Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке железной дороги Аткарск – Сенная (Приволжская ж/д)

Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке железной дороги актарск — Сенная (Приволжская ж/д)

кабель железный дорога участок

Реферат

Курсовой проект содержит 41 страницы, 7 иллюстраций, 12 таблиц, 5 использованных источников, альбом чертежей.

Пояснительная записка содержит описание проектируемого участка линии связи (физико-географические данные, сведения о сближении с железными дорогами и их характеристику); произведен выбор кабельной системы, типа кабеля; определено размещение оконечных и промежуточных усилительных пунктов; описан монтаж кабельной магистрали; произведен расчет взаимных влияний в цепях связи, описаны меры по снижению влияний; произведен расчет мешающих и опасных влияний контактной сети железной дороги на линию связи, рассмотрены и рассчитаны меры по снижению мешающих и опасных влияний, приведено описание мер по защите аппаратуры связи.

Альбом чертежей, прилагающийся к пояснительной записке, содержит план трассы линии связи, общий вид и сечение кабеля со спецификацией, схему организации связи, скелетную схему участка трассы, схемы защиты аппаратуры связи.

Введение

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 главных дополнительных путей, когда конструкция воздушной линии экономически нецелесообразна; на вновь строящихся железных дорогах магистрального значения; в районах, подверженных сильным гололедом; также в районах, намеченных к электрификации по системе переменного тока на ближайшие годы.

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

1 Описание проектируемого участка линии связи

1.1 Общая информация

Проектируемый участок линии связи между станциями Актарск-Сенная имеет общую протяженность 199 км и содержит в себе 9 станций. Дорога проходит по территории Саратовской области.

1.2 Саратовская область

Физико-географические данные и природа проектируемого участка:

Саратовская область расположена на юго-востоке — восточно-европейской равнины. Делится рекой волгой на 2 части: западную — правобережье и восточную — Заволжье (максимальная высота области достигает 358 м.). Область образована 5 декабря 1936 года, общая площадь достигает 114,1 тыс. км². Делится на 32 района, имеет 18 городов и 24 поселка городского типа. Административный центр — город Саратов. Проектируемый участок железной дороги расположен на юго-западе области.

Более 83% территории области расположено в степной зоне. Северо-западная часть ее занята черноземами, в остальной части распространены темно-каштановые, каштановые почвы. Степь преимущественно разнотравно-злаковая.

По речным долинам развиты пойменно-дерновые почвы с луговой и древесно-кустарниковой растительностью. Леса занимают 4% всей площади (дуб клен и др.).

Животный мир разнообразен. Повсеместно обитают грызуны, промысловые виды животных, птицы и пресмыкающихся. Волга и Дон богаты рабы (осетровыми, карповыми и др.). [1]

Климат проектируемого участка:

Проектируемая кабельная линия находится в умеренном климатическом поясе. Климат этого района континентальный, с холодной, малоснежной зимой и продолжительным, жарким, сухим летом. [2]

Средние температуры:

— 10⁰ С — в январе

+22⁰ С — в июле По Волгоградской области протекают такие реки как Волга и Дон с притоками. Густота речной сети и водность рек уменьшаются с северо-запада на юго-восток. Для рек характерны: весеннее половодье и летняя межень.

1.3 Карта проектируемого участка железной дороги

На рисунке 1.1 изображена карта Приволжской железной дороги, содержащая проектируемый участок.

Рисунок 1.1 — Карта Приволжской железной дороги

2. Выбор типов кабеля, систем передачи, размещения цепей по четвёркам

2.1 Система передачи

Проектируемая линия связи состоит из 300 каналов магистральной связи и 210 каналов дорожной связи (в соответствии с заданием). Для ее организации используется аппаратура уплотнения ИКМ-120. Аппаратура типа ИКМ-120 является стодвадцатиканальной аппаратурой высокочастотного уплотнения. Предназначена для организации 120 двухсторонних телефонных каналов тональной частоты по двум однотипным симметричным кабелям. В системе связи ИКМ-120 группа каналов прямого и обратного направлений имеет одинаковую скорость передачи цифровой информации (8,448 Мбит/c).

Аппаратура типа К-24-Т является двадцатичетырёхканальной аппаратурой высокочастотного уплотнения. Предназначена для организации 24 двухсторонних телефонных каналов по двум симметричным однотипным кабелям. В системе связи К-24-Т группа каналов прямого и обратного направлений имеет одинаковый линейный спектр частот (12−108 кГц).

Системы ИКМ-120 и К-24-Т являются четырехпроводнными, поэтому на каждую систему отводится две пары жил. Так как аппаратура уплотнения требует разнесения уплотняемых пар, то система будет двухкабельной.

Учитывая то, что в каждом кабеле необходимо иметь запас свободных жил на случай использования кабеля для других видов связи, распределим связи по четвёркам так, что в первом и во втором кабеле будет занята часть полных четверки для систем ИКМ-120 и К-24-Т и часть четверок останется в резерве (требуемый уровень резерва — от занимаемых четвёрок).

Также требуется реализовать оперативно-технологическую связь (здесь и далее будет употребляться сокращение ОТС), для чего потребуется еще один кабель.

Выбор количества систем производится по формуле:

(1)

где — количество необходимых каналов (с учетом 10% резерва);

— количество каналов в одной системе (для ИКМ-120 — 120).

Тогда для магистральной и дорожной связи:

принимается

принимается

2.2 Выбор кабеля и распределение систем по кабелям и четверкам

Для магистральной и дорожной связи будет использоваться кабель типа МКПАБ (магистральный кабель, полиэтиленовая изоляцией жил, алюминиевая оболочка, броня из плоских лент). Количество четверок выбирается равным 7, предусматривается отсутствие сигнальных пар. Распределение пар магистральной и дорожной связи по кабелям и четверкам отражено в таблице 2.1. Этот кабель позволяет нам разместить в нем и ОТС.

Таблица 2.1 — Распределение магистральной, дорожной связи и ОТС

3. Размещение усилительных и регенерационных пунктов на трассе линии связи

Вследствие затухания сигнала и искажении формы прямоугольных импульсов (при ИКМ) при прохождении через кабель требуется устанавливать регенерационные (для цифровых систем) и усилительные (для аналоговых систем) пункты. Они бывают двух категорий: обслуживаемые и необслуживаемые. Обслуживаемые регенерационные и усилительные пункты (ОРП и ОУП) устанавливаются на крупных станциях в линейных аппаратных залах (ЛАЗах). Необслуживаемые регенерационные и усилительные пункты (НРП и НУП) устанавливаются на перегонах. Расположение ОРП, ОУП, НРП и НУП показано в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Размещение ОРП, ОУП, НРП, НУП и ТП на трассе линии связи

Таблица 3.1 — Размещение усилительных и регенерационных пунктов, тяговых подстанций на трассе линии связи (продолжение)

4. Организация связи и цепей сцб по кабельной магистрали

Организация всех связей для обеспечения оперативной работы дороги по магистральным кабельным линиям отличает железнодорожные кабельные линии от подобных им линий Министерства связи. Это вызвано большим количеством низкочастотных технологических связей и необходимостью их выделения в ряде пунктов как на станциях, так и на перегонах. Наличие многих ответвлений от магистрального кабеля вызывает ряд затруднений при его монтаже и эксплуатации.

Главным недостатком кабельных линий связи в настоящее время является совместное прохождение путей связи и автоматики в одних кабелях, что вызывает влияние кодовых цепей на каналы связи, требует установки фильтров и т. д., а также вызывает необходимость большого количества ответвлений.

Ответвления от магистрального кабеля делают для ввода цепей в помещения постов ЭЦ и пассажирские здания, подвода цепей автоматики и перегонной связи к сигнальным точкам автоблокировки, для включения промежуточных пунктов линейно-путевой связи на перегонах, связи объектов электрификации (тяговых подстанций и др.), а также для некоторых других целей.

Ответвления с цепей осуществляется шлейфом или 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. В тех случаях, когда объекты, к которым должно быть подано ответвление, находятся на расстоянии меньше 100 метров один от другого, применяют объединенные ответвления, заканчивающиеся на ближайшем из объектов.

Основным документом для монтажа магистрального кабеля является монтажная схема кабеля (см. альбом чертежей). При определении необходимого количества кабеля учитывают запас в размере 2%: 1,6% на укладку кабеля в траншеях, котлованах и 0,4% на отходы при спаечных работах. При прокладке кабеля в грунт, подверженный смещению или выпучиванию, запас в траншее и котлованах увеличивают до 4%, при прокладке через водоемы принимают запас 14%. Для монтажа муфт и раскладки кабеля в котлованах концы строительных длин должны перекрывать друг друга. Кроме того, необходимо учитывать, что на ввод кабеля в ОУП требуется запас 20 м, в НУП — 10 м, в релейный шкаф сигнальной установки автоблокировки — 3 м. В помещении усилительного пункта кабель по скелетной схеме прокладывают от ввода до газонепроницаемой муфты, во всех остальных случаях — до бокса.

Ниже приведена таблица кабелей ответвлений и вторичной коммутации для участка железной дороги Карабулак — Высотная.

Таблица 4.1 — Таблица кабелей ответвлений и вторичной коммутации

5. Выбор арматуры для монтажа кабельной магистрали

Для ответвления от магистрального кабеля применяют разветвительные муфты. Это сросток, в котором четверки и пары одного кабеля распределяются между двумя и более ответвляющимися кабелями разной емкости. Разветвительные муфты монтируют на речных переходах при распределении емкости магистрального кабеля между основным и резервным кабелями, на ответвлениях от магистрального кабеля к различным объектам на перегонах (а иногда и на станциях), в усилительных и оконечных пунктах в тех случаях, когда емкость магистрального кабеля превышает емкость оконечного кабельного оборудования. Следует стремиться к тому, чтобы место ответвления совпадало с прямой муфтой. Разветвительные муфты, устанавливаемые не 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 или тройниковыми муфтами.

Для герметизации кабеля при содержании его под постоянным избыточным давлением устанавливают газонепроницаемые муфты типа ГМС-4, ГМСМ-40 или ГМСМ-60 — перед оконечными вводными устройствами в усилительных пунктах и в начале каждого ответвления от магистрального кабеля. Эти муфты монтируют на 4—5-метровом отрезке кабеля той же марки, что и кабель ответвления. Для муфты ГМС от механических повреждений ее помещают в чугунную муфту и заливают битумной массой. Газонепроницаемые муфты, устанавливаемые в помещениях, естественно, в защите чугунными муфтами не нуждаются.

6. Расчет опасных и мешающих влияний на кабель

6.1 Расчет влияний контактной сети переменного тока

Контактные сети переменного тока оказывают значительное влияние на цепи связи. Опасные влияния обусловлены рабочими токами частотой 50 Гц. Следует различать три режима работы контактной сети:

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

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

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

По заданию контактная сеть переменного тока находится в нормальном режиме, следовательно оказывает на линию связи мешающие влияния.

Для двухпроводных телефонных цепей тональной частоты определяют псофометрическое значение мешающего напряжения. Для расчета возьмем усилительный участок Карабулак — Высотная, длиной 20 км, считая, что тяговая сеть состоит из участков одностороннего питания, т. е. полное тяговое плечо разделено посередине на два плеча одностороннего питания.

Рисунок 6.1 — Взаимное расположение усилительного участка и тяговых подстанций

Результирующее псофометрическое напряжение рассчитываем по следующей формуле:

(6.1)

где — значения мешающего напряжения, индуктированного в цепи связи в пределах каждого участка тяговой сети.

Т.к. выбранный усилительный участок расположен в пределах одного тягового плеча, то на усилительный участок влияет только это плечо, следовательно, отсутствует, т. е. .

Расчет производим по следующим формуле 6.2:

(6.2)

где — угловая частота, рад/c,

; по заданию — порядок определяющей гармоники, — частота первой гармоники;

— ток k-ой гармоники,

;

— коэффициент чувствительности телефонной цепи к помехам,

;

— коэффициент акустического воздействия k-ой гармоники,

;

— коэффициент экранирующего действия рельсов

(6.3)

где, ;

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

— среднее значение коэффициента взаимной индукции, Гн/км:

(6.4)

где, а — ширина сближения линии связи с контактной сетью, м;

— проводимость грунта,

.

Результаты расчётов занесём в таблицу 6.1.

Таблица 6.1 — Результаты расчётов мешающих напряжений

При сравнении полученных при расчёте мешающих напряжений с нормой (1мВ) выбираем ширину сближения 10 м. Т.к. мешающее напряжение не выходит за пределы нормы, то нет необходимости включать в цепи связи защитную аппаратуру.

6.2 Расчет влияния ЛЭП с изолированной нейтралью

Расчёт производим для участка Карабулак — Высотная, длина этого участка 20 км. По заданию линия связи на этом участке подвержена влиянию линии электропередачи (ЛЭП) с изолированной нейтралью (10 кВ, I_ф=2,5 А).

ЛЭП оказывает электрическое и магнитное воздействие на линейные сооружения. Так как проектируется кабельная линия, то воздействие будет только магнитным полем. В зависимости от режима работы ЛЭП может вызывать в кабельной линии опасные или мешающие напряжения. По заданию ЛЭП наводит в линии связи напряжение шума. На крупной станции Гудермес находится тяговая подстанция (ТП), к ней подходит ЛЭП. Рассматривается параллельное косое сближение линии связи и ЛЭП.

Для расчета влияния построим следующую модель. Примем угол сближения ЛЭП и линии связи равный 15 градусов. Разобьем участок на 10 частей. Представим эту модель на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 — Расчетная модель Рассчитаем значения по формуле (4.5):

Где м (10 м — ширина сближения кабеля с контактной сетью, 90 м — расстояние от контактной сети до ТП (выбирается в пределах ширины станции));

Пример расчета: м

Результаты расчета занесём в таблицу 6.2:

Таблица 6.2 — Ширина сближения линии связи и ЛЭП

Напряжение шума в приемнике двухпроводной телефонной цепи от влияния ЛЭП с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы рассчитывается по формуле (6.6):

где — составляющая напряжения шума, обусловленная электрическим влиянием фазовых проводов, ();

— составляющая напряжения шума, обусловленная магнитным влиянием фазовых проводов, мВ; рассчитывается по формуле (6.7):

где — эквивалентное значение фазового тока ЛЭП, А;

— поправочный коэффициент, принимаемый в расчётах равным 0,95 для ЛЭП, питающих моторно-осветительную нагрузку;

— длина усилительного участка;

— общая длина сближения в пределах усилительного участка;

— длина усилительного участка ЛС до начала сближения с ЛЭП;

— усреднённое значение модуля взаимного сопротивления между однопроводной ЛС симметричной трёхфазной ЛЭП;

Рассчитывается по формуле (6.8):

где, Гц; - усреднённое значение коэффициента взаимной индукции между симметричной трехфазной ЛЭП и однопроводной ЛС. Рассчитываем по формуле (6.9):

по монограмме из справочника, зная, которое рассчитывается по формуле (6.10):

Разбиваем наш участок на 10 частей, рассчитаем по формуле (6.10) для первого участка: м, следовательно мкГн/км. Для остальных участков полученные данные по монограмме, которая приведена в [3], занесем в таблицу 6.3.

Таблица 6.3- Расчетные данные и полученные по монограмме

Подставляя значения в формулу (6.9), получаем:

Гн/км.

Рассчитываем по формуле (6.8), получаем:

Ом/км.

Рассчитываем по формуле (6.7), получаем:

мВ В, мВ В.

6.3 Расчет взаимного влияния

6.3.1 Определение собственных параметров кабеля

Кабельную линию связи можно представить в виде четырёхполюсника, обладающего рядом параметров. Составляется расчётная схема замещения линии связи, на которой распределённые параметры заменены эквивалентными сосредоточенными. Номиналы расчётной схемы замещения получили название первичных параметров. К ним относят:

Rудельное сопротивление на единицу длинны [ Ом/км ];

Lудельная индуктивность [ Гн/км];

G — проводимость изоляции [ См/км];

С — удельная ёмкость [ Ф/км ];

Данные величины являются специфическими свойствами каждого отдельного типа кабеля, используемого для прокладки проектируемой линии связи, и определяются геометрическими размерами отдельных элементов кабеля, их электрическими свойствами, частотой сигнала. При расчёте первичных параметров необходимо учитывать влияние поверхностного эффекта и эффекта близости близко расположенных цепей.

Определим значения первичных параметров для кабеля МКПАБ. Существует множество методов проведения подобных расчётов. Большинство из них основано на использовании специальных вспомогательных функций, значения которых протабулированы с точностью, достаточной для инженерных расчётов. Воспользуемся данным способом расчёта. Зависимость специальных функций от частоты приведена в таблице 6.4.

Таблица 6.4 — Специальные вспомогательные функции.

Для расчёта первичных параметров можно воспользоваться следующими зависимостями:

Ом/км (6.11)

где R₀ — удельное сопротивление постоянному току [Ом/км], определяется площадью поперечного сечения жилы кабеля и материалом, из которого она была изготовлена. Для кабеля МКПАБ данная величина составляет 31,7 Ом/км;

Ркоэффициент, характеризующий близость с соседними жилами, в данном случае Р =5 («звёздная» скрутка жил);

d — диаметр жилы (1,05 мм);

а — расстояние между осями проводников (1,85 мм):

R — дополнительное сопротивление за счёт потерь энергии на вихревые токи. Данная величина является функцией частоты и зависит от материала оболочки кабеля.

Ом.(6.12)

Удельная индуктивность определяется по следующей зависимости:

Гн/км (6.13)

где _r — коэффициент магнитной проницаемости. Для алюминия: _r=1;

— коэффициент укрутки. Для кабеля МКПАБ = 1,016.

Ёмкость кабельной линии определяется по следующеё зависимости:

Ф/км (6.14)

где — коэффициент увеличения ёмкости за счёт эффекта близости. Для используемого кабеля = 0,644;

_р — диэлектрическая проницаемость изоляции. В данном случае _р= 1,4;

Проводимость изоляции, как правило, не велика. При её определении можно использовать следующее выражение:

Гн/км (6.15)

где tgp — результирующий тангенс угла потерь изоляции. Данная величина является функцией частоты.

Произведём расчёт первичных параметров для кабеля МКПАБ в спектре частот. Полученные данные занесём в таблицу 6.5

Таблица 6.5 — Частотная зависимость первичных параметров кабельной линии

Приведём пример расчёта на частоте f = 250 кГц. Используя формулы (6.11) — (6.15) произведем расчет первичных параметров:

Ом/км

мГн/км

нФ/км

мкСм/км

Построим по полученным данным графики частотных зависимостей первичных параметров (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 — Функции частотных зависимостей первичных параметров а) — сопротивления; б) индуктивности; в) емкости; г) проводимости

6.3.2 Волновые параметры кабеля

Основной характеристикой любого кабеля являются его волновое сопротивление Z_В и коэффициент распространения. Данные параметры значительно более удобны для практических расчётов, чем первичные. Волновое сопротивление определяет собой отношение напряжения к току бегущей по цепи волны в любой точке кабеля. Коэффициент распространения — комплексная величина. Действительная составляющая — километрический коэффициент затухания () — показывает степень убывания амплитуды напряжения или тока бегущей волны на расстоянии 1 км. можно определить как:

где L — длина линии;

U_H и U_K — напряжения в начале и конце лини.

Мнимая составляющая — километрический коэффициент фазы () — представляет собой разность фаз векторов напряжений или токов в точках цепи, отстоящих одна от другой на расстояние 1 км. Коэффициент затухания определяет максимально возможную дальность передачи сигнала.

Волновые параметры непосредственно связаны с первичными следующими зависимостями:

Определим, используя выше приведённые зависимости волновые параметры кабеля МКПАБ. Полученные данные занесём в таблицу 6.5.

Таблица 6.5 — Волновые параметры кабеля МКПАБ

Приведём пример расчёта на частоте 50 кГц:

(Ом)

6.3.3 Расчет переходных затуханий

Переходные затухания определяются в первую очередь параметрами электромагнитных связей. Определим частотную зависимость вектора комплексной электромагнитной связи.

Согласно заданию на курсовое проектирование: k₁₂ = 22,2 пФ/с.д. Величина g₁₂ задана через процентное отношение, то. Активная составляющая магнитной связи задана через соотношение, где .

Комплексные вектора электромагнитных связей можно определить по следующей формулам:

Произведём расчёт векторов комплексной электромагнитной связи на дальнем и ближнем конце. Полученные данные сведём в таблицу 6.6.

Приведем пример расчета на частоте 50 кГц:

(См);

(Гн/с.д.);

(Ом);

;

;

;

Таблица 6.6 — Вектора электромагнитной связи

Для определения переходных затуханий воспользуемся в данном курсовом проекте значениями векторов электромагнитных связей, рассчитанных выше. Найдём искомые величины на строительной длине — элементарного участка кабельной линии. Стандартная строительная длинна — 82 525 м. Примем для расчёта среднее значение 825 м (0,825 км). Переходные затухания на одну строительную длину можно определить по следующим зависимостям:

где А₀^СД — переходное затухание в начале строительной длины;

А_L^СД — переходное затухание в конце строительной длины;

А_З^СД — защищённость;

— километрический коэффициент затухания, ДБ;

S — строительная длина.

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

где n — количество строительных длин на усилительном участке.

Произведём расчёт переходных затуханий на усилительном участке Карабулак — Высотная, который содержит 25 строительных длин. Для расчета воспользуемся вышеприведёнными зависимостями. Полученные данные занесём в таблицу 6.7. Приведем пример расчета на частоте 50 кГц:

Определим переходные затухания на одну строительную длину:

.

На длине усилительного участка:

(дБ),

(дБ),

(дБ).

Таблица 6.7 — Величина рассчитанных переходных затуханий

Построим графики зависимостей переходных затуханий от частоты (рисунки 6.5, 6.6).

Рисунок 6.5 — Частотная зависимость затуханий на строительной длине кабеля Рисунок 6.6 — Частотная зависимость затуханий на усилительном участке Карабулак — Высотная

Сравним полученные результаты с нормами: А₀=60,8 дБ; А_З=73,8 дБ; А_L=73,8+l.

Рассчитанные результаты меньше нормы, следовательно, нужно проводить защитные мероприятия. К таким относят симметрирование кабельных четверок.

7 Защита кабеля и аппаратуры связи от опасных и мешающих влияний

7.1 Защита кабеля от опасных влияний

7.1.1 Редукционные трансформаторы

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, а вторичная — в разрез жил кабеля. 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 ЭДС и компенсирующего тока.

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.

7.1.2 Отсасывающие трансформаторы

Установка отсасывающих трансформаторов является эффективным методом снижения магнитного влияния контактной сети переменного тока на линии связи. Отсасывающие трансформаторы обычно имеют коэффициент трансформации от 0,8 до 1, мощность 800 кВ? А и более. Известны два способа включения отсасывающих трансформаторов:

1) с обратным проводом;

2) без обратного провода.

При установке отсасывающих трансформаторов с обратным проводом первичная обмотка трансформатора включается в контактный провод, а вторичная — в дополнительный провод, подвешенный на опорах контактной сети и периодически соединяемый с рельсами. При протекании тягового тока по первичным обмоткам трансформаторов во вторичных обмотках и обратном проводе будет протекать ток почти противоположного направления, что снижает напряженность влияющего магнитного поля. При включении вторичных обмоток в рельсы ток в них значительно увеличивается, что улучшает экранирующее действие рельсов.

Количество устанавливаемых отсасывающих трансформаторов определяется расчетами. Их защитное действие зависит от расстояний между ними, взаимного расположения линии, подверженной влиянию, и тяговой сети, сопротивления рельсов относительно земли и т. Д. Коэффициент защитного действия при включении в провод обратного тока может иметь значения 0,25.0,5, а при включении в рельсы — 0,25.0,7.

Использование отсасывающих трансформаторов в качестве меры защиты от опасных и мешающих влияний удорожает строительство тяговой сети, усложняет эксплуатацию и увеличивает потери электроэнергии, но при необходимости защиты дорогостоящих действующих сооружений (магистральных кабелей, кабельных сетей местной связи и т. д.) их применение может быть оправдано.

7.2 Защита 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. Рассмотрим такую схему (см. чертеж схем защиты).

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

Недостатки этой схемы:

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

2) 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.е. 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.

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. Ведутся разработки по замене динисторов на варисторы.

8. Симметрирование кабелей

8.1 Теоретические сведения

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 комплекс мероприятий, направленных на уменьшение влияний. Взаимные влияния возникают в результате наличия между цепями электромагнитных связей. При этом в кабелях низкочастотных (до 4 кГц) преобладают электрические (емкостные) связи, а в кабелях высокочастотных (до 252 кГц) — электромагнитные комплексные связи. Внешние влияния обусловлены связями, вызванными продольной асимметрией цепей, подверженных влиянию. Для снижения взаимных влияний уменьшают связи между цепями скрещиванием жил, включением между жилами цепей конденсаторов и контуров из последовательно соединенных резисторов с активным сопротивлением и конденсаторов. Эти контуры называют контурами противосвязи.

Сущность симметрирования скрещиванием заключается в компенсации электромагнитных связей между цепями на одном участке кабельной линии, связями другого участка, путем соединения жил без скрещивания или со скрещиванием. Компенсация объясняется тем, что при скрещивании связи изменяют свой знак.

При симметрировании конденсаторами последние устанавливают в промежуточной муфте, соединяющей два участка кабельной линии, и включается между жилами цепей.

Симметрирование контурами противосвязи заключается в том, что токи помех, вызываемые электромагнитными связями между цепями, компенсируются токами влияния противоположной фазы, создаваемыми с помощью контуров, включаемых между жилами цепей. Необходимо, чтобы контур противосвязи воспроизводил частотную зависимость естественной электромагнитной связи, которая носит комплексный характер.

На ближний конец токи влияния с различных участков приходят с разными фазами, и компенсировать их токами противосвязи сложно. Поэтому практически симметрирование контурами противосвязи применяют только для уменьшения влияний на дальний конец. Влияние на ближний конец уменьшают скрещиванием.

В низкочастотных кабелях преобладают емкостные связи и можно применять симметрирование скрещиванием, конденсаторами и контурами противосвязи; при симметрировании высокочастотных кабелей — скрещиванием и контурами противосвязи.

Применение одних конденсаторов нецелесообразно, поскольку при высоких частотах действуют электрические и магнитные связи, соизмеримые между собой. Внешние влияния уменьшают снижением продольной асимметрии путем включения конденсаторов между жилами и оболочкой (землей) и резисторов активного сопротивления в жилы кабелей.

Методика симметрирования высокочастотных и низкочастотных цепей различна. Объясняется это следующим. Высокочастотные цепи имеют большое затухание на высоких частотах и токи влияния на ближний конец с участков, расположенных на расстоянии, соответствующем затуханию 10−11 дБ (на верхних частотах передаваемого спектра), незначительны. Это позволяет производить симметрирование на всем усилительном участке.

Низкочастотные цепи имеют значительно меньшее затухание и, снижая влияние на дальний конец, можно увеличить влияние на ближний конец и наоборот. Поэтому симметрирование низкочастотных кабелей производят небольшими участками, называемыми шагами симметрирования. Обычно длину шага симметрирования непупинизированных кабелей принимают равной 2 км, а пупинизированных 1,7 км.

В железнодорожных кабелях дальней связи имеются как высокочастотные, так и низкочастотные четверки и приходится при симметрировании таких кабелей применять оба метода.

8.1.1 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.

8.1.2 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° 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 х. 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. Затем в оставшихся несмонтированных трех муфтах подбирают наилучшие операторы по результатам измерений защищенности цепей на дальнем конце. Если с помощью скрещивания не удается получить требуемые значения затухания, то производят в тех же муфтах симметрирование контурами противосвязи.

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

Кроме приведенного метода симметрирования высокочастотных цепей (кабелей) с помощью контуров противосвязи, 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.

8.2 Расчёт элементов контура противосвязи

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.

По данным таблицы 6.6 построим график вектора комплексной электромагнитной связи на дальнем конце F. На этой же координатной плоскости построим характеристику контура противосвязи F_k.

Рисунок 8.1 — График вектора комплексной электромагнитной связи Для создания данной формы вектора противосвязи, необходима схема, показанная на рисунке в альбоме чертежей.

Определим номиналы элементов, входящих в схему контура. Учтём, что по оси Х графика отложена действительная часть проводимости контура, а по оси Y — мнимая часть, обусловленная наличием в схеме ёмкостей. Определим значение вектора противосвязи на граничной частоте полосы пропускания 500 кГц:

Х = 1,08 мСм, Y = 1,372 мСм.

Номинал сопротивления R₁ определим по следующей формуле:

Выбираем по номинальному ряду R₁=1 кОм.

Рассчитаем емкость С₁

С₁==436,7 пФ.

По номинальному ряду С₁=430 пФ.

9.Содержание кабеля под давлением

Содержание кабелей связи под постоянным избыточным газовым (воздушным) давлением позволяет не только контролировать герметичность оболочки, но и предотвращать проникновение влаги в кабель при её незначительных повреждениях. Для избыточного давления в кабель непрерывно подаётся осушенный воздух. Такое мероприятие является эффективным способом предупреждения повреждений кабеля с перерывами связи (отказов). Учитывая это, на кабельных сетях стремятся увеличить количество кабельных линий, оборудованных устройствами по содержанию кабеля под давлением.