Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке железной дороги

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

«Проект кабельной линии АТ и С на участке железной дороги«

Главная задача, поставленная перед железнодорожным транспортом, обеспечение всевозрастающей потребности народного хозяйства в перевозках, повышение скоростей и безопасности движения поездов.

Железнодорожная сеть нашей страны представляет собой единую, работающую по общему плану систему, все части которой взаимодействуют друг с другом. Работа всех звеньев железнодорожной сети не может осуществляться без широкого использования разнообразных видов связей, организуемых по воздушным, кабельным и радиорелейным линиям.

Кабельные линии отличаются высокой эксплуатационной надежностью и дают возможность осуществления всех видов связи и каналов передачи информации, необходимых для управления перевозочным процессом железных дорог. Строительство магистральных кабельных линий позволяет резко увеличить количество каналов связи управлениями железных дорог, отделениями и станциями, дает возможность автоматизации телефонной и телеграфной связи.

Кабельные линии связи строят: при электрификации железных дорог по системе тока в качестве основной меры защиты цепей связи, автоматики и телемеханики от влияния тяговой сети; взамен воздушной линии связи при строительстве автоматической блокировки и диспетчерской централизации; при электрификации железных дорог по системе постоянного тока и строительстве дополнительных главных путей, когда конструкция воздушной линии экономически нецелесообразна; на вновь строящихся железных дорогах магистрального значения; в районах, подверженных сильным гололёдам; также в районах, намеченных к электрификации по системе переменного тока на ближайшие годы.

В данном курсовом проекте разработана оптоволоконная линия связи на участке Московской железной дороги, которая в должной мере отвечает приведенным выше требованиям; определены влияния высоковольтных линий на цепи проводной связи.

Все математические расчеты проведены в системе «Mathcad 2001 Professional».

1. Описание проектируемого участка линии связи

1.1 Физико-географические данные

Проектируемый участок линии связи расположен в центральной части Восточно-Европейской равнины, на территория Брянской обрасти, Московской железной дороги. Для этой местности характерно:

- среднегодовое количество осадков: 560−600 мм;

- средняя температура: января от минус7,4 до минус 9 С, июля от плюс 18,1 до плюс 19,1 С;

- число дней в году со снежным покровом: 180−200;

- леса: широколиственно-хвойные;

- почвы: дерново-подзолистые и серые — лесные.

1.2 Административно-хозяйственная структура

Крупные железнодорожные узлы:

Брянск, город, центр Брянской области. Расположен на реке Десне. Крупный узел Московской железной дороги (линии на Москву, Киев, Харьков, Гомель, Смоленск, Орёл и Вязьму). В промышлености ведущую роль играет машиностроение: заводы — машиностроительный (бывший паровозостроительный), автомобильный, дорожных и сельскохозяйственных машин «Строммашина» и др. Главная продукция — дизели, тепловозы, специальные (изометрические и другие) грузовые вагоны, тяжёлые тракторы, бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, асфальтосмесители, узлы и агрегаты для автомашин, оборудование для цементных заводов, дробилки, машины и оборудование для сельского хозяйства и другие. В 70-х годах возникает акционерное общество Брянского рельсопрокатного, железоделательного и механичических заводов.

Злынка, город (с 1925) в Новозыбковском р-не Брянской области. Расположен на западе области. Соединён железнодорожной веткой (8 км) со станцией 3лынка (на линии Гомель — Брянск). Мебельная, консервная, швейная промышленность. Близ 3лынки. в пос. Вышков — крупная спичечная ф-ка.

1.3 Сведения о сближении с железными дорогами и высоковольтными линиями

Линия связи проходит вдоль Московской железной дороги. На участке Брянско. п. Валутино она подвержена влиянию ЛЭП с заземленной нейтралью (U=110 кВ, I₀=1,5 А). Линия связи на участке Брянск-Злынка подвержена влиянию контактной сети электротяги переменного тока (U=24,7 кВ, I_рез.=450 А, m=4).

1.4 Дополнительные сведения об участках

Первый участок линии связи Брянск — о. п. Валутино имеет общую протяженность 245 км. На участке имеется 28 станций. Данные о станциях приведены в таблице 1.1.

Второй участок линии связи Брянск — Злынка имеет общую протяженность 220 км. На участке имеется 23 станций. Данные о станциях приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.1 — Данные о станциях и усилительных пунктах на участке Брянск-о. п. Валутино

Таблица 1.2 — Данные о станциях и усилительных пунктах на участке Брянск-Злынка

кабель цепь трасса связь

2. Выбор кабельной системы, типа кабеля и размещение цепей по четверкам

2.1 Выбор кабельной системы, размещение цепей по четверкам

Выбор емкости кабеля зависит:

от заданного количества каналов магистральной, дорожной и оперативно-технологической (ОТС) связи;

от вида системы уплотнения;

от типа кабельной магистрали.

Необходимо обеспечить 550 каналов магистральной, 200 каналов дорожной и ОТС.

Для обеспечения магистральной, дорожной, диспечерской поездной, энергодиспечерской, постационной, билетной диспечерской, вагонно-распорядительной связей и служебной связи электромехаников будем использовать волоконно — оптический кабель. Для межстанционной, линейно — путевой, перегонной связей, цепи СЦБ и поездной радиосвязи будем использовать симметричный кабель. Составим таблицу распределения цепей по четверкам (таблица 2.1).

Отделенческая связь предназначена для оперативной работы дороги и обеспечивает постоянную телефонную связь со всеми раздельными пунктами и жилыми зданиями линейных работников.

Железнодорожные линии оснащены следующими видами отделенческой связи:

— Поездная диспетчерская связь (ПДС) — служит для переговоров поездного диспетчера со всеми раздельными пунктами, входящими в обслуживаемый участок.

— Энергодиспетчерская связь (ЭДС) — обеспечивает оперативное руководство подачей электроэнергии в контактную сеть.

— Вагонно-распорядительная связь (ВГС) — служит для служебных переговоров работников отделения дороги со станциями по вопросам состояния вагонного парка.

— Служебная связь электромехаников (СЭМ) — оперативное руководство линейными работниками (электромонтеров) в дистанции сигнализации и связи.

— Постанционная связь (ПС) — служит для переговоров работников раздельных пунктов между собой.

— Линейно-путевая связь (ЛПС) — осуществляет оперативное руководство линейными работниками на дистанции пути и переговоров линейных работников между собой.

— Межстанционная связь (МЖС) — обеспечивает переговоры дежурных смежных раздельных пунктов по вопросам движения поездов.

— Перегонная связь (ПГС) — предназначена для переговоров линейных работников, находящихся на перегоне, с дежурным по станции, с энергои поездным диспетчером, а также с дистанцией сигнализации.

— Билетная диспетчерская связь (ДБК) — обеспечивает сведениями билетные кассы о наличии мест в поездах дальнего следования.

Для этого воспользуемся системами мультиплексирования типа SMS — 150V для магистральной и дорожной связи; на ОТС — система ОГМ — 30.

Таблица 2.1 — Распределение цепей

Так как количество каналов равно 750, мы будем применть цифровую систему передачи (ЦСП). ЦСП могут быть использованы для организации каналов магистральной и дорожной связи. В качестве ЦСП возьмем систему мультиплексирования SMS-150V/ Для организации ОТС будем использовать аппаратуру OGM-30.

Преимущество этой системы передачи заключается в том, что оптоволоконный кабель не подвержен внешним электромагнитным влияниям, и в нем не возникают переходные влияния. Все искажения сигнала определяются типом и конструкцией кабеля.

На основании изложенного выбираем оптоволоконную трехкабельную линию связи. Кабель (К1) марки МКПАБ 7×4×1,05+5×2×0,9+1×0,7, кабели (К2) — ОКБ-М8П-10−0,3−8.

2.2 Характеристики цифровой аппаратуры

2.2.1 Основные особенности мультиплексора SMS-150V

SMS-150V является мультиплексором Синхронной Цифровой Иерархии (SDH) второго поколения, разработанным в качестве составной части серии SDH изделий, выпускаемых NEC. В нем используются функции мультиплексора ввода-вывода (ADM) STM-1, что позволяет обеспечить большую универсальность в сетевых приложениях. Конкретные функции SMS-150V определяются выбором вставляемых блоков и их конфигурацией.

В дополнение ко всем SDH сигналам, вплоть до уровня STM-1, SMS-150V также мультиплексирует плезиохронные составляющие сигналы 2M и 34M в синхронный линейный сигнал STM-1.

В SMS-150V используется много новшеств, отражающих последние технологические достижения и разработки в области международных стандартов SDH и сетевых приложений. Оборудование характеризуется следующими характерными особенностями:

Гибкая архитектура изделия допускает взаимозаменяемость блоков составляющих сигналов (т. е. для блоков 2M и 34M могут использоваться одни и те же слоты полок) Добавлена поддержка новых сетевых архитектур, включая линейный режим (местный кроссконнект) Поддержка функции TSI на уровнях VC-12, VC-3

Поддержка максимального соотношения каналов ввода-вывода до 100%

Совместимость с новыми версиями SDH стандартов ITU-T (ранее CCIТT) и ETSI

Работа при смешанных составляющих сигналах Поддержка устройств по эксплуатации, управлению, техобслуживанию и загрузке исходных данных (OAM&P)

Поддержка интерфейса управления F, Q

2.2.2 Режимы работы мультиплексора SMS-150V

SMS-150V может мультиплексировать составляющие сигналы 2 М (2048 Кбит/с) и 34M (34 368 Кбит/с) в синхронный магистральный сигнал STM-1 (155 520 Кбит/с). Кроме мультиплексирования может производиться кроссконнект сигналов на уровнях VC-12 и VC-3.

SMS-150V поддерживает следующие режимы работы, которые иллюстрируются на Рисунке 2−1.

Линейный режим STM-1:

Оконечный режим:

Оконечный мультиплексор обеспечивает мультиплексирование и кроссконнект составляющих сигналов для формирования синхронного магистрального сигнала.

Режим ввода-вывода:

Мультиплексор ввода-вывода позволяет вводить составляющие сигналы в магистральный сигнал или выводить их оттуда.

Режим SNC-P STM-1 (Подсеть с резервированием пути)

SMS-150V поддерживает следующие самовосстанавливающиеся кольцевые архитектуры.

SNC-P:

В 2-волоконном однонаправленном пути переключаемого кольца трафик составляющего сигнала направляется по кольцу в обоих направлениях (по часовой стрелке и против часовой стрелки). Затем принимающий узел сравнивает сигналы и выбирает для приема сигнал с более высоким качеством. Этот режим также называют режимом однонаправленного переключаемого кольца. SNC-P поддерживает кольцевую работу STM-1.

Рисунок 2. 1 — Режимы работы SMS-150V

2M: Интерфейсный блок 2048 Кбит/с, 2 М

34M: Интерфейсный блок 34 368 Кбит/с, 34 М

TSI 1: Блок 1 обмена временными интервалами

STM1e: Электрический интерфейсный блок STM-1

STM1o: Оптический интерфейсный блок STM-1

Примечание: В линейном режиме (оконечном режиме) STM-1е можно использовать как магистральную линию. В режиме SNC-P магистральная линия только для STM-1.

2.2.3 Основные особенности мультиплексора OGM-30

Многофункциональный мультиплексор OGM-30 с возможностью гибкого конфигурирования предназначен для формирования первичных цифровых потоков со скоростью передачи 2048 кбит/с. Первичные цифровые потоки формируются из:

§ аналоговых речевых сигналов и сигналов управления и взаимодействия с батарейной сигнализацией (3-проводная, 4-проводная, 7-проводная) от аналоговых АТС;

§ аналоговых речевых сигналов и сигналов управления и взаимодействия с E&M сигнализацией от аналоговых АТС;

§ аналоговых речевых сигналов и сигналов управления и взаимодействия с шлейфной сигнализацией по двухпроводным соединительным линиям;

§ аналоговых речевых сигналов с управляющей информацией для подключения абонента к АТС;

§ аналоговых речевых сигналов и сигналов взаимодействия с одночастотной сигнализацией в частотном диапазоне телефонного канала от аналоговых АТС;

§ аналоговых речевых сигналов и сигналов взаимодействия с двухчастотной сигнализацией в частотном диапазоне телефонного канала ведомственных сетей (энергетики, нефтяники);

§ цифровых сигналов 1024 кбит/с аппаратуры ИКМ-15 в коде NRZ, HDB3, AMI;

§ двух первичных цифровых потоков 2048 кбит/с, преобразуемых по методу адаптивной дифференциальной ИКМ (АДИКМ);

§ цифровых сигналов сонаправленного стыка 64 кбит/с (рек. G.703 МСЭ-Т);

§ цифровых сигналов, соответствующих рекомендациям МСЭ V.24, V.35, V.36, X.21.

§ конструкция БНК-4, широко применяемая на телефонных сетях РФ и СНГ;

§ конструкция 19″ (еврокаркас);

§ легкий доступ к подводимым кабелям с лицевой стороны;

§ широкая номенклатура интерфейсных плат;

§ возможность организации до 4-х первичных сигналов 2048 кбит/с, соответствующих рекомендациям G.703, G.704 МСЭ-Т;

§ программная переконфигурация и установка параметров;

§ преобразование различных видов линейной и регистровой сигнализации: R2, E&M, R1,5 и частотной сигнализации 1VF;

§ АДИКМ-преобразование двух первичных цифровых потоков 2048 кбит/с;

§ наличие интерфейсов для передачи двух первичных цифровых потоков 2048 кбит/с по технологии HDSL;

§ применение процедуры CRC-4;

§ диагностика с использованием компьютера;

§ совместимость с универсальным сервисным оборудованием УСО-01, УСО-04;

§ мониторинг по протоколу SNMP.

2.2.4 Применение мультиплексора OGM-30

Аппаратура может применяться на сельских, городских, ведомственных, внутризоновых и магистральных сетях связи в качестве:

§ оконечного мультиплексора;

§ мультиплексора ввода/вывода;

§ кроссировочного мультиплексора.

Оконечный мультиплексор

В режиме оконечного мультиплексора OGM-30 обеспечивает мультиплексирование до 30 аналоговых каналов и каналов передачи данных или 31 канал передачи данных. Платы аналоговых канальных интерфейсов обеспечивают подключение абонентских телефонных аппаратов, телефонных каналов связи между АТС с различными типами линейной сигнализации. Скорость передачи данных от 0,6 кбит/с до nх64 кбит/с. Вариант включения OGM-30 показан на рис. Применение OGM-30 для организации соединительных линий между аналоговой АТС и цифровой АТС с преобразованием сигнализации.

Рисунок 2. 3 — Режим оконечного мультиплексирования

Мультиплексор ввода/вывода В режиме работы мультиплексора ввода/вывода OGM-30 использует до 4 портов первичных цифровых потоков 2048 кбит/с. Мультиплексор имеет возможность ввести и вывести любые телефонные каналы в общем количестве до 30 с соответствующими сигнальными каналами или каналы передачи данных до 31 из любого первичного сигнала 2048 кбит/с. Присвоение номеров временным интервалам и назначение направления передачи осуществляется программным способом.

Рисунок 2. 4 — Режим вводы — вывода Кроссировочный мультиплексор Аппаратура OGM-30 осуществляет функции кроссировки каналов 64 кбит/с в пределах четырех первичных цифровых потоков 2048 кбит/с. Одновременно возможно кроссирование сигнальных каналов. Конфигурация кроссирования производится на программном уровне.

Рисунок 2.5 — Кроссировочный режим

3. Размещение оконечных и промежуточных усилительных и регенерационных пунктов на трассе линии связи

3.1 Размещение регенерационных пунктов

Для восстановления формы, амплитуды и временных положений импульсов линейного сигнала используется регенератор. Регенераторы устанавливаются через определенные расстояния на ВОЛС, и в зависимости от пункта расположения подразделяются на необслуживаемые регенерационные пункты (НРП), обслуживаемые регенерационные пункты (ОРП) и станционные регенераторы, размещаемые на оконечных станциях.

Расстояние между НРП зависит от типа и конструкции кабеля, а также от типа передающей системы. Так как предполагается использование оптических кабелей, то необходимо рассчитать расстояние между НРП. Из /1/ получаем:

Для системы SMS — 150V и кабеля ОКБ-М8П-10−0,3−8:

F_доп=8,5 Мбит/с — требуемая пропускная способ-ность;

=0,3 дБ/км — коэффициент затухания;

=0,8 нс/км — дисперсия;

а=43 дБ — энергетический потенциал;

_ст=0,1 дБ/км — коэффициент затухания на стыке;

m=11 — число некачественных стыков.

Исходя из энергетического потенциала аппаратуры и коэффициента затухания кабеля, определяем допусти-мую длину регенерационного участка:

.

Из (1) получаем: l_р.у.=30,7 км.

Исходя из пропускной способности и дисперсии, определяем величину регенерационного участка по сле-дующей формуле:

Из (2) получаем: l_р.у.=25 км

Чтобы удовлетворить обоим требованиям, выби-раем длину регенерационного участка не более 25 км.

3.1 Выбор трассы прокладки кабельной линии и устройство ее переходов через преграды

Трасса кабельной магистрали выбирается по наиболее короткому пути с учетом выполнения минимального объема земляных работ с той стороны железнодорожного полотна, на которой размещено преобладающее число перегонных и станционных объектов связи.

На перегонах и в пределах небольших станций трасса кабельной магистрали прокладывается в пределах полосы отвода железной дороги, ширина которой составляет по 60 м в обе стороны от головки рельса.

Линия электропередачи (ЛЭП) и трасса кабельной линии располагаются по разным сторонам железной дороги.

НУП размещаются на промежуточных станциях и, как исключение, на перегонах, при этом с целью удобств эксплуатации и снижения затрат на строительство НУП и НРП стремятся, поставить в одних и тех же пунктах.

Для пересечения кабельной магистралью железнодорожных путей предпочтение отдается местам с одинаковыми высотными отметками или небольшим насыпям, у которых ширина подошвы не превышает 35 м. В этом случае переходы могут быть выполнены методом горизонтального бурения. В просверленные под основанием насыпи отверстия вставляются асбоцементные трубы, через которые протягивают кабели.

Схематический план трассы кабельной линии для исследуемого участка магистрали приведен на чертеже.

4. Монтаж кабельной магистрали

Основным документом для монтажа магистрального кабеля является скелетная схема кабеля. Схема показывается на одном определенном участке. В данном случае взят участок Линовская — Рославль I. На монтажной схеме указывают:

1). Кабели ответвлений; служат для соединения устройств автоматики, телемеханики и связи (АТ и С) на перегонах и станциях с магистралью.

2). Устройства на ответвлениях:

- релейные шкафы (РШ); ставятся на магистрали через 1,5…2 км. Управляют светофором. В РШ заводятся цепи АТ и ПГС;

- усилительные пункты (УП); бывают обслуживаемые (ОУП) и необслуживаемые (НУП). В УП находятся специальные устройства содержания кабеля под давлением (УСКД). Для того чтобы подавать воздух существует редукционный и обратный клапан;

— пост электрической централизации (ЭЦ); располагают на крупных станциях. На него поступает связь электромехаников;

- тяговые подстанции (ТП); располагают на крупных станциях через 40…60 км;

- пост секционирования канальных цепей (ПСКЦ); ставится на перегоне;

- пассажирское здание (ПЗ). В него заводится несколько цепей, дежурный по станции (ШН);

- помещение для путейцев (П); ставится на перегоне.

4.1 Соединение строительных длин кабеля

Строительной длиной является длина кабеля намотанного на барабан — 825±25 м. Для соединения отдельных строительных длин кабелей, имеющих свинцовую или алюминиевую оболочку, в местах ответвлений и для оконечной заделки применяют свинцовые муфты прямые (соединительные), разветвительные и оконечные. Симметрирующими и конденсаторными муфтами могут быть как прямые, так и разветвительные муфты в зависимости от их расположения на магистрали. Прямые (соединительные) и симметрирующие муфты обозначают МС — муфта свинцовая (прямая). Размеры муфт зависят от диаметра сращиваемого кабеля. В прямых муфтах соединение жил строительных длин осуществляют напрямую (цвет в цвет). Все прямые (соединительные) муфты на магистральном кабеле являются симметрирующими, так как в них жилы строительных длин соединяют по заранее выбранному оператору скрещивания. Для монтажа магистрального кабеля следует применять прямые муфты типов МСП — 7 (муфта свинцовая прямая для магистрального кабеля емкостью 7×4), состоящие из свинцового цилиндра и свинцовых конусов.

Разветвительные муфты применяются двух типов: тройниковые и разветвительные (перчатки). Первые используют для ответвлений от магистрального кабеля, вторые — для распайки в помещениях кабеля большей емкости на несколько кабелей меньшей емкости. Муфты тройникового типа с продольным швом обозначают МСТ — муфта свинцовая тройниковая. Разветвительные муфты, устанавливаемые на стыке строительных длин, называются врезными: их монтируют в том случае когда место ответвления удалено более чем на 100 м от ближайшего стыка строительных длин магистрального кабеля. От механических повреждений прямые и разветвительные муфты защищают чугунными соединительными муфтами.

4.2 Содержание кабеля под избыточным газовым давлением

Содержание кабелей связи под постоянным, избыточным газовым (воздушным) давлением позволяет не только контролировать герметичность оболочки, но и предотвращать проникновение влаги в кабель при ее незначительных повреждениях. Для избыточного давления в кабель постоянно подается осушенный воздух. Такое мероприятие является эффективным способом предупреждений повреждения кабелей с перерывами связи.

Непременное условие для постоянного содержания кабеля под давлением — предварительная герметизация оболочки на всем протяжении кабеля, а также на вводах в усилительные и оконечные пункты.

Герметизированный участок магистрального кабеля образует газовую секцию. Постоянное, избыточное давление в кабеле поддерживается оборудованием для автоматической подкачки воздуха.

До настоящего времени для содержания магистральных кабелей под постоянным, избыточным газовым давлением используется аппаратура типа АКОУ — автоматическая контроль — осушительная установка, предназначенная для обслуживания 4 кабелей.

Более совершенным типом аппаратуры для содержания кабеля под постоянным газовым давлением является аппаратура УСКД-1. Эта аппаратура позволяет осуществлять контроль избыточного давления газа, подаваемого в кабели, и в баллоне со сжатым газом, подавать сигналы о появлении негерметичности в кабелях и о снижении давления в баллоне до 30 кгс/см², содержать под давлением до 4 кабелей4.3 Прокладка кабелей на пересечении с железной дорогой

4.3 Прокладка кабелей на пересечении с железной дорогой

Проходя через магистральные железные дороги, как правило, выполняются способом горизонтального бурения. Через железные дороги местного значения переходы могут выполнятся открытым способом. Во всех случаях предварительно требуется получить дистанции службы пути железной дороги. Работы должны вестись в присутствии ответственного представителя этой организации с соблюдением всех норм по обеспечению движения поездов. На пересечении с электрифицированными железными дорогами кабель закладывают в асбестоцементные трубы, покрытые битумной массой. Трубы выводят по обе стороны от насыпи на расстоянии не менее 1 м, а от кюветов — не менее 2 м. При количестве труб до 3 прокладывают одну резервную трубу, от 3 до 8 — две резервные трубы. Концы резервных труб закрывают деревянной пробкой с уплотнением и заливают битумом. По требованию управления дороги переходы магистрального кабеля через железные дороги осуществляют методом горизонтального бурения. Этот способ требует разработки рабочих котлованов с обеих сторон проходки. Устройство скрытой (под насыпью) горизонтальной проходки осуществляется с помощью машины БГ — 3 или пневнопробойной П -4601. После бурения и соответствующего расширения отверстия, в него затягивают асбестоцементную трубу, а в трубу — кабель.

5. Электрический расчет симметричного кабеля

Электрические свойства кабелей связи полностью характеризуются параметрами передачи и параметрами влияния. Параметры передачи оценивают процессы распространения электромагнитной энергии вдоль кабельной цепи. Параметры влияния характеризуют явления перехода энергии с одной цепи на другую и степень защищенности от взаимных и внешних помех.

5.1 Параметры передачи

Расчёт параметров передачи симметричного кабеля будем производить при частоте f = 13 000 Гц.

Активное сопротивление Rэто сопротивление, которое испытывает переменный ток, проходя по цепи, и характеризует потери энергии в металлических частях кабеля на вихревые токи.

; (5.1)

где ч — коэффициент укрутки, ч = 1,01

R₀-сопртивление постоянному току:

; (5.2)

;

где d — диаметр провода, мм, d = 1,2;

— удельное сопротивление, Ом м²/м.

F (x) = 0;

где х — величина для медных цепей определяется по формуле:

(5.3)

.

Индуктивность цепи L состоит из наружной межпроводниковой индуктивности L_н и внутренней индуктивности каждого проводника L_в.

L =; (5.4)

где ч — коэффициент укрутки, = 1,01;

а — расстояние между центрами проводов, мм, а = 2,15;

d — диаметр провода, мм, d = 1,2;

х — величина для медных цепей;

Q (x) = 1,0.

Подставим известные значения в выражение (5.4):

L = = 0,484,

Ёмкость кабеля C — аналогична ёмкости конденсатора. В кабеле роль обкладок играют поверхности проводов, а диэлектриком служит лежащий между ними изоляционный материал. Ёмкость кабельной цепи равна:

С =; (5.5)

где х — коэффициент укрутки, х = 1,01;

— эквивалентная диэлектрическая проницаемость комбинированной изоляции, = 1,9;

а — расстояние между центрами проводов, мм, а = 2,15;

d — диаметр проводов, мм, d = 1,2;

— поправочный коэффициент, характеризующий близость проводов к заземлённой оболочке и другим проводам, = 0,588.

Подставим известные значения в выражение (5.5):

С = = 71,526 .

Проводимость изоляции G — это электрический параметр, характеризующий качество изоляции проводов кабеля. Как активное сопротивление характеризует потери в металлических частях кабеля, так параметр G характеризует потери энергии в изоляции проводов кабеля.

Проводимость изоляции обусловлена сопротивлением изоляции изолирующего материала и диэлектрическими потерями в кабеле и определяется по следующей формуле:

G = G₀ + G_f, (5.6)

где G₀ = - проводимость изоляции постоянному току, ;

G_f = - проводимость изоляции, обусловленная диэлектрическими потерями при переменном токе, .

В кабелях связи величина G₀ существенно меньше G_f, и поэтому можно принять:

G = G_f =, (5.7)

где = 2f = 2 3,14 13 000 = 81 680с ^-1;

С — ёмкость кабеля, С = 71,516 нФ/км;

tg — тангенс угла диэлектрических потерь комбинированной изоляции,

tg = 310^-4.

Подставим полученные значения в выражения (5.7):

G = 81 680 71,516 10^-9 3 10^-4 =1,752,

Волновое сопротивление Z_В — это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной цепи без отражения.

Это сопротивление свойственно данному типу кабеля и зависит лишь от первичных параметров и частоты передаваемого. Волновое сопротивление определяется по формуле:

Z_B = = Ом; (5.8)

Подставим в выражение (5.8) полученные значения R, L, C, G:

Z_B = = 94,738 e^{-j 20,52} Ом.

Коэффициент затухания, коэффициент фазы и коэффициент распространения. Электромагнитная волна, распространяясь вдоль цепи, уменьшается по интенсивности и изменяется по фазе. Уменьшение энергии по длине цепи в 1 км учитывается через коэффициент затухания, изменение фазы напряжения и фазы тока на каждом километре цепи — через коэффициент фазы.

Коэффициент затухания и коэффициент фазы в общем виде определяются по формуле расчёта коэффициента распространения:

(5.9)

Подставим известные значения в выражение (5.9):

=

= 0,553е^{j 69,462} = 0,194 + j0,518

где = 0,194, = 0,518

5.2 Расчет переходных влияний между цепями кабельной линии связи

Так как пары и четверки кабелей находятся близко друг к другу, то между ними возникают значительные электромагнитные поля и, как следствие, взаимные электромагнитные влияния.

По четверкам и парам кабеля работают высокочастотные системы передачи. Чем выше частота, тем больше наводятся токи и ЭДС влияния в соседних цепях.

Рассчитаем переходные затухания на ближнем и дальнем конце кабеля.

Электрическая связь:

Магнитная связь:

Электромагнитная связь на ближнем конце:

Электромагнитная связь на дальнем конце:

Переходное затухание строительной длины кабеля на ближнем конце:

(5.14)

Защищенность на дальнем конце строительной длины кабеля:

(5.15)

Переходное затухание на дальнем конце строительной длины кабеля:

(5.16)

Число строительных длин кабеля на усилительном участке (УУ):

где — длина УУ; s — строительная длина.

Переходное затухание на ближнем конце УУ:

(5.17)

Защищенность на дальнем конце УУ:

(5.18)

Переходное затухание на дальнем конце усилительного участка:

(5.19)

Выбираем усилительный участок максимально возможной длины для ВЧ сигнала (так как наибольшее электромагнитное влияние происходит на высоких частотах):

=12 км; s=0,800 км; n15.

Используя:

(5.20)

и данные из задания к курсовому проекту:

Параметры передачи и влияния для кабеля МКПАБ при f = 13 кГц Проводим расчет переходных влияний на частотах 50 кГц, 150 кГц и 250 кГц. Результаты расчетов заносим в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 — Результаты расчета переходных влияний для кабеля МКПАБ

На рисунке 5.1 представлен график затухания УУ.

Полученные значения сравниваем с нормами:

А₀=60,8 дБ;

А_З=73,8 дБ;

А=73,8+а=104,2 дБ.

Наблюдается превышение норм, поэтому необходимы мероприятия по защите от взаимных влияний.

Рисунок 5. 1 — График затухания УУ

6. Мероприятия защиты от взаимных влияний

Кабельные цепи в строительных длинах одного и того же типа кабеля всегда имеют различные электрические характеристики (в пределах допустимых техническими условиями) и от того, как они будут соединены, зависит защищенность их от взаимных влияний и влияний внешних источников. Поэтому при выполнении монтажных работ с симметричными кабелями проводят симметрированный комплекс мероприятий, направленных на уменьшение влияний. В этот комплекс входят методы взаимной компенсации влияний отдельных участков линии (метод скрещивания цепей) и метод ослабления влияния с помощью контуров из последовательно соединенных резисторов с активным сопротивлением и конденсаторов (контуров противосвязи).

Симметрирование ВЧ кабелей производится по результатам измерений годографа (частотной зависимости) комплексной электромагнитной связи взаимодействующих цепей. Эта связь может иметь произвольную величину и фазу в пределах от 0 до 360^о и вектор связи может находиться в любом из четырех квадрантов.

Кабельные цепи в строительных длинах одного и того же типа кабеля всегда имеют различные электрические характеристики (в пределах допустимых техническими условиями) и от того, как они будут соединены, зависит защищенность их от взаимных влияний и влияний внешних источников. Поэтому при выполнении монтажных работ с симметричными кабелями проводят симметрированный комплекс мероприятий, направленных на уменьшение влияний. В этот комплекс входят методы взаимной компенсации влияний отдельных участков линии (метод скрещивания цепей) и метод ослабления влияния с помощью контуров из последовательно соединенных резисторов с активным сопротивлением и конденсаторов (контуров противосвязи).

Симметрирование ВЧ кабелей производится по результатам измерений годографа (частотной зависимости) комплексной электромагнитной связи взаимодействующих цепей. Эта связь может иметь произвольную величину и фазу в пределах от 0 до 360^о и вектор связи может находиться в любом из четырех квадрантов.

Контур противосвязи рассчитываем на максимальной частоте (f=250 кГц), вектор связи на данной частоте показан на рисунке 6.1 (волновое сопротивление Z_в=166,2е^-j1,52 Ом).

F₁₂ = g_к + jс_к=А+jВ.

F₁₂ = -1,17 410^-4+i3,87 610^-5.

В данном случае вектор электромагнитной связи на дальнем имеет отрицательное значение и лежит во втором октанте. Контур противосвязи включается между 1 и 3 или 2 и 4 жилами (см. альбом чертежей).

R_к=1/А; C_к=В/; R_к = 8,517 кОм; С_к=2,468 пФ.

7. Расчет влияний контактной сети и высоковольтных линий передачи на кабельные линии

7.1 Расчет влияний контактной сети электротяги переменного тока на участке Брянск — о. п. Валутино в вынужденном режиме

Контактные сети электрических железных дорог переменного тока оказывают значительно большие опасные и мешающие влияния на цепи связи. Опасные влияния обусловлены рабочими токами частотой f=50 Гц, а мешающие — наличием дополнительных гармоник при работе выпрямителей электровозов, искрением пантографов. Различают три режима работы контактной сети:

а) нормальный, если тяговые токи поступают в контактную сеть от всех подстанций участка;

б) вынужденный, когда одна из тяговых подстанций временно отключена, и ее нагрузку воспринимают смежные с ней подстанции;

в) режим короткого замыкания — аварийный режим, в этом случае контактный провод замыкается на рельсы или землю. Величины токов короткого замыкания зависят от места короткого замыкания и расстояния между подстанциями, а также параметров тяговых трансформаторов, контактной сети и питающей ЛЭП.

Тяговые подстанции (ТП) расположены на станциях Жуковка, Пригорье, Стодолыще.

Так как согласно заданию контактная сеть может находиться в режиме в нормальном и вынужденном режиме, то влияния, которые она оказывает называются опас-ными. Для снижения влияний можно использовать кабель марки МКПАБ. Составляем схему сближения при коротком замыкании на участке «Линовская — Рославль I».

Для вынужденного режима опасное напряжение в цепях связи рассчитываем по формуле /2/:

; (7.1)

; (7.2)

; (7.3)

(7.4)

где к_ф — коэффициент формы кривой влияющего тока тяговой сети. При расчете влияний на кабельные жилы к_ф = 1, частота, М₅₀ — модуль взаимной индуктивности между двумя однопроводными цепями на частоте 50 Гц,

I_э — эквивалентный влияющий ток, равный;

S_к -коэффициент экранирующего действия оболочки кабеля, равный 0,13;

S_р — коэффициент экранирующего действия рельсов, равный 0,4;

l_к — расстояние от места расположения тяговой подстанции до конца участка, подведженного влиянию;

l₀ — длина участка;

l_т — длина плеча питания тяговой сети;

l_н — расстояние от места расположения тяговой подстанции до начала участка, подведженного влиянию;

I_рез — результирующий нагрузочный ток, равный 460 А;

к_m — коэффициент, характеризующий уменьшение эквивалентного тока по сравнению с нагрузочным током, равный 5,

m — количество поездов, находящихся в пределах плеча питания тяговой сети,

а — расстояние между кабелем и контактной сетью;

а = 25 м;

— проводимость земли;

у = 1,5?10^-3 См/м;

Из (7.4) получаем

Г/км;

l_н = 14 км; l_к = 26 км; l_т = 110 км; l₀ = 12 км Из (7.3) получаем:

к_m = ;

Из (7.2):

I_рас = 433,78 А.

Из (7.1):

U₂ = 80,419 В.

Полученное напряжение значительно превышает норму (U_н=36 В).

7.2 Расчет мешающего влияния шумов

Контактная сеть также создает мешающие влияния. Величина напряжения шума в двухпроводных телефонных цепях может быть вычислена по определяющей гармонике 350 Гц по формуле, мВ:

(7.5)

где I_k — влияющий ток, равный, согласно заданию, 36,8 А;

p₃₅₀ — коэффициент акустического воздействия, равный 0,376 на частоте 350 Гц;

з₃₅₀ — коэффициент чувствительности, равный 0,31•10-³;

щ₃₅₀ — круговая частота для влияющего тока, с-¹;

S = 0,052.

Напряжение шума равно:

мВ.

7.3 Расчет влияния ЛЭП

Напряжения и токи, возникающие в цепях линии связи от влияния различных источников, в отличии от полезных токов и напряжений, несущих информацию, называются посторонними. На кабельные сети большее влияние оказывают линии электропередачи (ЛЭП), контактные сети электрифицированных железных дорог постоянного и переменного токов. Эти влияния могут быть опасными, мешающими или одновременно опасными и мешающими.

Опасные — это токи влияния, при которых токи и напряжения, возникающие в цепях линии связи, могут создавать опасность для жизни обслуживающего персонала, повреждения аппаратуры и приборов, включенных в линию связи, ложные сигналы железнодорожной станции и т. д.

Мешающие — это такие величины, при которых в каналах связи появляются помехи, нарушающие информационную работу устройств связи и автоматики.

Высоковольтные линии и электрифицированные железные дороги могут оказывать влияния на цепи линий связи за счет электромагнитной индукции, гальванической связи и при случайном соприкосновении проводов.

а₁=20м а_э12=

а₂=8?tg45+20=28м а_э23=31,7

а₃=36м а_э34=39,7

a₄=44м а_э45=47,8

а₅=52м а_э56=55,8

а₆=60м а_э67=63,8

а₇=68м а_э78=71,8

а₈=76м а_э89=79,8

а₉=84м а_э910=87,9

а₁₀=92м а₉₁₀=95,9

а₁₁=100м По номограмме определим коэффициент взаимоиндукции между однопроводными цепями ВЛ и линии связи при частоте 50 гц.

М₁=930мкГн/км М₂=880мкГн/км М₃=820мкГн/км М₄=810мкГн/км М₅=780мкГн/км М₆=760мкГн/км М₇=740мкГн/км М₈=720мкГн/км М₉=700мкГн/км М₁₀=680мкГн/км Опасное напряжение определяется по формуле :

(7.6)

где Si — коэффициент экранирующего действия для кабельной линии связи

Sоб — коэффициент экранирующего действия оболочки;

Sр — коэффициент экранирующего действия рельсов;

Iкз — ток короткого замыкания;

lэi — длина отдельного участка сближения равный 8;

N — количество участков сближения;

Mi — коэффициент взаимной индукции для i-го участка сближения.

Произведем расчет величины опасного напряжения на токе I_кзн=5,4 кА:

На токе I_кзк=2,0кА

(7.7)

8. Расчёт параметров оптического волокна

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) — это вид системы передачи, при котором информация передаётся по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием «оптическое волокно». Волоконно-оптическая сеть — это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи.

Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю: широкая полоса пропускания, малое затухание светового сигнала в волокне, низкий уровень шумов в кабеле, высокая помехозащищённость, малый вес и объём, высокая защищённость от несанкционированного доступа, гальваническая развязка элементов сети, взрыво — и пожаробезопасность, экономичность ВОК, длительный срок эксплуатации, удалённое электропитание. Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации волоконно-оптические системы имеют также недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надёжности лазерных источников излучения: стоимость интерфейсного оборудования, монтаж и обслуживание оптических линий, требование специальной защиты волокна.

Согласно заданию показатели преломления n₁=1,565, n₂=1,525;

Числовая апертура;

(8.1)

Число мод определяет способность световода «принимать» свет. Для расчета числа мод необходимо рассчитать нормированную частоту.

(8.2)

где r — радиус сердечника одномодового световода, мкм; r = 10;

л — длина волны, мкм; л = 1,550;

NA — числовая апертура.

V = = 17,098

Общее число передаваемых мод в световоде может быть определено по формуле:

(8.3)

С помощью выражения (8.3) определим значение общего числа мод:

N = = 6,018

Затухания поглощения (б_П) связанное с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой и существенно зависит от свойства материала световода (tgд).

Расчет затухания поглощения производится по формуле:

;, (8.4)

где — показатель преломления сердечника, равный для одномодового световода — 1,46; л — длина волны, мкм;

tgд — тангенс угла диэлектрических потерь в световоде, равный 10^-10.

= 2,958· 10^-4.

Потери на рассеяние, возникающие в результате флуктуаций показателя преломления, называются рэлеевскими и определяется по формуле, дБ/км:

; (8.5)

где К_Р — коэфициент рассеяния, равный 1 — 1,5 (дБ/км)мкм⁴ для кварца; л — длина волны, мкм.

= 0,26

Затухания в инфракрасной области, расположенной в диапазоне длин волн свыше 1,6 мкм, определяется по формуле, дБ/км:

; (8.6)

где р и k — коэфициенты, равные соответственно 1,2: (0,5 — 0,8)10^-6 ;

л — длина волны, мкм.

= 1,657.

9. Защита кабеля и аппаратуры связи от опасных и мешающих влияний

Редукционные трансформаторы (РТ) являются эффективным средством защиты от влияний высоковольтных линий. Первичная I и вторичная II обмотки РТ имеют одинаковое число витков и намотаны на замкнутый железный сердечник. Первичная обмотка включается в разрез металлического покрова (оболочку, броню, экран) защищаемого кабеля 1−1, а вторичная — в разрез жил кабеля 2−2 (рис. 8.1.) Первичная обмотка РТ обычно выполняется из медного изолированного проводника, поперечное сечение которого не меньше общего эквивалентного поперечного сечения металлического покрова кабеля. Вторичная обмотка представляет собой пучок изолированных друг от друга жил, по конструкции одинаковых с жилами защищаемого кабеля.

РТ увеличивает магнитную связь между металлопокровами кабеля и сердечником и вызывает появление дополнительной E₂^рт и компенсирующего тока I₂.

Рисунок 9.1 — Схема включения РТ.

РТ не оказывает заметного увеличения собственного затухания сигнала, так как используется сам кабель. РТ используется для защиты ВЧ каналов. РТ включается на длине усилительного участка в количестве до трёх штук.

Марка РТ — ОСГРГ — однофазный, сухой, герметизированный, редукционный.

РТ повышает экранирующее действие металлических покровов кабеля. При наличии других (третьих) цепей, например, рельсовой цепи, экранирующее действие которой повышается за счёт применения ОТ.

Экранирующий эффект (S) РТ зависит от их числа: при одном РТ S=0,3;, при двух — 0,2; при трех — 0,15. Без РТ величина S составляет 0,8…0,9.

Отсюда следует, что наличие одного РТ дает снижение помех в 3 раза, а при трех РТ помехи снижаются в 6 раз. Дальнейшее увеличение РТ не дает существенной выгоды.

Рисунок 9.2 — Схема включения отсасывающего трансформатора (ОТ).

ОТ включается между влияющим проводом и рельсовой цепью. Принцип действия ОТ — он улучшает экранирующее действие рельсовой цепи за счёт увеличения магнитной связи между контактным проводом и рельсовой цепью.

Схемы защиты аппаратуры связи и автоматики от перенапряжений Разработка схем защиты зависит от следующих факторов:

Элементная база аппаратуры (реле, полупроводники,)

Вид передаваемой информации — аналоговая, цифровая, уплотнённые (неуплотнённые) цепи.

Разновидность линейного сооружения — воздушные линии, симметричный кабель, высокочастотный кабель, коаксиальная линия, волновод.

Схема защиты состоит из совокупности разрядников, плавких вставок (предохранитель), нелинейных сопротивлений, полупроводниковых элементов и заземлителей.

Рассмотрим пример схем защиты и принцип действия.

Схема защиты состоит из разрядника Р-35, сопротивления заземления, плавких вставок и линейного трансформатора.

Работа схемы: в связи с различным временем срабатывания Р-35 разрядных промежутков Р₁ и Р₂ вначале пробивается (срабатывает) один из них, например Р₁. Через Р₁ будет проходить ток, затем сработает Р₂.

Недостаток этой схемы-не одновременность срабатывания Р₁ Р₂ приводит к появлению опасных волн перенапряжения в двухпроводных цепях, которые трансформируются линейным трансформатором и поступают на вход аппаратуры. Эти волны будут вызывать импульсы перенапряжений. Для устранения этого недостатка применяют дренажные и запирающие катушки.

Дренажная катушка — устраняет не одновременность срабатывания Запирающая катушка — препятствует проникновению в двухпроводную цепь мешающих напряжений.

Недостатки этой схемы:

используется дренажная и запирающая катушки для защиты высокочастотной аппаратуры приводит к изменению ёмкостной и индуктивной составляющих нагрузок кабельной линии, особенно на ВЧ;

применение одного газонаполненного разрядника Р35 приводит к значительному времени запаздывания срабатывания разрядника, а это сказывается при использовании в схемных решениях автоматики и связи полупроводников и, особенно, микросхем.

Из-за этих недостатков приведённая схема используется для аппаратуры, работающей в тональном диапазоне частот.

При использовании ВЧ аппаратуры автоматики и связи в состав схем защиты должны входить полупроводниковые элементы:

диодные ограничители, стабилитроны, динисторы, варисторы.

Эти элементы имеют нелинейную ВАХ и повышенное быстродействие. В качестве примера приведём схему защиты усилителя ВЧ связи с помощью динистора (т.н. динисторная защита).

Данный фрагмент схемы защиты аппаратуры позволяет обеспечить защиту ВЧ усилителя от импульсных напряжений, возникающих в двухпроводных кабельных цепях за счёт наличия газонаполненного разрядника Р-4 и встречно-параллельного включения динисторов КН102А.

Защита от положительных и отрицательных волн перенапряжений.

Любая схема защиты должна иметь каскад, который бы защищал элементы аппаратуры от перенапряжений относительно земли.

Для этой цели используют вывод от средней точки линейного трансформатора служебной связи.

Разрядник Р-34, включается между средней точкой линейного трансформатора служебной связи и землёй. Данный разрядник одновременно защищает двухпроводную цепь, в которую включены ВЧ усилитель и аппаратуру служебной связи от перенапряжений.

В этой схеме имеются три каскада защиты:

Самый грубый: на разрядниках Р-34, для которого U_сраб=1 500 100 В; срабатывает относительно корпуса или заземлителя. Все потенциалы обнуляются при срабатывании, все опасные токи стекают в заземлитель.

Выполнен на разряднике Р-4, Uсраб=10 020 В. Разрядник устраняет перенапряжение между проводами («провод-провод»).

Чувствительный и быстродействующий — снижает перенапряжения до десятков вольт, в зависимости от типа используемых динисторов.

Такая схема может быть использована и применяется в эксплуатации в настоящее время для ограничения перенапряжений, возникающих в кабельных линиях при использовании аппаратуры ВЧ связи.

Недостаток схемы — ограниченная пропускная способность динисторов по току.

Сейчас ведутся разработки по замене динисторов на варисторы.

9.2 Грозозащитные тросы

Необходимость защиты подземного кабеля определяют расчётом по ожидаемому количеству повреждений от ударов молнии на 100 км. трассы. Ожидаемое количество повреждений может быть определено в зависимости от числа грозовых дней в году для каждой местности.

Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его залегания, но не менее 0,4 м. Расстояние между тросами 0,4 — 1,2 м. Тросы по всей длине через определённые интервалы должны иметь заземления. Количество защитных проводов или тросов определяют расчётным путём. Схема приведена в альбоме чертежей.

Схемы защиты приведены в альбоме чертежей.

Заключение

Результатом выполнения курсового проекта является спроектированная кабельная и волоконнооптическая линия АТ и С на участках Череповец — Вологда и Вологда — Коноша, а также, изучение вопросов, связанных с конструкцией кабельных линий, расчетами и мероприятиями по уменьшению влияний высоковольтных линий на цепи связи и т. д.