приведем в качестве примера для расчетов значения удельных сопротивлений оболочки некоторых кабелей. Кабели МКСБ 4х4, 7х4 и КМБ-4 имеют удельное сопротивление 2.1, 1.65 и 1.25 Ом/км, а кабели МКСАБ 4х4 и 7х4 – соответственно 0.36 и 0.27 Ом/км.

Если вероятное число повреждений на 100 км трассы равно или превышает 3 для симметричного кабеля или 2 для коаксиального кабеля, то необходимо предусмотреть защиту кабеля.

К основным мерам защиты кабелей от удара молнии на открытой местности являются:

выбор трассы с наименьшим ожидаемым числом повреждений,

применение кабелей с повышенной проводимостью оболочки и повышенной электрической прочностью изоляции,

прокладка над кабелем специальных металлических тросов или воздушных линий связи со стальными заземленными проводниками.

Для защиты воздушных линий связи используют:

искровые разрядники с выносными заземлениями,

молниеотводы.

При выборе трассы необходимо иметь в виду то, что молнией чаще поражаются наиболее высокие наземные предметы. Однако молния может ударить и в ровную поверхность земли (рис.5.2а), устремляясь в область большей электропроводности почвы. Если грунт, в котором проложен кабель, имеет большое удельное сопротивление, то разряды молнии, реагируя на наличие в почве хорошо проводящих металлических оболочек кабеля, ударяют в поверхность земли над этим кабелем. Чаще всего повреждения подземных кабелей наблюдаются в грунтах с большим сопротивлением (каменистых, скальных, песчаных и т.п.).

Расположенные рядом с трассой кабеля, деревья могут поражаться молнией, а токи по корням деревьев, как по проводникам, могут попадать в оболочку кабеля (рис.5.2б). Поэтому количество повреждений кабеля, проложенного непосредственно по краю леса, в несколько раз превышает количество повреждений кабелей, проложенных на открытой местности. В то же время кабель, находящийся на некотором оптимальном расстоянии от леса, будет им защищаться. При этом количество повреждений уменьшается в 20 раз по сравнению с прокладкой кабеля по открытой местности.

Оптимальное расстояние от леса составляет от 1.5 h до h , где h - средняя высота деревьев на краю леса. Большая величина берется при h = 10 м, а меньшая при h = 30 м.


а
Рис. 5.2. Разряд молнии непосредственно в кабель (а) и через дерево (б)
б

Эффективность защиты кабелей подземными тросами (рис. 5.3) можно оценить специальным коэффициентом

, (5.1)

где r_кт – расстояние от троса до кабеля,

d_т, d_к – диаметры троса и кабеля, соответственно.


а	б

Рис. 5.3. Защита кабеля от молнии одним (а) и двумя (б) тросами.

Коэффициент эффективности одного троса меньше 1. Для определения количества вероятных повреждений с учетом защитного троса также можно пользоваться рис.5.1, приняв величину удельного сопротивления оболочки равным k_тр R_об. Дополнительно уменьшить коэффициент эффективности можно используя два и более тросов.

При прямых разрядах молнии в провода воздушной линии связи возникают очень высокие напряжения до 1000 и более кВ. Для защиты аппаратуры связи от перенапряжений используют искровые разрядники. Они имеют относительно простую конструкцию; в виде двух заостренных проводников (электродов), расположенных в воздухе на некотором расстоянии друг от друга. Роль диэлектрика между двумя электродами играет воздух. Электроды размещены так, чтобы при превышении некоторого напряжения пробоя возникал бы искровой разряд. Искровой разрядник обычно изготавливают открытым. В результате напряжение пробоя сильно зависит от свойств окружающей среды: состава воздуха, атмосферного давления, влажности, наличия загрязнений разрядника и т.п. Искровые разрядники обозначают буквами ИР (искровой разрядник) и цифрой, которая указывает расстояние между разрядниками в мм. Для защиты людей и оборудования часто используют каскадную защиту (рис.5.4). В таблице 5.2 приведены максимальные значения сопротивления заземления искровых разрядников.

Рис. 5.4. Каскадное включение искровых разрядников.

Таблица 5.2

Максимально допустимые сопротивления заземления разрядников

Назначение заземления	Сопротивление заземления не более, Ом, при r, Ом м
до 100	100-300	300-500	более 500
Заземление ИР при интервалах между ними 150, 400, 600 и 1000 м
То же, при 100, 200, 300, 500 м
То же, при 100, 200, 300, 500 м

Опоры воздушных линий связи защищают от разрушения при прямых ударах молнии стержневыми молниеотводами, которые устанавливают на вводных, кабельных, контрольных опорах, на опорах с разрядниками, а также на всех опорах, нуждающихся по мнению проектировщиков в защите.

Отметим, что молниеотвод существенно снижает вероятность удара молнии в провода линии. Молниеотвод (рис.5.5) представляет собой проволоку диаметром 4 - 5 мм, верхний конец которой должен располагаться выше защищаемого объекта, а нижний должен заземляться. В простейшем случае заземлитель представляет собой туже проволоку, которую закапывают на глубине 0.7 м. Длина заземлителя составляет от 1 до 12 м. Чем больше удельное сопротивление грунта r, тем больше должна быть длина заземлителя. Эффективность молниеотвода тем больше, чем выше он расположен. Зона защитного действия молниеотвода представляет собой круг с радиусом равным высоте молниеотвода h.

Рис. 5.5. Устройство молниеотвода.

Максимально допустимое сопротивление заземления молниеотвода можно выбрать из таблицы 5.3.

Таблица5.3

Максимальное сопротивление молниеотвода на опорах линий связи

Удельное сопротивление грунта, r, Ом м	до 100	100-200	200-400	400-500	более 500
Сопротивление заземления (не более), Ом

Сопротивление протяженного проволочного заземлителя диаметром d и длиной l можно определить по выражению

. (5.2)

Результаты расчетов сопротивления заземлителя (рис. 5.6) позволяют выбрать необходимую длину заземлителя для искровых разрядников и молниеотводов.

Для защиты подземных кабелей от грозовых разрядов также используют малогабаритные разрядники, устанавливаемые в соединительных муфтах, которые используются для защиты мест соединения строительных длин. Однако в муфтах обычно устанавливают газонаполненные разрядники. Физические процессы в разрядниках, их конструкции будут рассмотрены ниже в этой главе.

Рис.5.6. Зависимость сопротивления заземлителя диаметром 5 мм от его длины при разных удельных сопротивлениях грунта

Для испытаний линий связи и подключенного к ним оборудования на устойчивость к грозовым явлениям используют, так называемые грозовые импульсы (рис 5.7) с параметрами:

амплитуда импульса U_мах от 4 до 10 кВ (типовое значение 6 кВ),

внутреннее сопротивление источника 2 Ом,

длительность фронта (1-1.2) мкс, определяемая между уровнями от 0.1 до 0.9 U_мах,

длительность импульса 50 мкс, определяемая на уровне 0.5 U_мах.

Рис.5.7. Форма испытательного грозового импульса

Помимо грозового электричества, на работу цепей связи могут оказывать неблагоприятные воздействия магнитные бури. Последние имеют место в результате резкого изменения в отдельные периоды времени напряженности магнитного поля земли и появления значительных разностей потенциалов между удаленными друг от друга точками земной поверхности. Возникающие при этом земляные токи оказывают сильное мешающее действие на работу однопроводных цепей (дистанционное питание по системе провод-земля, цепи сигнализации и т.п.). При длительном прохождении по цепи земные токи могут привести к повреждениям в аппаратуре необслуживаемых усилительных пунктов. Магнитные бури часто наблюдаются в полярных областях.

5.2.2. Электрофицированные железные дороги и линии электропередач

Наибольшую опасность представляют собой линии ЭЖД. В городе трамвайные линии работают при постоянном напряжении 600 В, пригородная ЭЖД использует постоянное напряжение 1.65 кВ, а магистральная 3.3 кВ. На наиболее протяженных магистральных ЭЖД используют переменное напряжение 25 кВ. Как источник помех, ЭЖД представляет собой однопроводную линию с очень большим током, достигающим нескольких кА, и использующую в качестве обратного провода рельс (землю). Однопроводная линия создает электрические и магнитные помехи в цепях воздушных линиях связи. Электрические помехи практически не оказывают влияние на цепи подземных кабелей связи из-за экранирующего действия металлической оболочки и земли. Магнитные помехи могут быть существенны для кабельных цепей.

Спектр помех ЭЖД переменного тока содержит частоты 50 Гц и ее гармоники (примерно до 3 кГц) с уменьшающейся с увеличением частоты амплитудой. Помехи ЭЖД постоянного тока имеют более широкий спектр до 30 кГц. Они связаны в первую очередь с работой коллекторных электродвигателей постоянного тока. Для уменьшения высокочастотных помех на тяговых подстанциях устанавливают сглаживающие фильтры.

В главе 1 получены выражения для наведенной от однопроводной цепи эдс помех в однопроводных и двухпроводных цепях. ЭЖД являются мощным источником кондуктивных или гальванических помех, которые проявляются как блуждающие в земле токи, способные распространяться в металлических оболочках и бронепокровах кабелей связи, расположенных вблизи рельсов. Из-за плохой изоляции рельсов от земли в ней возникают значительные блуждающие токи. Их величина возрастает при больших контактных сопротивлениях между рельсами. Для уменьшения блуждающих токов на ЭЖД принимают меры по уменьшению электрического сопротивления между стыкуемыми рельсами, а также по увеличению сопротивления изоляции рельсов от земли. В металлических оболочках кабелей связи под действием блуждающих токов возникает продольное напряжение помех, которое нарушает работу однопроводных кабельных цепей и создает мешающие помехи в симметричных цепях. Использование оболочек с малым сопротивлением уменьшает продольное напряжение помех.

Упрощенная схема воздействия кондуктивных помех от ЭЖД на симметричные кабельные цепи показана на рис. 5.8. В приемнике возникает напряжение помех на каждом проводнике относительно земли U_по (помеха общего вида или синфазная) и между входами приемника U_п (дифференциальная помеха). Дифференциальная помеха искажает сигнал и ухудшает качество связи. Помеха общего вида может иметь большую величину и представлять опасность для обслуживающего персонала. В симметричных цепях при выполнении условия дифференциальная помеха стремится к нулю.

Рис. 5.8. Упрощенная схема влияния кондуктивных помех.

ЛЭП, хотя и работают при больших напряжениях и токах, обычно оказывают меньшее влияние на ЛС. Различают трехфазные ЛЭП переменного тока 50 Гц с изолированной и заземленной нейтралью (рис.5.9). Существуют ЛЭП с напряжениями 3.3, 6.6, 11, 35, 110, 220, 330, 500 и 750 кВ. Линии с изолированной нейтралью применяются при напряжениях не свыше 35 кВ. При больших напряжениях, исходя из техники безопасности, нейтрали обязательно заземляются.

а
б

Рис. 5.9. Режимы работы ЛЭП: а - симметричный с изолированной нейтралью, б - то же с заземленной нейтралью.

Влияния, оказываемые ЛЭП на линии связи, могут быть электрическими и магнитными. При симметричном режиме работы ЛЭП и сравнительно большом удалении линии связи помехами можно пренебречь. При несимметричном режиме работы возникают помехи, которые резко возрастают в аварийных режимах, например при замыкании фазного провода на землю (рис.5.10). При этом помимо электрических и магнитных помех возникают кондуктивные помехи, вызывающие блуждающие токи в земле. Помехи возникают на частотах 50 Гц и ее гармониках (до 3 кГц).

Рис. 5.10. Несимметричный аварийный режим работы ЛЭП (замыкание фазного провода на землю).

Находят применение для передачи электроэнергии на большие расстояния ЛЭП постоянного тока с напряжениями 400, 500, 600, 800, 1000, 1500 кВ. Они имеют более широкий спектр помех (до 30 кГц) за счет электронных (обычно тиристорных) коммутаторов и регуляторов.

Для предотвращения тяжелых последствий, которые могут наступить в линиях и аппаратуре связи при возникновении аварийного режима работы ЛЭП повышают быстродействие устройств защиты ЛЭП.

При прокладке кабелей в коллекторах и тоннелях рядом могут оказаться кабели связи и силовые кабели. Поэтому в цепях кабелей связи могут возникать помехи, которые чаще всего носят магнитный характер и возрастают в аварийных и несимметричных режимах работы силовых цепей. Их особенностью является длительный характер воздействия. Наибольшую опасность представляют собой замыкания силовых цепей с цепями связных кабелей, которые также могут долго продолжаться, а уровень тока помех ограничивается внутренним сопротивлением цепей. Роль обратного провода для токов короткого замыкания часто выполняет заземляющие проводники и земля.

Этот вид помех может быть результатом повреждений, вызванных грозой, ремонтными работами или вандализмом. Эффективный путь предупреждения таких повреждений - соответствующий монтаж, т.е. исключение пересечений связных и силовых кабелей, разделение кабелей кабельными каналами и т.д.