Виды и классификация внешних влияний

Главной отличительной особенностью внешних электромагнитных влияний на цепи связи является наличие больших расстояний между влияющей и подверженной влиянию цепями и как следствие этого: во 1-х, практическое отсутствие влияния за счет поперечной асимметрии в расположении проводников, свойственной процессу взаимных влияний; во 2-х, определяющая роль влияний за счет продольной ассиметрии цепей проводник – земля (оболочка) и, в 3-х, возможность пренебречь активными составляющими электромагнитных связей.

Кроме того, для внешних источников влияния характерно следующее:

- разные длины влияющих, подверженных влиянию и третьих цепей;

- пренебрежимо малое затухание высоковольтных линий по сравнению с линиями связи, подверженными влиянию;

- необходимость учета искажения электромагнитного поля за счет других электропроводящих предметов, таких, как грозозащитные тросы, железнодорожные рельсы, рядом расположенные провода и кабели, деревья и др.

Различают следующие виды внешних влияний (рисунок 10.5):

- электрические, обусловленные действием электрического поля;

- магнитные, возникающие за счет действия магнитного поля;

- гальванические, появляющиеся вследствие наличия в земле блуждающих токов; последние создаются высоковольтными линиями, использующими землю в качестве обратного проводника. Под действием блуждающих токов на оболочках кабелей связи появляется напряжение и в цепях связи возникает влияние. Особенно велико гальваническое влияние при аварийных режимах высоковольтных линий и в местах электростанций.

Под действием внешних электромагнитных полей в сооружениях связи могут возникать напряжения и токи:

- опасные, при которых появляются большие напряжения и токи, угрожающие жизни обслуживающего персонала и абонентов или приводящие к повреждению аппаратуры и линейных сооружений (опасными считаются напряжение >36В, то >15мА).

- мешающие, при которых возникают помехи, шумы, искажения, приводящие к нарушению нормальной работы средств связи (мешающим считаются напряжение 1 – 2 мВ, ток 2мА).

Рисунок 10.5 – Виды внешних влияний: Е – электрическое; Н – магнитное; I – гальваническое; ВВЛ – высоковольтная линия; ЛС – линия связи

Внешние влияния подразделяются также на длительные и кратковременные. Границей раздела между ними является время t=1 с.

Источниками внешних электромагнитных влияний на сооружения связи являются: атмосферное электричество (гроза); линии электропередачи (ЛЭП); электрифицированные железные дороги; радиостанции (РС). Влияние оказывают также индустриальные помехи (бытовые электроаппараты, городской транспорт), магнитные бури и т.д. Кроме того, металлические оболочки кабелей подвержены коррозии.

Рассмотрим источники внешних влияний и меры защиты сооружений от них:

1. Влияние атмосферного электричества. Опасному воздействию атмосферного электричества подвер­жены как воздушные, так и кабельные линии связи.

Вероятное число повреждений кабелей от ударов молнии ха­рактеризуется плотностью повреждений, под которой понимается общее количество отказов в связи, отнесенных к 100 км трассы кабельной линии в год. Ее можно определить по формуле

, (10.1)

где N — общее число повреждений, равное числу опасных уда­ров молнии; К — период, за который произошло N повреждений, лет; L — длина трассы, км.

Установлено, что в течение грозового периода в районах с грозодеятельностью 20—25 дней в году на каждые 100 км трассы приходится восемь—десять случаев прямого удара молнии в ли­нию связи.

Опасность повреждений кабельной линии существенно зависит от состояния грунта и проводимости кабельной оболочки.

Молния — это электрический разряд через воздух. Путь, обра­зованныйразрядом атмосферного электричества, называется ка­налом молнии.Канал молнии обладает примерно следующими параметрами: напряжение 1 —10 млн. В; ток молнии 20—30 кА; длительность удара молнии 0,3—0,5 с; количество разрядов за один удар 3—10; время одного разряда 100—200 мкс; основная частота колебаний 5—10 кГц; фронт нарастания волны молнии 10—40 мкс; фронт спадания 40—120 мкс; длина канала молнии 2—3 км; скорость движения лидера (скачок в молнии) 100 км/с; температура в ка­нале молнии 20 000°С; волновое сопротивление 300 Ом.

Высокое напряжение на проводах линий связи (ЛС) при гро­зовых разрядах появляется или вследствие индукции от разряда облака на землю, или в результате непосредственного разряда в линию связи (прямой удар). Чаще молнией поражаются наибо­лее высокие наземные предметы. Однако молния может ударить и в ровную поверхность земли, устремляясь в область большей электропроводности почвы (рисунок 10.6). Если грунт, в котором заложен подземный 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 удельным сопротивлением (каменистых, гранитных, песчаных и т. п.).

Рисунок 10.6 – Удар молнии: непосредственно в кабель (а); через дерево (б)

Провода воздушной линии связи 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 сильного нагрева пробиваются или раз­рушаются. Иногда от одного удара молнии разрушается несколь­ко опор. Ток молнии распространяется по земле во все стороны, и если поблизости находится кабель, то большая часть тока мо­жет пройти в его металлическую оболочку. Между местом удара молнии и кабелем могут возникнуть большие напряжения и обра­зоваться электрическая дуга, достигающая 30 м, а иногда и больше.

Повреждения кабеля от токов молнии весьма разнообразны: так от сильного нагрева расплавляется свинцовая оболочка, сго­рает джутовая оплетка, обгорает изоляция, расплавляются жилы кабеля и т.д. Под действием внешних сил, образующихся от дав­ления паров влаги грунта и газов, возникающих при сгорании джутовой оплетки, образуются вмятины на оболочке, прогибы ка­беля, разрывы ленточной брони и т. п. Вследствие больших ин­дуктированных напряжений, возникающих между жилами и обо­лочкой кабеля, пробивается изоляция жил.

Повреждения в подземном кабеле могут возникнуть от токов молнии, попадаемых в кабель через корни близко растущих де­ревьев. Воздушные кабели подвержены действию токов молнии, попавших в кабельные опоры или в воздушные провода.

2. Влияние линий электропередачи. Электроэнергия может передаваться по линиям электропере­дачи переменного и постоянного токов (рисунок 10.7). Напряжения ЛЭП переменного тока: 3,3; 6,6; 11; 35; 220; 500 и 750 кВ (0.4, 6, 10, (20), 35, 110, 150, 220, 330, 400 (Выборгская ПС - Финляндия), 500, 750 и 1150 кВ). На­пряжения ЛЭП постоянного тока: 400; 500; 600; 800; 1000 кВ (150, 400 и 800 кВ). Разрабатываются ЛЭП на 1500 кВ.

Линии электропередачи переменного тока используют, как пра­вило, трехфазный ток. Режимы работы: 1) симметрич­ный с изолированной нейтралью или с заземленной нейтралью; 2) несимметричный по схеме «два прово­да—земля». Линии с изолированной нейтралью при­меняются при напряжениях не свыше 35 кВ. При больших на­пряжениях, исходя из техники безопасности, нейтрали обязатель­но заземляются.

Рисунок 10.7 – Линия электропередачи переменного тока

Влияния, оказываемые ЛЭП на линии связи, могут быть элек­трическими и магнитными. В зависимости от режима работы ЛЭП преобладает то или иное влияние. Симметричные системы обладают высоким потенциалом и создают большие электричес­кие воздействия (U→E). Несимметричные системы (с заземлен­ной фазой) в аварийном режиме имеют большой уравнительный ток и являются источником сильных магнитных воздействий (I→Н). Заземленные ЛЭП оказывают гальваническое влияние.

На линии связи воздействуют как ЛЭП переменного тока, так и постоянного. Первые влияют в основном на частоте 50 Гц и на высших гармониках, главным образом, в тональном диапазоне частот; вторые — за счет пульсирующих составляющих при выпрямлении тока преимущественно ртутными выпрямителями. Влияние гармонических составляющих распространяется на диа­пазон порядка 30 кГц и ухудшает качество трех канальных ВЧ систем передачи.

При рассмотрении влияний на цепи связи различают нормаль­ный, вынужденный и аварийный режимы работы высоковольтных линий.

Под нормальнымпонимается такой режим, при котором линия работает постоянно. Вынужденный режим — это тот, при котором линия вынуждена работатьопределенный промежуток времени в режиме, отличающемся от нормального. Аварийныйрежим воз­никает при нарушении нормальной работы высоковольтной линии, например при обрыве и заземлении провода одной из фаз трех­фазной линии с заземленной нейтралью. При заземлении одной из фаз линии с изолированной нейтралью возникает неуравнове­шенное напряжение, равное 1,73 линейного напряжения.

Влияющий ток, замыкающийся на каждой паре проводов вы­соковольтной линии, принято называть током прямой последова­тельности, а замыкающийся в цепи «провод—земля» — током ну­левой последовательности. Наибольшее влияние на ЛС оказы­вают токи нулевой последовательности.

3. Влияние электрифицированных железных дорог. Контактные сети магистральных и пригородных электрифици­рованных железных дорог, трамвая, троллейбуса (рисунок 10.8) также оказывают влияние на линии связи. Напряжения в контактных сетях постоянного тока: трамваи и троллейбусы 0,6 кВ, пригородная электрифици­рованная железная дорога 1,65 кВ, магистральная электрифици­рованная железная дорога 3,3 кВ. Напряжения в сетях переменного тока магистральных электрифици­рованная железная дорога 25 кВ.

Рисунок 10.8 – Электрифицированная железная дорога

Электрифицированный транспорт представляет собой однопроводную не­симметричную систему с использова­нием земли (рельсов) в качестве об- ратного провода, в которой протекает сильный неуравновешенный ток и возникает сильное магнитное влияние (I→Н). Ток в контакт­ных сетях электрифици­рованных железных дорог может достигать нескольких сотен ампер.

Электрифицированный транспорт является источником и опас­ного, и мешающего влияний на ЛС. Наряду с магнитным суще­ствует гальваническое влияние.

Электрифицированные железные дороги переменного тока влияют в основном на частоте 50 Гц и в диапазоне тональных частот; электрифици­рованная железная дорога постоянного тока за счет появления высших гар­монических составляющих при выпрямлении тока действуют как в тональном, так и в высокочастотном диапазонах (до 30 кГц).

4. Особенности влияния на воздушные и кабельные линии связи. Природа внешних электромагнитных влияний на воздушные и кабельные линии связи различна (рисунок 10.9). На воздушные линии действуют одновременно как электрическое поле, так и магнит­ное. На кабельные линии оказывает влияние только магнитное поле. Силовые линии электрического поля замыкаются на метал­лическую оболочку кабеля и землю и не проходят в сердечник кабеля. Магнитное влияние на кабельные линии снижается за счет экранирующего действия кабельной оболочки.

Рисунок 10.9 – Особенности влияния на линии связи: воздушные (а); кабельные (б)

Кабельные линии, находящиеся в земле, и воздушные линии, работающие по системе «провод-земля», испытывают также гальваническое влияние.

5. Влияние радиостанций на линии связи. Радиостанции оказывают мешающие влияния на высокочастотные каналы связи, если их рабочие частоты совпадают с диапазоном ВЧ систем.

На линии связи оказывают непосредственное влияние радиостанции сверхдлинноволноводного диапазона (частоты 3-30 кГц), длинноволнового (30-300 кГц) и средневолнового (300-3000 кГц). Больше всего подвержены влиянию радиостанций вертикальные провода (вводы цепей в станцию). Наиболее мощными радиостанциями являются вещательные и телеграфные, работающие на большие расстояния.

Степень мешающего влияния радиостанций на цепи связи зависит от многих причин: излучаемой мощности, расположения трассы линии связи по отношению влияющей радиостанции, проводимости земли, коэффициента чувствительности цепи связи к помехам.

За счет конечной проводимости земли появляется горизон­тальная составляющая поля, мВ/м,

(10.2)

где λ — длина волны, м; σ_З — проводимость земли, См/м. Эта го­ризонтальная составляющая поступает в линию и является источ­ником помех (рисунок 10.10). Чем выше частота и меньше проводи­мость грунта, тем больше Е_г и мешающее влияние в кабеле. На­ибольшее влияние сказывается при прохождении кабеля в грун­тах с большим сопротивлением (песке, суглинке, скальных по­родах).

Рисунок 10.10 – Природа влияния радиостанции на линии связи