Расчет электромагнитных влияний
Расчет магнитных влияний
При коротком замыкании контактной сети, например, при падении КС на рельсы будет оказываться магнитное влияние на кабели связи, электропитания и волновод. Ток короткого замыкания по заданию равен 
= 3,6 кА, а для ЛЭП = 15 кА.
Магнитное влияние рассчитывается по формуле:
, (4)
где 
;
ω= 314 рад/с;
IК.З – ток короткого замыкания;
Sэ – коэффициент экранирования;
М – модуль взаимной индуктивности.
Кабели связи и электропитания расположим на расстоянии a = 50 м от рельсов для контактной сети;
Кабели связи и электропитания расположим на расстоянии a = 400 м от ЛЭП.
Модуль взаимной индуктивности:
. (5)
Модуль взаимной индуктивности для ЛЭП:
, Гн/км.
Модуль взаимной индуктивности для контактной сети:
, Гн/км.
Коэффициент экранирования:
, (6)
где Sp – коэффициент экранирования рельсов равен;
Sк – коэффициент экранирования кабеля равен;
. (7)
А) Расчет магнитного влияния контактной сети и ЛЭП для кабеля МКПАБ
Коэффициент экранирования для кабеля МКПАБ:
.
Влияние ЛЭП на МКПАБ:
При расчете магнитного влияния ЛЭП не учитываем 
.
.
Влияние контактной сети на МКПАБ:
;
.
Б) Расчет магнитного влияния контактной сети и ЛЭП для кабеля ТПП
Для кабеля ТПП контактной сети 
, 
, а для кабеля ТПП ЛЭП 
не нужно учитывать.
Влияние ЛЭП на ТПП:
.
Влияние контактной сети на ТПП:
;
.
В) Расчет магнитного влияния контактной сети и ЛЭП для кабеля СБПБ
Для кабеля СБПБ контактной сети , , а для кабеля СБПБ ЛЭП не нужно учитывать.
Влияние ЛЭП на СБПБ:
.
Влияние контактной сети на СБПБ:
.
Г) Расчет магнитного влияния контактной сети и ЛЭП для волновода
Волновод подвешен на опоре и располагается на расстоянии a = 1 м от рельсов для контактной сети и на расстоянии a = 400 м от ЛЭП.
Магнитное влияние для волновода рассчитывается по формуле:
, (8)
где 
=0,8 - Sпучка проводов.
Модуль взаимной индуктивности волновода для ЛЭП:
, Гн/км.
Модуль взаимной индуктивности волновода для контактной сети:
, Гн/км.
Влияние ЛЭП на волновод:
.
Влияние контактной сети на волновод:
;
.
3.2 Гальваническое влияние ЛЭП и КС на кабель местной связи
При эксплуатации промежуточной малой станции может возникнуть случай обрыва провода ЛЭП или КС в районе ТП. Схематичное расположение станционных объектов на малой станции представлено на рисунке 3.1.
r1 =100м, тогда гальваническое влияние оценивается следующей величиной:
| (9) |
Поскольку расстояния r2, r3 и r4 >> r1, то 
. Значение гальванического влияния производится по следующей формуле:
, (10)
где I - ток ЛЭП или контактной сети;
- удельное сопротивление грунта, равное 45 Ом*км.
а) гальваническое влияние на кабель ТППэ, на которого влияет контактная сеть:
б) гальваническое влияние на кабель ТППэ, на которого влияет ЛЭП:
Расчет перенапряжений при заносе высокого потенциала с ТП и КТП на ДСП при ударе молнии
Одна из возможных аварийных ситуаций на промежуточной станции – занос высокого потенциала, образовавшегося в результате грозового разряда, на ДСП.
Таблица 3.3.1 – Параметры для расчета пункта 3.3
| Параметр | Значение | Параметр | Значение |
| L | 2 мкГн/км | RТП | 0,65 Ом |
| R | 10 Ом/км | lК ТП | 2,3 км |
| С | 10 нФ/км | RКТП | 4,1 Ом |
| RЗК | 3,103 Ом | lК КТП | 1,3 км |
Расчет производится по следующим формулам:
 ,
| (11) |
 ,
| (12) |
 ,
| (13) |
 ,
| (14) |
 ,
| (15) |
 ,
| (16) |
 ,
| (17) |
 ,
| (18) |
 .
| (19) |
Расчет по формулам 11 – 19:
 ,
|
 ,
|
 ,
|
 ,
|
 ,
|
 ,
|
 ,
|
 ,
|
.
Графики результирующего тока и напряжения представлены на рисунке 3.1.
  
t, сек
Рисунок 3.1 – Ток и напряжение заноса высоко потенциала с ТП на ДСП
Для расчета заноса высоко потенциала с КТП заменим RТП на RКТП. Результаты вычислений представлены на рисунке 3.2.
  
t, сек
Рисунок 3.2 – Ток и напряжение заноса высоко потенциала с КТП на ДСП
|
В таблице 3.3.2 находятся результаты вычисления влияний аварийных режимов.
Таблица 3.3.2 – Расчетные значения влияний аварийных режимов
| Вид влияния | Магнитное, В | Гальваническое, В | Занос высокого потенциала, В | |||||
| КС | ЛЭП | Гроза (КС) | Гроза (ЛЭП) | КС | ЛЭП | ТП | КТП | |
| МКПАБ | 670,2 | 1537,306 | 5808,4 | 101,1 | - | - | - | - |
| ТППэ | 350,33 | 803,5919 | 951,4 | 16,6 | 11,2157 | 46,73 | 647,4 | |
| СБПБ | 226,1 | 1077,7 | 500,7 | 8,7 | - | - | - | - |
| Волновод | 13139,679 | - | - | - | - | - | - |
4 Расчет спектра импульса молнии
Для определения напряжений, наведенных в кабелях связи импульсом молнии необходимо определить частоту тока молнии. Параметры грозового импульса следующие: 
= 9 мкс; 
= 400 мкс; Imax = 70 кА. Временная характеристика импульса молнии 
определяется выражением (4) и имеет вид, представленный на рисунке 4.1:
 , А
| (20) |
|
 |
t, сек
Рисунок 4.1 – Временная характеристика импульса молнии
Спектральная характеристика 
определяется выражением (5) и изображена на рисунке 4.2:
 .
| (21) |
|
f, Гц
Рисунок 4.2 – Спектральная характеристика импульса молнии
По рисунку 4.2 находим 
400 Гц – первый способ методики нахождения 
.
Второй способ методики нахождения:
Найдем круговую частоту:
(22)
а) Перенапряжения при заносе потенциала для 400 Гц.
Влияние ЛЭП на МКПАБ:
Влияние контактной сети на МКПАБ:
Влияние ЛЭП на ТПП:
Влияние контактной сети на ТПП:
Влияние ЛЭП на СБПБ:
.
Влияние контактной сети на СБПБ:
Влияние ЛЭП на волновод:
.
Влияние контактной сети на волновод:
В;
б) Перенапряжения при заносе потенциала для 625 Гц.
Влияние ЛЭП на МКПАБ:
Влияние контактной сети на МКПАБ:
Влияние ЛЭП на ТПП:
Влияние контактной сети на ТПП:
Влияние ЛЭП на СБПБ:
.
Влияние контактной сети на СБПБ:
Влияние ЛЭП на волновод:
.
Влияние контактной сети на волновод:
В таблице 4.1 представлены полученные результаты перенапряжения при заносе потенциала.
Таблица 4.1 – Воздействия грозового разряда на аппаратура ЖАТС
| МКПАБ | ТПП | СБПБ | Волновод | ||||||||
| 
| 
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
| При
| 9,14 | 16,6 | 18,9 | 4,77 | 8,67 | 9,9 | 2,7 | 4,9 | 5,6 | 36,55 | 325,5 | 327,5 |
При 
| 14,3 | 25,9 | 29,6 | 7,46 | 13,56 | 15,5 | 4,22 | 7,66 | 8,7 | 57,12 | 508,5 | 511,7 |
5 Элементы защиты
Устройства защиты предохраняют станционные объекты от поражающего действия больших токов и напряжений. Методика организации защиты от перенапржений вкелючает в себя: экранирование и сброс перенапряжений на заземляющее устройство с помощью пороговых элементов. В настоящее время повсеместно на ж/д актуален второй способ защиты. К пороговым устройствам защиты от перенапряжений относятся: разрядники, супрессоры, фильтры и варисторы. Устройства, предохраняющие от бросков тока: предохранители, позисторы и полисвич-элементы.
Электрический предохранитель – компонент электрических и радиоэлектронных устройств, предназначенный для защиты оборудования и приборов от повреждений при их неисправностях или для защиты питающей сети от аварийных электрических токов, возникающих при авариях и отказах, неправильного включения, ошибок монтажа.
Позистор - терморезистор с положительным коэффициентом сопротивления. Позистор имеет форму керамических дисков, в некоторых случаях установленных последовательно в одном корпусе, а так же в одиночном исполнении с защитным эмалевом покрытием. По областям применения позисторы делятся на группы. Позисторы, работающие в условиях воздействия электрической нагрузки и используемые в качестве предохранителей в схемах защиты от перегрузок по току и напряжению. Позисторы широко применяются в качестве автостабилизирующих нагревательных элементов в схемах размагничивания и задержки.
Разрядник — электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях. В электрических сетях часто возникают импульсные всплески напряжения, вызванные коммутациями электроаппаратов, атмосферными разрядами или иными причинами. Несмотря на кратковременность такого перенапряжения, его может быть достаточно для пробоя изоляции или p-n переходов полупроводниковых приборов и, как следствие, короткого замыкания, приводящего к разрушительным последствиям. Для того, чтобы устранить вероятность короткого замыкания, можно применять более надёжную изоляцию и высоковольтные полупроводниковые приборы, но это приводит к значительному увеличению стоимости оборудования. В связи с этим в электрических сетях целесообразно применять разрядники.
Супрессор или ограничитель напряжения – это полупроводниковый диод, работающий на обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) с лавинным пробоем или на прямой ветви ВАХ. TVS-диод предназначен для защиты от перенапряжения интегральных и гибридных схем, радиоэлектронных компонентов и др. У полупроводниковых ограничителей напряжения ВАХ аналогична ВАХ стабилитронов. В условия нормальной работы ограничители являются высокоимпедансной нагрузкой по отношению к защищаемой схеме и служат для защиты цепи. В идеале устройство выглядит как разомкнутая цепь с незначительным током утечки. Когда напряжение переходного процесса превышает рабочее напряжение цепи, импеданс ограничителя понижается, и ток переходного процесса начинает течь через ограничитель. Мощность, образовавшаяся при переходном процессе, рассеивается в пределах защитного устройства и ограничивается максимально допустимой температурой перехода.
Варистор – полупроводниковый оксидно-цинковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Обладает свойством резко уменьшать свое сопротивление с единиц ГОм до десятков Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой величины. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление уменьшается ещё сильнее. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).
Схемы защиты в цепях питания и линейных узлах связи значительно различаются. Так, элементы защиты цепей питания рассчитаны на значительно большие токи и напряжения, чем те же защитные элементы в узлах связи. Один из возможных вариантов организации защиты питания по току и напряжению представлен в приложении А. Приложение Б содержит Схемы защиты узлов связи. В таблице 5.1 приведены элементы, на которых могут быть реализованы представленные выше схемы. Таблицы 5.2-5.15 содержат параметры используемых элементов. При организации защиты от перенапряжений, которые могут прейти по волноводу может использоваться разрядник Р-63(FU1). На рисунках 5.1-5.14 приведены изображения элементов защиты.
Таблица 5.1 – Элементы защиты
| Элемент на схеме | Название элемента | Элемент на схеме | Название элемента |
| Защита по питанию | |||
| F1-F3 | ПКН-001 | FV3 | РKH-600 |
| F4-F6 | ППН-39 | RU1, RU2 | УЗП500 |
| ВА1 | ВА51-37 | PTC1 | MZ23-25 R |
| ВА2, ВА3, ВА4 | ВА47-29 | VS1 | 6KE440A |
| FV1 | РВП-10 | C1 | 470мкФ 500В |
| FV2 | Р-138 | ||
| Защита связи | |||
| F1, F2 | ВП1-1 | RK1, RK2, RK3, RK4 | B59950-C80-A70 |
| FV1 | Р-63 | VS1 | 1.5KE18CA |
| RU1, RU2 | CH2-2A | VS2 | 1.5KE36СA |
Рисунок 5.1 – Предохранитель типа ПКН
Таблица 5.2 – Параметры предохранителя ПКН001
| Параметр | Значение |
| Номинальное напряжение. кВ | |
| Наибольшее рабочее напряжение, кВ | |
| Время плавления при токе 1,2 5 А, с, более | |
| Время плавления при токе 2,5 А, с, менее | |
| Электрическое сопротивление заменяемого элемента при температуре 20˚С, 0м | 47,3 – 57,8 |
Рисунок 5.2 – Плавкая вставка типа ППН
Таблица 5.3 – Параметры предохранителя ППН39
| Параметр | Значение |
| Номинальное напряжение. кВ | 0,5 |
| Номинальная отключающая способность, кА | |
| Номинальный ток, А |
Рисунок 5.3 – Автоматический выключатель типа ВА51
Таблица 5.4 – Параметры автоматического выключателя ВА51-37
| Параметр | Значение |
| Номинальный ток, А | |
| Рабочее напряжение, В, до | |
| Номинальный ток тепловых расцепителей, А, до |
Рисунок 5.4 – Автоматический выключатель типа ВА47
Таблица 5.5 – Параметры автоматического выключателя ВА47-29
| Параметр | Значение |
| Номинальный ток, А, до | |
| Номинальная отключающая способность, кА | 4,5 |
| Рабочее напряжение, кВ, до | 0,4 |
Рисунок 5.5 – Высоковольтный разрядник РВП-10
Таблица 5.6 – Параметры автоматического выключателя РВП-10
| Параметр | Значение |
| Номинальное напряжение, кВ | |
| Наибольшее допустимое напряжение на разряднике, кВ | 12,8 |
| Импульсное пробивное напряжение при времени разряда более 1 мкс, кВ | |
| Пробивное напряжение частотой 50 Гц не менее, кВ | |
| Остающееся напряжение при импульсном токе 3000 А не более, кВ | |
| Количество искровых промежутков | 10-11 |
Рисунок 5.6 – Защитный разрядник Р-138
Таблица 5.7 – Параметры защитного неуправляемого разрядника Р-138
| Параметр | Значение |
| Напряжения пробоя, статическое, В | 225-345 |
| Напряжения пробоя, динамическое, В | |
| Емкость статическая междуэлектродная, пФ, не более | |
| Сопротивление изоляции, кОм | |
| Напряжение погасания, В |
Рисунок 5.7 – Разрядник РКН-600
Таблица 5.8 – Параметры разрядника РКН-600
| Параметр | Значение |
| Статическое напряжение пробоя, В | 500-800 |
| Динамическое напряжение пробоя, В | <2000 |
| Сопротивление электрической цепиОм | 0.01 |
| Напряжение погасания | 120 +/-5 |
Рисунок 5.8 – УЗП-500
Таблица 5.9 – Параметры УЗП-500
| Параметр | Значение |
| Классификационное напряжение при I=1mA постоянного тока, кВ | ≥0,15 |
| Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, кВ | ≤0,13 |
| Остаточное напряжение на ограничителе при импульсе тока Tи = 30/60мкс с амплитудой 500А, кВ | ≤0,4 |
| Остаточное напряжение на ограничителе при импульсе тока Tи = 8/20мкс с амплитудой 1000А, кВ | ≤0,5 |
Рисунок 5.9 – Полисвич-элемент MZ23-25R
Таблица 5. 10– Параметры полисвич-элемента MZ23-25R
| Параметр | Значение |
| Номинальное сопротивление, Ом | |
| Допуск сопротивления | 20% |
| Номинальное напряжение, В | |
| Максимальное рабочее напряжение, В |
Рисунок 5.10 – Супрессор 1.5KE18CA
Таблица 5. 11– Параметры супрессора 1.5KE18СA
| Параметр | Значение |
| Напряжение срабатывания, В | |
| Пиковый ток, А | |
| Рассеиваемая мощность, кВт | 1,5 |
Рисунок 5.11 – Предохранитель ВП1-1
Таблица 5. 12– Параметры предохранителя ВП1-1
| Параметр | Значение |
| Номинальное напряжение, В | |
| Номинальный ток, А |
Рисунок 5.12 – Термистор B59950-C80-A70
Таблица 5. 13– Параметры термистора B59950-C80-A70
| Параметр | Значение |
| Максимальное допустимое напряжение, В | |
| Номинальный ток, мА | |
| Ток переключения, мА | |
| Максимальный допустимый ток, А | 5,5 |
| Номинальное сопротивление, Ом | 3,7 |
Рисунок 5.13 – Варистор СН2-2А
Таблица 5. 14– Параметры варистора СН2-2А
| Параметр | Значение |
| Классификационный ток, мА | |
| Рабочее напряжение, В | |
| Амплитуда одиночного импульса, кА |
Рисунок 5.14 – Супрессор 1.5KE36CA
Таблица 5. 15– Параметры супрессора 1.5KE36A
| Параметр | Значение |
| Пиковая мощность, Вт | |
| Минимальное напряжение открывания, В | 32,4 |
| Максимальное напряжение открывания, В | 39,6 |
| Максимально допустимый импульсный ток, А |
Схемы защиты аппаратуры:
Рисунок 5.15 – Схема защиты волновода
Рисунок 5.16 – Схема защиты оборудования связи
Рисунок 5.17 – Схема защиты цепи питания
6 План размещения аппаратуры и средств защиты
На посту дежурного по станции ДСП существует комната, отведенная для размещения оборудования средств защиты и связи. Здесь находятся кабельная шахта (Ш), кроссы (К), вводно-защитные устройства (ВЗУ), вводной щит (ВШ), а так же аппаратура связи и рабочие места. Комната средств защиты и аппаратуры связи занимает 1/5 всего помещения поста ДСП. Так же в комнате связи располагается главная заземляющая шина (ГЗШ), которая соединяется с внешним заземляющим контуром и «землей» всех эксплуатируемых электрических устройств. К ГЗШ присоединены 2 измерительных провода по напряжению и току для круглогодичного определения сопротивления заземляющего контура. План размещения аппаратуры и средств защиты представлен на рисунке 6.1.
Кабельная шахта - специальное вертикальное сооружение в здании с закладными деталями в стенах, к которым закрепляются металлические конструкции, предназначенные для крепления к ним вертикально проложенного кабеля.
Кросс (контрольно-распределительное оборудование средств связи), кроссовый узел – пространство, отведенное под коммутацию телекоммуникационных проводов. Так же на кроссе располагается певый каскад защиты.
Вводно-защитное устройство – устройство, обеспечивающее ввод кабелей электросвязи, защиту обслуживающего персонала и аппаратуры аналоговой и цифровой электросвязи от опасных напряжений и токов, возникающих в цепях электросвязи. ВЗУ содержит 2 и 3 каскады защиты.
Рисунок 6.1 – План размещения аппаратуры и средств защиты ДСП
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы был выполнен расчет различных влияний ЛЭП, КС и разряда молнии на кабели связи, электрического питания и волновод. На основе этих данных были спроектированы схемы электрической защиты узла связи местной станции, а так же на базе рассчитанных значений выбраны элементы этих схем. Заключительным этапом стало проектирование комнаты связи на посту ДСП с расположением в ней устройств защиты и рабочей аппаратуры.
Так же рассмотрены возможные элементы защиты, которые в последующем были применены для построения схем защиты от импульсных перенапряжений и грозовых разрядов. По нашим исходным данным был произведен выбор элементной базы.
Выполнение курсовой работы позволило оценить важность учета взаимного влияния различных электрических сетей и природных явлений на инфраструктуру связи. Стала очевидной необходимость внимательного проектирования защитных устройств, удовлетворяющих требованиям всех служб железной дороги.
Полученные в ходе выполнения проекта знания являются базой для дальнейшего изучения специальных дисциплин и могут быть применены в дальнейшем при разработке различных схем защиты.
Библиографический список
1. Стандарт предприятия. СТП ОмГУПС-3.1-05.
2. Бадер М. П. Электромагнитная совместимость /Учебник для вузов железнодорожного транспорта. – М.: УМКМПС, 2002. – 638 с.
3. «Основы электромагнитной совместимости». Ред. Р. Н. Карякина, г. Барнаул, 2007.
4. Гроднев И. И., Курбатов Н. Д. «Линейные сооружения связи». Москва-1982г.