Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке Восточно–Сибирской железной дороги Иркутск–Слюдянка

курсовой проект по дисциплине: Линии железнодорожной автоматики, телемеханики и связи Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке восточно-сибирской железной дороги иркутск-слюдянка Омск 2009

Введение

Железнодорожная сеть страны представляет собой единую, работающую по общему плану систему, все части которой взаимодействуют друг с другом.

В настоящее время железнодорожный транспорт располагает большим количеством линий связи, обеспечивающих оперативное управление перевозками и действие различных устройств АТС. Вся система связи делится на магистральную, дорожную, отделенческую и местную. Развитие техники связи идёт по пути создания таких телефонных каналов, которые удовлетворяли бы высоким требованиям качества (минимум искажение и помеха) и вместе с тем были бы универсальными. Они должны быть пригодными к использованию не только телефонных переговоров, но и для передачи телеграмм, данных для вычислительных центров и т. д.

Развитие техники современных кабелей дальней связи проходит в направлении расширения диапазона передаваемых частот, и соответственно увеличения каналов связи и максимальной автоматизации кабельных магистралей.

1. Описание проектируемого участка линии связи Трасса проектируемой кабельной линии связи (приложение 1) находится на территории Иркутской области и входит в состав Восточно-Сибирской железной дороги. Участок Иркутск-Слюдянка представлен на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 — Участок Иркутск — Слюдянка Иркутская область занимает юго-восточную часть Среднесибирского плоскогорья, окаймлённую Восточным Саяном и хребтами Прибайкалья. На северо-востоке области расположены Северо-Байкальское и Патомское нагорья со средней высотой около 1000 метров. Иркутская область отличается повышенной сейсмичностью.

Плоскогорье рассечено глубоко врезанными речными долинами. На протяжении всего участка линия не пересекает крупных рек. Рельеф местности преимущественно горный; равнинных участков мало, и все они расположены на высоте около 500−700 м. Побережье Байкала самое низкое место, расположено на высоте 455 метров над уровнем моря. Котловина Байкала расположена в центре Азии с суровым резкоконтинентальным климатом. Огромная масса озера оказывает смягчающее влияние на климат побережья. Сезонные и суточные колебания температуры и влажности воздуха несколько сглажены. Средняя температура воздуха января — февраля около -19 градусов; августа около 11 градусов. Район озера Байкал характеризуется сложной системой ветров. Преобладают западные и северо-западные ветры с берега на озеро. Осенью и в начале зимы достигают скорости урагана 30- 40 м/с. Среднегодовое количество осадков 300−500 мм в год. Главная часть осадков выпадает во второй половине лета и осени.

Наиболее распространены почвы подзолистого типа, а также разновидности каштановых и чернозёмных почв. Широко распространены многолетнемёрзлые горные породы. Почти на протяжении всего пути железная дорога проходит по лесам с таёжной растительностью. Леса преимущественно сосновые с зарослями сухолюбивых кустарников. Лиственные леса (берёза, осина, тополь, ольха и др.) представлены небольшими рощами на пойменных террасах рек и на вырубках и гарях.

Инфраструктура развита в основном вокруг крупных населённых пунктов. Основные виды промышленности деревообрабатывающая, целлюлозно-бумажная, горнодобывающая, рыболовецкие артели, сельское хозяйство. Средняя плотность населения 2.3 человека на 1 кв. км.

Таблица 1.1 — Название станций и расположение их по трассе.

2. Выбор типов кабеля, связевой аппаратуры, размещение цепей по четверкам

2.1 Выбор связевой аппаратуры Согласно заданию на курсовое проектирование, нам необходимо обеспечить 330 каналов магистральной связи, 105 каналов дорожной связи и все виды оперативно технологической связи (ОТС). При определении требуемого числа систем передачи необходимо руководствоваться следующими принципами:

— кабель должен использоваться наиболее эффективно, резерв жил в кабеле должен составлять примерно 10% - 15% (практически, это означает, что одна из четвёрок кабеля должна быть резервной);

— резерв по каналам связи должен составлять от 10−25%.

Определим необходимое число систем передачи данных для обеспечения работы магистральной связи. Используем аппаратуру типа 3 ИКМ-120 для организации магистральной связи и ИКМ-120 для организации дорожной связи.

При организации ОТС необходимо учесть, что некоторые виды связи, такие как перегонная и межстанционная не подлежат частотному или временному уплотнению и могут быть реализованы только по физическим цепям (обусловлено устройством оконечных абонентских аппаратов, назначением, соображениями безопасности и надёжности).

2.2 Выбор типа и количества кабелей Кабельная магистраль может быть организована по одно-, двух-, или трех кабельной системе. При одно-кабельной системе все виды связи и цепи СЦБ организуются по одному кабелю. Одно-кабельная система наиболее дешёвая, однако, обладает ограниченной дальностью передачи (до 1500 км) и допускает относительно небольшое развитие числа телефонных каналов. Поэтому эта система рекомендуется для организации дорожной и отделенческой связи лишь на второстепенных участках железных дорог, не имеющих перспектив развития.

При двух кабельной системе для организации всех видов связи и СЦБ прокладывается два кабеля, при этом для цепей дальней связи (магистральной и дорожной) используется цифровая система передачи, например ИКМ-480 (ИКМ-120), со скоростью передачи информации 8448 Кбит/с. Данная система требует две кабельные пары. Пары располагаются в разных кабелях в целях обеспечения защищённости от переходных токов.

Двух кабельная система по требуемому количеству каналов и двухпроводных цепей в большинстве случаев удовлетворяет требованиям, предъявляемым к магистральным линиям связи, и является в настоящее время основной системой кабельной магистрали. Однако объединение в одних кабелях всех видов связи, а также цепей СЦБ, требующих частых отпаев от магистрального кабеля к перегонным и станционным объектам, вызывает определённые трудности при монтаже и эксплуатации кабельной магистрали, снижает устойчивость и качество дальней связи, что является недостатком двух кабельной магистрали. В ответственных случаях применяют трех кабельную систему. В этом случае прокладывается три кабеля, из которых первый используется для организации ОТС и цепей СЦБ, а второй и третий для цепей дальней связи. Такая система соответствует требованиям для всех участков железных дорог, включая скоростные, однако, требует больших капитальных вложений и эксплуатационных расходов.

Исходя из вышеперечисленных достоинств и недостатков приведённых систем кабельной магистрали, а также с учётом требуемого числа физических цепей, выберем для реализации проектируемой линии двух кабельную систему. В связи с тем, что почвы на данном участке не относятся к агрессивным, выберем следующие типы кабелей МКПАБ — 741.20+520.7+10.7 — для прокладки в почве. Емкость кабеля вторичной коммутации может быть от 3 до 114 четверок. Выбираем например кабель: ТЗБ 440.9. Волоконно-оптический кабель: ОМЗКГ-10

2.3 Распределение цепей по четверкам симметричного кабеля Прокладка кабельной линии связи невозможна без точных данных о использовании различных физических цепей кабеля. При распределении учтем проведенные ранее расчеты. Приведём таблицу распределения (таблица 2.1). Для уменьшения числа отпаек от второго кабеля, все сигнальные пары располагаем в первом кабеле. Сигнальные пары второго кабеля оставим в резерве.

Таблица 2.1 — Распределение связи.

3. Размещение усилительных и регенерационных пунктов Проектируемая связевая магистраль передает как высокочастотные, так и низкочастотные сигналы. По мере прохождения через канал связи они искажаются, затухают и смешиваются с помехами. Для восстановления сигналов используются усилительные и регенерационные устройства.

3.1 Размещение усилительных пунктов По методу использования аппаратура ВЧ телефонирования подразделяется на промежуточную и оконечную. Оконечная аппаратура содержит приборы и устройства, необходимые для передачи в линию модулированных сигналов высокой частоты и для выделения исходных сигналов тональной частоты из приходящих с линии модулированных сигналов высокой частоты. Промежуточная аппаратура представляет собой систему усилителей и фильтров.

Пункты, в которых устанавливается промежуточная аппаратура, называются усилительными (УП).

Дистанционное питание УП осуществляется из опорных или питающих обслуживаемых усилительных пунктов (ОУП), размещаются через 150 км, имеют электроустановку и обслуживающий персонал.

Питаемые дистанционно УП, не имеющие энергоустановок и постоянно находящегося в них персонала, носят название необслуживаемых усилительных пунктов (НУП).

Оконечные пункты размещаются на станциях, где расположены отделения или управления дорог. УП располагаются по трассе в зависимости от систем уплотнения.

Если расстояние меньше нормы, то ставится специальное устройство — «искусственная линия», которая удлиняет линию связи (ИЛ-3, ИЛ-5; цифра обозначает количество километров, на которое увеличивается линия).

Для НЧ сигналов местной связи оконечная аппаратура устанавливается в местах назначения (релейные шкафы, посты централизации и т. д.), а усилители располагаются через каждые 25?30 км. Если расстояние меньше нормы, то также устанавливаются «искусственные линии».

3.2 Размещение регенерационных пунктов При использовании ВЧ системы ИКМ возникает задача восстановления сигналов (импульсы, проходя по каналу, теряют свою форму, сливаются и т. д.).

Для восстановления формы сигнала используется специальная регенерационная аппаратура. Она размещается в обслуживаемых (ОРП) и необслуживаемых регенерационных пунктах (НРП). НРП размещаются по трассе через каждые 5?8 км, ОРПчерез каждые 200 км.

3.3 Размещение аппаратуры по трассе Размещение аппаратуры показано на схематическом плане участков, а также в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Размещение аппаратуры по трассе связи

4. Разработка схемы связи согласно заданию и номеру варианта При разработке схемы организации связи необходимо учитывать, что цепи дальней связи вводятся лишь в оконечные усилительные пункты кабельной магистрали. В то же время цепи отделенческой связи, используемые непосредственно для организации движения поездов и оперативного управления работой участка железной дороги, вводятся в многочисленные пункты, расположенные вдоль кабельной магистрали на перегонах и станциях.

По заданию необходимо организовать следующие виды связей на проектируемом участке:

Магистральная, дорожная, диспетчерская поездная (ПДС), энергодиспетчерская (ЭДС), постанционная (ПС), канал «Экспресс», вагонная диспетчерская (ВГС), межстанционная (МЖС), перегонная (ПГС), поездная радиосвязь (ПРС), линейно-путевая (ЛПС), связь электромехаников (СТМ), телеуправление тяговыми подстанциями (ТУ), телесигнализация тяговых подстанций (ТС), диспетчерского контроля (СЦБ-ДК), связь дежурного по переезду (Пр-зд), СЦБ. Магистральная связь по заданию содержит 330 каналов, дорожная — 105, перегонная и поездная радиосвязь имеют по две пары жил в кабеле, СЦБ — 5 пар проводов, остальным видам связей требуется по одной кабельной паре. Существует 2 вида ответвления с цепей: шлейфом и параллельно. Цепи автоматики всегда ответвляют шлейфом. На станциях, где нет усилительных пунктов, все цепи отделенческой связи заводят в пассажирское здание с устройствами автоматики и пост ЭЦ шлейфом. На тех же станциях, где находятся усилительные пункты, ответвления от магистрального на пост ЭЦ или пассажирское здание, как правило, не делают, а необходимые цепи связи и автоматики передают от усилительного пункта кабелем вторичной коммутации.

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 (СТМ) — 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.

Канал «Экспресс» — обеспечивает сведениями билетные кассы о наличии мест в поездах дальнего следования.

А также разместить следующие объекты связи и СЦБ согласно 4 варианту: ШН (пр) — квартира электромеханика СЦБ и связи, ПБ (пр) — будка дежурного светофора станции,

ПЗ (пр) — пассажирское здание.

Схема связи представлена в приложении 2

5. Разработка скелетной схемы участка

5.1 Скелетная схема кабеля

Основным документом для монтажа магистрального кабеля является монтажная схема участка кабеля (приложение 3). На этой скелетной схеме связи показывается усилительный участок с размещением на нем кабеля, его низкочастотных ответвлений, типы муфт и места их включения, а также включение усилительных пунктов систем уплотнения.

5.2 Монтаж муфт

5.2.1 Монтаж соединительных муфт Соединительная, стыковая муфты — сросток двух секций высокочастотного кабеля симметричной конструкции, в которой производят концентрированное симметрирование кабеля на усилительном участке. В стыковой муфте соединение жил и пар производят в зависимости от результатов измерения переходного затухания между парами. При необходимости в стыковых муфтах включают контуры противосвязи.

Для проектируемого участка кабельной магистрали для кабеля МКПАБ-741.20+520.7+10.7 выбираем соединительные свинцовые муфты типа МСП — 7.

5.2.2 Монтаж газонепроницаемых муфт Для обеспечения герметичности магистрального кабеля на кабеле ответвления устанавливают газонепроницаемую муфту, которую монтируют на 4 — 5 метровом отрезке кабеля той же марки, что и кабель ответвлений. Для нашего случая выбираем муфты типа ГМС-7.

5.2.3 Монтаж разветвительных муфт Разветвительной муфтой называется сросток, в котором четверки и пары одного кабеля распределяются между двумя и более ответвляющихся кабелями разной емкости. Эти муфты монтируют также на речных переходах при распределении емкости магистрального кабеля между основными и резервными кабелями, на ответвлениях от магистрального кабеля к различным объектам на перегоне, в усилительных и оконечных пунктах в тех случаях, когда емкость магистрального кабеля превышает емкость оконечного кабельного оборудования. Для нашего случая выбираем разветвительные муфты типа МСТ 7×7 и МСТ 7×14.

Спецификация арматуры кабельной магистрали приведена в таблице 5.1. В таблице 5.2 показаны кабели ответвления и вторичной коммутации.

5.3 Выбор кабеля для ответвления Для подвода связи от разветвительных муфт к релейным шкафам использование магистрального кабеля нецелесообразно, поэтому применяют телефонный зоновый кабель. Кабели ТЗБ изготавливаются емкостью 3, 4, 7, 12, 14, 19, 27, 37, 52, 51, 80, 102 и 114 четверок. Требуемая емкость и длина кабеля рассчитываются для каждого объекта в соответствии с числом ответвляющихся цепей и удаленностью объекта от трассы кабельной магистрали. Для монтажа кабельной магистрали применяется соответствующая кабельная арматура.

Таблица 5.1 — Спецификация арматуры кабельной магистрали

Таблица 5.2 — Расчетная таблица кабелей ответвлений и вторичной коммутации

6. Расчет влияний контактной сети и ЛЭП на кабельные линии

6.1 Расчет опасных влияний контактной сети переменного тока на кабельную линию связи Контактные сети переменного тока оказывают значительное влияние на цепи связи. Следует различать три режима работы контактной сети:

· Нормальный режим, если тяговые токи поступают в контактную сеть от всех подстанций участка;

· Вынужденный режим, когда одна из тяговых подстанций временно отключена и ее нагрузку воспринимают смежные с ней подстанции;

· Режим короткого замыкания — аварийный режим, в этом случае контактный провод замыкается на рельсы или землю.

В соответствие с заданием, на участке Гончарово — Рассоха, длиной 24 км, кабельная магистраль подвержена влиянию тяговой сети переменного тока. Тяговые подстанции переменного тока располагаются таким образом, чтобы, согласно нормам, длина тягового участка находилась в пределах от 40 до 60 км. По заданию линия связи на участке Иркутск — Слюдянка электрифицирована по системе переменного тока: .

Расчет влияний контактной сети переменного тока на кабельную линию связи производится при опасных влияниях (вынужденный режим работы и режим короткого замыкания) и мешающих влияниях тяговой сети переменного тока.

6.1.1 Расчет вынужденного режима работы

(6.1.1)

где, -коэффициент формы кривой влияющего тока тяговой сети (для кабельной линии).

— угловая частота переменного тока контактной сети, рад/с

— взаимная индуктивность контактного проводом и жилы кабеля, мкГн/км,

— эквивалентный влияющий ток при вынужденном режиме

— коэффициент, характеризующий уменьшение эквивалентного тока

— коэффициент экранирующего действия

— коэффициент экранирующего действия оболочки кабеля для 7?4 кабеля

— коэффициент экранирующего действия рельса,

— длина участка подверженного влиянию контактной сети.

m — число электровозов находящихся в пределах плеча питания тяговой сети Схематическое расположение ТП и рассматриваемого участка приведена на рисунке 6.1

Рисунок 6.1.1- Взаимное расположение усилительного участка и тяговых подстанций На рисунке 6.1:

где, (6.1.2)

Подставим значения Чтобы определить по графику значение необходимо рассчитать вспомогательные величины :

(6.1.3)

гдеширина сближения м,

— проводимость грунта (по заданию),

Рассчитаем вспомогательную величину:

Рисунок 6.1.2 — График зависимости коэффициента взаимной индукции от

По графику зависимости коэффициента взаимной индукции от найдем

Найдем коэффициент, характеризующий уменьшение эквивалентного тока

(6.1.4)

.

Найдем значение эквивалентного влияющего тока при вынужденном режиме

.

Найдем коэффициент экранирующего действия

Рассчитаем напряжение провода (жилы) относительно земли при заземлении противоположного конца:

Что не превышает допустимую норму 36 В.

6.1.2 Расчёт режима короткого замыкания Для режима короткого замыкания опасные напряжения на проводах связи относительно земли вычисляют, предполагая, что контактная сеть имеет одностороннее питание, то есть получает его от одной из двух смежных тяговых подстанций. Величины токов короткого замыкания определяются по диаграмме в зависимости от места аварии. Затем повторяют расчет имея ввиду одностороннее питание того же участка от другой тяговой подстанции.

Расчёт производится по формуле:

(6.1.5)

где, — напряжение провода относительно земли при заземлении противоположного конца В, — угловая частота рад/с,

— взаимная индуктивность контактного проводом и жилы кабеля, мкГн/км — ток короткого замыкания, А (по заданию),

— коэффициент экранирующего действия,

— длина влияющей части электротягового плеча.

Рассчитаем угловую частоту по формуле:

(6.1.6)

При переменном токе Гц, получим:

Рассчитаем коэффициент экранирующего действия по формуле:

(6.1.7)

где, примем равным 0,4, примем равным 0,077 для кабеля 74.

Подставив значения, получим:

Для проведения расчётов построим схематический рисунок влияния тока КЗ на рассматриваемый участок 6.1.3:

Рисунок 6.1.3 — Влияние тока КЗ на рассматриваемый участок Токи и взяты по заданию на курсовой проект ,.

— эквивалентная ширина сближения, рассчитывается по формуле 6.1.8 :

(6.1.8)

— длина влияющей части электротягового плеча, определяем по рисунку 6.1.3.

— взаимная индуктивность контактного проводом и жилы кабеля, определяем по графику зависимости коэффициента взаимной индукции от рисунок 6.1.2 (приГц) Полученные данные занесём в таблиц 6.1.1 и 6.1.2.

Приведем контрольный расчет для участка № 1 при влиянии ТП № 1 по формуле 6.1.5

Для первого участка:

, подставим полученные значения в формулу 6.1.5:

Таблица 6.1.1. — Расчёт при влиянии ТП № 1

Таблица 6.1.2. — Расчёт при влиянии ТП № 2

Допустимая норма =320 Вольт. Норма превышена, требуются защитные мероприятия.

6.2.1 Расчет мешающих влияний контактной сети переменного тока на кабельную линию связи Для двухпроводных телефонных цепей тональной частоты определяют псофометрическое значение мешающего напряжения при нормальном режиме работы тяговой сети.

(6.2.1)

где — угловая частота, рад/c,

— где частота 21 определяющей гармоники (по заданию)

— ток k-ой гармоники, 21 гармоника,

— коэффициент чувствительности телефонной цепи к помехам на 21 гармонике,

— коэффициент акустического воздействия 21 гармоники,.

— коэффициент экранирующего действия

— коэффициент экранирующего действия оболочки кабеля для МКПАБ 7?4 кабеля [3]

— коэффициент экранирующего действия рельса,

— длина сближения линии связи с влияющей линией в пределах расчетного усилительного участка, км;

— взаимная индуктивность контактного проводом и жилы кабеля, мкГн/км:

Чтобы определить по графику значение необходимо рассчитать вспомогательные величины :

(6.2.2)

гдеширина сближения,

— проводимость грунта (по заданию)

Рассчитаем вспомогательную величину:

По рисунку 6.1.2 определим величину ,

Найдем используя формулу 6.2.1 значение мешающего напряжения при нормальном режиме работы тяговой сети.

Норма мешающих влияний контактной сети переменного тока на кабельную линию связи превышена (норма 1,5 мВ), следовательно, требуется проводить зашитые мероприятия.

6.3 Влияние ЛЭП с заземленной нейтралью

6.3.1 Опасные влияния ЛЭП с заземленной нейтралью оказывает опасные и мешающие влияния на линию связи.

Разделяют 2 режима работы ЛЭП:

· нормальный режим (под влиянием ЛЭП в кабеле связи индуктируются мешающие ЭДС)

· режим короткого замыкания (ЛЭП оказывает опасные влияния).

По заданию ЛЭП находится в режиме к. з., следовательно, необходимо рассчитать опасные напряжения и сравнить их с нормами, линия связи на этом участке подвержена влиянию линии электропередачи (ЛЭП) с заземленной нейтралью, I_o.экв =2 А, I_кзн=1300 А, I_кзк=1100 А.

ЛЭП с заземленной нейтралью оказывает опасные и мешающие влияния на линию связи. Под влиянием ЛЭП в жилах кабеля наводится продольная ЭДС. ЛЭП переменного тока влияют в основном на частоте 50 Гц и высших гармониках, главным образом в тональном диапазоне частот.

Продольная ЭДС в проводе (жиле) связи зависит от длины влияющего участка ЛЭП, которая равна расстоянию от начала сближения ЛЭП и линии связи до места короткого замыкания фазового провода ЛЭП на землю (в пределах рассчитываемого усилительного участка). При расчете используется метод проб, то есть последовательно определяются ЭДС при коротком замыкании фазового провода в разных местах трассы ЛЭП. Для расчета используем следующую формулу:

(6.3.1)

где — количество участков косого или параллельного сближения до предполагаемого места короткого замыкания;

— угловая частота, рад/с,;

— ток короткого замыкания, определяемый по диаграмме (рисунок 6.3.1) в зависимости от места аварии, А;

— коэффициент взаимной индукцииго участка сближения, мкГн/м (наГц)

— коэффициент экранирующего действия рельсов (для кабельной линии связи), [2], [2], .

— длинаго участка сближения линии связи с влияющей линией в пределах расчетного усилительного участка, км.

Для косых участков эквивалентную ширину сближения вычисляем по формуле 6.1.8

Расчет коэффициентов взаимной индукции ведется согласно методике представленной в пункте 6.1.1.

Рисунок 6.3.1 — Взаимное расположение усилительного участка и ЛЭП и диаграмма распределения токов короткого замыкания на усилительном участке.

По графику определяем токи короткого замыкания, эквивалентную ширину сближения и — длинаго участка сближения линии связи с влияющей линией при питании с одного конца и другого. Затем производим расчет продольной ЭДС, индуктируемой в жиле по формуле (6.3.1):

.

Остальные значения напряжений рассчитываем аналогично, результаты заносим в таблицы 6.3.1 и 6.3.2

Таблица 6.3.1. — Расчёт при влиянии ТП № 1

Таблица 6.3.2. — Расчёт при влиянии ТП № 2

Так как допустимая индуктируемая ЭДС от влияния ЛЭП с заземленной нейтралью составляет 1800 В [2], в нашем случаи показания превышены, следовательно требуются проводить защитные мероприятия.

6.3.2 Расчет мешающих влияний Напряжение шума в приемнике двухпроводной телефонной цепи от влияния ЛЭП с заземленной нейтралью, мВ

(6.3.1)

гдепоправочный коэффициент, принимаемый в расчетах равным 0,6 для ЛЭП, питающих смешанную нагрузку.

— коэффициент экранирующего действия рельсов (для кабельной линии связи), ,.s = 0,0084. 2]

— эквивалентное значение тока, А (по заданию), =3 А;

— модуль взаимного сопротивления между однопроводными ЛЭП и ЛС для частоты f=800 Гц (усредненное значение);

— коэффициент взаимной индукции, мкГн/км, значение взято из таблицы 6.3.1, -длина i участка сближения, м;

=-длина усилительного участка линии связи, до начала сближения с ЛЭП (рисунок 6.1.1);

— длина сближения линии связи с влияющей линией в пределах расчетного усилительного участка (рисунок 6.1.1);

— расстояние от середины влияющего участка линии до конца расчетного усилительного участка линии связи, км, (рисунок 6.1.1);

— длина усилительного участка линии связи подверженного влиянию (рисунок 6.1.1);

— коэффициент чувствительности телефонной линии к помехам: [2]

Найдем напряжение шума используя формулу (6.3.1):

Данное значение напряжение шума от влияния ЛЭП с заземленной нейтралью не превышает допустимой нормы 1,5 мВ [2]

7. Расчет переходных затуханий Рисунок 7.1 — Схема возникновения переходных влияний Переходные затухания определяются в первую очередь параметрами электромагнитных связей. Схема их возникновения представлена на рисунке 7.1. Определим частотную зависимость вектора комплексной электромагнитной связи.

Согласно заданию на курсовое проектирование: пФ/с.д. Величина g₁₂ задана через процентное отношение, то. Активная составляющая магнитной связи задана через соотношение, то,. Волновое сопротивление:

Определим индуктивность связи

Комплексные вектора электромагнитных связей можно определить по формулам:

(7.1)

(7.2)

(7.3)

(7.4)

Произведём контрольный расчет векторов комплексной электромагнитной связи на дальнем и ближнем конце на частоте 400 Гц:

См, Ом,

Найдём искомые величины на строительной длине 850 м. — элементарного участка кабельной линии. Переходные затухания на одну строительную длину можно определить по зависимостям (7.5) — (7.7):

(7.5)

(7.6)

(7.7)

где — переходное затухание в начале строительной длины;

— переходное затухание в конце строительной длины;

— защищённость;

— километрический коэффициент затухания, дБ;

— строительная длина.

На основе полученных значений затуханий на одну строительную длину можно определить суммарное затухание на длине усилительного участка.

(7.8)

(7.9)

(7.10)

где n — количество строительных длин на усилительном участке, n=L/S, L-длинна рассматриваемого участка, Sстроительная длина 0,85 км, следовательно, n=24/0,85=28.

Произведём расчёт переходных затуханий на усилительном участке Гончарово-Рассоха, протяженностью 24 км. Для расчета воспользуемся вышеприведёнными зависимостями. Полученные данные занесём в таблицу 7.1. Приведем пример расчета на частоте 400 Гц:

Определим переходные затухания на одну строительную длину:

дБ /сд,

дБ /сд,

дБ/сд.

На длине усилительного участка:

дБ, дБ,

дБ.

Произведем расчет переходных затуханий на длине усилительного участка на 20 частотах в диапазоне от 50 до 500 000 Гц. Полученные данные занесем в таблицу 7.2

Таблица 7.2 — Величина расчитаных переходных затуханий

Пользуясь полученными данными построим график зависимости переходных затуханий от частоты (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 — Частотная зависимость затуханий на строительной длине Сравним полученные результаты с нормами: А₀=60,8 дБ; А_З=73,8 дБ; А_L=119,24 дБ.

Рассчитанные результаты превышают нормы, нужно проводить защитные мероприятия.

8. Мероприятия по защите кабеля и аппаратуры связи от опасных и мешающих влияний Для полной уверенности в том, что проектируемая линия связи хорошо защищена от воздействий электромагнитного поля, будем использовать ряд мероприятий. В настоящее время с целью снижения в устройствах проводной связи опасных и мешающих влияний высоковольтных линий и электрифицированных ж.д. на стороне последних применяют:

— Частичное заземление нейтралей и включение токоограничивающих устройств.

— Включение на подстанциях быстродействующих автоматических выключателей при токах короткого замыкания.

— Осуществление транспозиции проводов на трёхфазных линиях.

— Подвеска на трёхфазных линиях заземлённых тросов.

— Включение в трёхфазные линии сглаживающих устройств.

— Включение отсасывающих трансформаторов в контактные сети электрифицированных ж.д. переменного тока.

— Применение трехпроводной системы электрифицированных ж.д. 2×25 кВ с линейными автотрансформаторами.

В аппаратуре усилительных пунктов признано целесообразным предусматривать в каждой цепи кабеля определённый минимум защитных средств от опасных и мешающих напряжений и токов независимо от того, в каком районе будет прокладываться данная магистраль, имеются ли поблизости источники электромагнитных влияний или нет. Опыт показывает, что до 25% всей длины кабельных магистральных линий проложено вдоль высоковольтных линий и электрических ж.д. и, следовательно, подвержено опасному и мешающему влиянию внешних электромагнитных полей от этих источников. Кроме того, почти на всей территории СНГ наблюдаются грозовые разряды, создающие опасность возникновения повреждений в линиях и аппаратуре НУП.

При конструировании НУП экономически оправдывается предусматривать включение в каждом НУП на входе и выходе усилителей и в схемах самих усилителей на переходах транзисторов тех или иных элементов защитного устройства в зависимости от системы уплотнения цепей.

Оборудование НУП различных систем передачи имеют отдельные узлы, испытательное напряжение которых колеблется от очень низких напряжений до нескольких тысяч вольт. Аппаратура не является равнопрочной в отношении крепости изоляции и поэтому может в той или иной части выходить из строя от возникающих на линии и проникающих в аппаратуру высоких напряжений как со стороны входа и выхода усилителя, так и со стороны блока дистанционного питания. Пока не существует таких защитных элементов, которые могли бы с одной стороны. Понизить напряжение до очень малых величин и, с другой, быть достаточно мощными, чтобы пропускать возникающий большой ток. Обычно защита всего оборудования от высоких напряжений импульсного и периодического переменного тока (50 Гц) организуется по каскадному принципу. Иными словами, применяется ступенчатый способ защиты, обычно с тремя ступенями.

Первая ступень или каскад обеспечивает грубую защиту, снижающую перенапряжения от нескольких киловольт до нескольких сотен или десятков вольт. Этот каскад осуществляется в большинстве случаев с помощью мощных газонаполненных или искровых разрядников с пробивным напряжением 300−3000 В.

Второй каскад защитных устройств обеспечивает дальнейшее снижение напряжения от сотен вольт до нескольких вольт. Этот каскад осуществляется с помощью разрядников с пробивным напряжением 70 — 100 В, а также с помощью фильтров, дросселей, корректирующих контуров, которые выполняют и другие функции, кроме защитных.

Третий каскад обеспечивает защиту в основном усилителей, построенных на полупроводниковых приборах. Эта защита осуществляется с помощью стабилитронов, в.ч. — диодов, соединенных по различным схемам. Они имеют напряжение срабатывания в пределах нескольких вольт и являются практически безынерционными.

Таким образом, назначение всех ступеней защиты — снизить амплитуды возникающих перенапряжений до значений, при которых обеспечивается нормальная работа пассивных и усилительных элементов оборудования НУП.

8.1 Защита с помощью дренажных катушек Дренажные катушки (ДК) предназначены для обеспечения одновременного срабатывания разрядников, включенных в провода телефонной цепи, снижения и уравнивания потенциалов проводов этой цепи и для создания при срабатывании разрядников большого сопротивления между проводами телефонной цепи рабочим токам передачи. В результате такого действия дренажные катушки снижают помехи во всех каналах системы передачи и в особенности в каналах тонального телеграфирования.

Рассмотрим защитное действие дренажных катушек с заземлённой средней точкой от опасных напряжений и помех, возникающих в двухпроводных цепях связи при магнитном и электрическом влияниях на них линий высокого напряжения.

Пусть имеем параллельное сближение высоковольтной линии с линией связи на длине l км. При коротком замыкании одного из фазных проводов линии на землю в проводах каждой телефонной цепи могут возникнуть продольные ЭДС опасных величин. При этом напряжения на концах сближения на каждом проводе телефонной цепи по отношению к земле приблизительно будут равны половине этой ЭДС. Включив между проводами двухпроводной цепи по концам сближения две дренажные катушки и заземлив их средние точки, можно снизить напряжения проводов цепи по отношению к земле, т. е. получить величину, не опасную ни для аппаратуры связи, ни для обслуживающего персонала. Схема защиты представлена в приложении 5 (рисунок б)

8.2 Защита с помощью медных тросов 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 определенные интервалы должны иметь заземления. Защитное действие проложенных проводов или тросов характеризуется коэффициентом тока, показывающим отношение тока молнии в оболочке кабеля при наличии троса к току при отсутствии троса. Число защитных проводов или тросов определяют расчетным путем. Схема защиты представлена в приложении 5 (рисунок г)

8.3 Редукционные трансформаторы Редукционные трансформаторы (РТ) являются эффективным средством защиты от влияний высоковольтных линий (ЛЭП и эл. ж. д.). Первичная I и вторичная II обмотки РТ имеют одинаковое число витков и намотаны на замкнутый железный сердечник (альбом чертежей). Первичная обмотка включается в разрез металлического покрова (оболочку, броню, экран) защищаемого кабеля 1−1, а вторичная — в разрез жил кабеля 2−2. 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. Схема защиты представлена в приложении 5 (рисунок в)

8.4 Защита аппаратуры связи от импульсных перенапряжений

8.4.1 Назначение защитных устройств Линия связи находится под постоянным воздействием источников электромагнитного излучения техногенного и природного характера. Наиболее сильным источником импульсного воздействия являются грозы. Индуцируемые в кабеле под их воздействием напряжения могут значительно превышать предельно допустимые значения для используемой аппаратуры. Для того чтобы предотвратить её выход из строя, используются специальные схемы защиты.

Молния — это сложное физическое явление, происходящее в несколько стадий, каждая из которых характеризуется своей продолжительностью, напряжённостью электрического и магнитных полей, амплитудой тока. Обычно выделяют три стадии: лидерная стадия; стадия главного разряда; стадия послесвечения (финальная).

Изменение тока молнии от времени показано на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 — Зависимость величины тока молнии от времени

Отдельно рассматривают главную стадию разряда. К её основным параметрам относятся: максимальная амплитуда тока, время нарастания импульса (Ф) и время полу спада ©. Разряд молнии — вероятностный процесс, поэтому для инженерных расчётов приходится использовать усредненные величины. В более чем 50% случаев разряда: амплитуда 30−40 кА; Ф = 1,5 мс; С = 40 мс (стандартный грозовой разряд). При разработке средств защиты ориентируются именно на параметры стандартного грозового разряда.

Защиту используют многоступенчатую, каскадную: первый каскад, провод-земля (самая «грубая» степень защиты); второй каскад, провод — провод; третий, непосредственная защита входа аппаратуры (самый «тонкая»).

Как правило, в современной аппаратуре защиты для организации первых двух каскадов используются газонаполненные разрядники. Основная характеристика подобных устройств — вольт-секундная. Для того чтобы обеспечить надёжную степень защиты необходимо, чтобы вольт-секундная характеристика аппаратуры связи проходила «выше», чем характеристика устройства защиты. Третий каскад организуется, как правило, с использованием полупроводниковых элементов, параметры которых приближаются к параметрам защищаемой аппаратуры. Приведём в приложении 5 (рисунок а) схему защиты аппаратуры связи ИКМ-120 .

8.4.2 Принцип работы схемы защиты системы ИКМ-120

В нормальном режиме работы напряжение на входе НРП не превышает установленной нормы, сопротивление разрядников велико, ток через разрядники практически равен нулю. Диоды VD1-VD8 и стабилитрон VD9 закрыты. При поступлении фронта импульса, вызванного грозовой волной, потенциал жила — земля резко возрастает. Происходит пробой разрядника F2. Внутреннее сопротивление данного элемента падает, что создаёт для токов перенапряжения путь наименьшего сопротивления, замыкающийся на землю. При резком нарастании фронта импульса может произойти превышение допустимого напряжения между точками схемы 1−2. Происходит пробой разрядника F2. Падение напряжения на данном элементе значительно уменьшается, что препятствует поступлению токов перенапряжения на вход аппаратуры со стороны цепи СС (приём). В случае если напряжение непосредственно на входе аппаратуры превысит допустимое для элементной базы значение, диоды VD1, VD2 при положительной полярности импульса и VD3, VD4 при отрицательной открываются. Создается путь наименьшего сопротивления для индуцированного разрядом тока. После прохождения основной фазы разряда напряжение спадает, цепочки диодов закрываются. Газонаполненные разрядники продолжают некоторое время «гореть» под действием токов наведённых в фазе послесвечения и токов дистанционного питания. Напряжение погасания разрядников должно обязательно быть больше напряжения дистанционного питания. В противном случае быстрое восстановление рабочего режима будет невозможно. После погасания разрядников схема приходит в исходное состояние. Схема защиты выходного сопряжения НРП во многом аналогична.

8.5 Мероприятия по защите от переходных влияний В случае, если переходные затухания не удовлетворяют нормам, необходимо применять специальные методы для их увеличения. Воспользуемся методом симметрирования при помощи контуров противосвязи. Принцип действия данных устройств основан на том, что они создают между влияющей и подверженной влиянию цепями активно-ёмкостную связь, вектор которой противоположен к вектору комплексной электромагнитной связи, обуславливающей взаимные влияния. Результирующие влияние в результате взаимной компенсации значительно уменьшается, что увеличивает переходные затухания. Для определения параметров контура противосвязи в данном курсовом проекте воспользуемся графоаналитическим методом:

1) строится график вектора комплексной электромагнитной связи — годограф. Математически, годограф представляет собой траекторию движения конца вектора электромагнитной связи на комплексной плоскости. Вид данной зависимости на дальнем и ближнем конце различен. Ввиду значительных сложностей, возникающих при определении параметров контура противосвязи на ближнем конце, как правило, рассматривается график переходного затухания на дальнем конце; 2) по виду зависимости определяется устройство контура противосвязи и жил кабеля, между которыми он будет включён;

3) на крайней частоте полосы пропускания определяются параметры элементов контура.

Рисунок 8.2 — График вектора комплексной электромагнитной связи

1)Симметрирование низкочастотных цепей. В кабелях со звездной скруткой жил, наибольшие влияния имеют место между цепями внутри четверок. Влияние между цепями смежных четверок меньше вследствие различных шагов их скрутки. Однако при большой длине кабеля это влияние может превысить допустимое. Уменьшают его смешиванием четверок, которое заключается в том, что на протяжении кабельной линии четверки меняются местами, то удаляясь друг от друга, то сближаясь. Перед началом симметрирования все ответвления и вводы должны быть замонтированы. Для симметрирования четверок сначала измеряют емкостные связи в соединяемых строительных длинах кабеля. Затем производят симметрирование, которое осуществляют в три этапа: внутри шагов симметрирования, при соединении шагов и на смонтированном усилительном участке.

Симметрирование внутри шагов симметрирования (первый этап) может выполняться в одной, трех и семи точках, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и от концов шага симметрирования.

Муфты, в которых производится симметрирование скрещиванием, называют симметрирующими; муфты, в которых производится симметрирование скрещиванием и конденсаторами, называют конденсаторными; муфты, в которых симметрирование не производится и жилы соединяются напрямую, называют прямыми муфтами.

Для удобства процедуры скрещивания (х) и прямого соединения (*) называют операторами.

При одноточечной схеме сначала монтируют прямые муфты, а затем конденсаторную. В случае трехточечной и семиточечной схемы вначале осуществляют монтаж прямых муфт, затем симметрирующих и только потом конденсаторных.

Схемы скрещивания жил при соединении четверок в симметрирующих муфтах выбирают по данным измерений емкостных связей и асимметрии. Выбирают ту схему, при которой связь и асимметрия имеют наименьшие значения. Когда нельзя одновременно уменьшить связи и асимметрию, оператор выбирают исходя из задачи уменьшения связей.

Если скрещиванием не удалось снизить связи и асимметрию до допустимых величин, то применяют симметрирование конденсаторами.

При соединении шагов между собой (второй этап) симметрирование выполняется способом скрещивания по результатам измерений переходного затухания между цепями на частоте 800 Гц. Выбирают операторы, которые дают наибольшее переходное затухание. Наращивание шагов производят последовательно, начиная от концов усилительного участка в его середине по измерениям переходного затухания на ближний и дальний концы, добиваясь наибольшего их значения. Одновременно выравнивают рабочие емкости и сопротивления жил основных цепей в шаге симметрирования так, чтобы асимметрия не превышала 0.1 Ом. Если это не удается, то ее уменьшают включением резисторов .

Симметрирование на смонтированном усилительном участке (третий этап) производят в муфте, расположенной в середине участка. В этой муфте определяют наилучший оператор по измерениям переходного затухания на дальнем конце. В четверках, не удовлетворяющих нормам, производят дополнительно симметрирование с помощью конденсаторов. Схема защиты представлена в приложении 5 (рисунок е)

2)Симметрирование высокочастотных цепей. 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 градусов и вектор связи может находиться в любом из четырех квадрантов. Симметрирование выполняется в два этапа:

На первом этапе при соединении строительных длин кабеля в соединительных муфтах на всем усилительном участке для уменьшения влияния через третьи цепи высокочастотные четверки соединяют по оператору. Одновременно разделывают кабели на боксах и производят монтаж всех муфт, за исключением двух ближайших к усилительным пунктам и трех, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и от усилительных пунктов.

На втором этапе в двух муфтах, ближайших к усилительным пунктам, выбирают наилучший оператор по измерениям переходного затухания на ближнем конце Ао. Затем в оставшихся незамонтированных трех муфтах подбирают наилучшие операторы по результатам измерений защищенности цепей на дальнем конце Аз. Если с помощью скрещивания не удается получить требуемые значения Аз, то производят в тех же муфтах симметрирование контурами.

Измерения Ао, Аз производят на наибольшей передаваемой частоте, контролируя и на более низких частотах. В результате симметрирования Ао и Аз должны удовлетворять нормам.

Кроме приведенного метода симметрирования высокочастотных цепей (кабелей) с помощью контуров противосвязии (схема защиты представлена в приложении 5 (рисунок д)), по измерениям переходного затухания и защищенности между цепями, существуют и другие. Для кабелей низкого качества применяют метод симметрирования по результатам измерений комплексных связей. Получил распространение метод симметрирования участками большой протяженности (200 км и более) от одного обслуживаемого усилительного пункта до другого без симметрирования по отдельным усилительным участкам.

9. Выбор волоконно-оптической линии связи кабельный волоконооптический связь линия

Для того, чтобы принять окончательное решение о целесообразности использования оптической системы передачи необходимо определить количество промежуточных усилительно-регенерационных устройств. Определим максимальную длину усилительного участка.

9.1 Расчет затухания световодов Определим затухание сигнала в оптическом кабеле. Затухание складывается из трёх составляющих (формула 9.1):

(9.1)

б — затухание сигнала в оптическом кабеле;

б_П — затухание поглощения, связано с потерями на диэлектрическую поляризацию;

б_Р — затухание рассеивания, обусловлено неоднородностями материала:

б_ИК — затухание в инфракрасной области.

(9.2)

где n₁ — показатель преломления сердечника, согласно заданию n₁ =1,7

л=1,31 мкм — длина волны;