Ток молнии обычно составляет десятки и даже сотни килоампер, то есть часто превосходит ток КЗ.
Важной особенностью грозовых разрядов является то, что их воздействию подвергаются отнюдь не только электростанции, подстанции и промышленные предприятия. Обычный узел связи и управления в городской черте может оказаться не менее уязвимым. В первую очередь это касается объектов, оснащенных мачтами радиосвязи (на крыше или рядом со зданием). Обследование ряда таких объектов показало, что растекание тока молнии часто происходит по элементам систем заземления и питания информационной техники либо вблизи от нее.
Часто значительная часть тока молнии (в отдельных случаях до 80-100%) стекает по экранам коаксиальных кабелей непосредственно на узел связи.
Грозовой разряд является наиболее мощным источником импульсных перенапряжений. Во время разряда молнии в ее стволе возникают огромные токи, при протекании которых возникают опасные потенциалы напряжений.
Системы молниезащиты, включающие в свой состав молниеотводы и заземления, предназначены для защиты зданий и людей от поражения электрическим током, но не для защиты электронной аппаратуры. О реальной защите от разряда молнии можно говорить в случае, если расстояние до него составляет хотя бы сотни метров.
Рисунок 5.1 – Схема заноса высокого потенциала молнии
Расчет производится по следующим формулам:
(5.1-5.3)
где 
;
L=2мкГн/км;
R=10 Ом/км;
C=10 нФ/км;
Rтп=0,55 Ом.
Подставим значения в формулы 5.1-5.3 и получим:
Рассчитанные зависимости U(t) и I(t) приведены на рисунке 5.2
Рисунок 5.2 – График напряжения и тока в результате заноса потенциала с ТП
Для расчета заноса потенциала с КТП заменим RТП на RКТП и пересчитаем значения напряжения и тока. Рассчитанные значения приведены на рисунке 5.3.
Рисунок 5.3 – График напряжения и тока в результате заноса потенциала с КТП
5.1 Итоговые рассчитанные значения магнитного, гальванического, емкостного влияний и заноса потенциала
Таблица 5.2.1 – Рассчитанные значения влияний
| Вид влияния | Магнитное, В | Гальваническое, В | Занос высокого потенциала, В | |||||
| КС | ЛЭП | Гроза (КС) | Гроза (ЛЭП) | КС | ЛЭП | ТП | КТП | |
| МКПАБ | ||||||||
| ТПП | - | - | - | - | ||||
| СБПБ | - | - | - | - | ||||
| Волновод | - | - | - | - | - | - |
Элементы защиты
6.1 Описание и использование элементов
Варистор – полупроводниковый 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).
Варисторы обладают крайне полезным для электрических цепей качеством. Они способны резко менять свое сопротивление при превышении напряжения определенного порога срабатывания.
В случае возникновения импульса напряжения, способного вывести из строя электронное устройство, варистор практически мгновенно уменьшает свое сопротивление, то есть закорачивает цепь питания, поэтому перед варистором всегда ставится плавкий предохранитель.
Варистор подключается параллельно цепи питания. При отсутствии опасных импульсов напряжения ток, протекающий через варистор, имеет небольшую величину, и варистор представляет собой диэлектрик и абсолютно не влияет на работу схемы. Варистор не обладает инерцией, поэтому после «срезания» импульса он мгновенно снова приобретает очень большое сопротивление.
Варисторы широко применяются в промышленном оборудовании и приборах бытового назначения:
– для защиты полупроводниковых приборов: тиристоров, симисторов, транзисторов, диодов, стабилитронов;
– для электростатической защиты входов радиоаппаратуры;
– для защиты от электромагнитных всплесков в мощных индуктивных элементах;
– как элемент искрогашения в электромоторах и переключателях.
Основные параметры варисторов:
а) Максимально допустимое переменное напряжение. Для варисторов указывается среднеквадратичное значение переменного напряжения, при котором варистор «срабатывает» и начинает пропускать через себя ток, выполняя свои защитные функции;
б) Максимально допустимое постоянное напряжение. Тоже, что и максимально допустимое переменное напряжение, но для постоянного тока. Как правило, величина этого параметра больше, чем для переменного тока. Указывается также в вольтах;
в) Максимальное напряжение ограничения. Это максимальное напряжение, которое способен выдержать варистор без повреждения. При превышении напряжения ограничения варистор выходит из строя.
г) Максимальная поглощаемая энергия. Это величина максимальной энергии импульса, которую может рассеять варистор в виде тепла без угрозы разрушения самого варистора;
д) Время срабатывания – время, за которое варистор переходит из высосокоомного состояния в низкоомное при превышении максимально допустимого напряжения. Для широко распространенных варисторов это значение составляет несколько десятков нс.
е) Допустимое отклонение – допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора.
Рисунок 6.1.1 – Условное обозначение варистора
Позисторы – термосопротивления, которые имеют положительный температурный коэффициент. Предназначены для защиты цепей от перегрузок по току.
Керамические позисторы являются практически вечными предохранителями, работают очень надежно, но имеют несколько более низкое быстродействие, чем полисвич, который изготовлен на основе полимера.
Области применения:
– предохранители в схемах защиты от перегрузок по току и напряжению с
температурой переключения 60…120°С и рабочим напряжением до 300 В;
– переключатели в схемах пусковых устройств, в схемах размагничивания, в схемах задержки;
– элементы встроенной температурной защиты с интервалом рабочих температур 90…160°С;
– термодатчики в схемах измерения и контроля температуры.
Основные параметры:
а) номинальное сопротивление терморезисторов при определенной температуре окружающей среды;
б) температура переключения, соответствующая началу области положительного ТКС;
в) максимальное напряжение - напряжение, которое может быть приложено к позистору длительное время;
г) ток опрокидывания позисторов - минимальный ток через терморезистор, при котором электрическая мощность достаточна для разогрева терморезистора до температуры переключения;
д) ток срабатывания, Iсраб>Iопр и обычно Iсраб~1,4-Iопр;
е) максимальный пусковой ток - максимально допустимый пусковой ток, при превышении которого может произойти разрушение позистора;
ж) номинальный ток - максимальный ток через терморезистор, при котором температура разогрева терморезистора не превышает температуру переключения.
Рисунок 6.1.2 – Условное обозначение позистора
Разрядник – это 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 и, как следствие, короткого замыкания, приводящего к разрушительным последствиям. Для того, чтобы устранить вероятность короткого замыкания, можно применять более надежею изоляцию, но это приводит к значительному увеличению стоимости оборудования. В связи с этим в электрических цепях целесообразно применять разрядники.
Один из электродов крепится на защищаемой цепи, второй электрод заземляется. Пространство между электродами называется искровым промежутком. При определенном значении напряжения между двумя электродами искровой промежуток пробивается, снимая тем самым перенапряжение с защищаемого участка цепи. Одно из основных требований, предъявляемых к разряднику – гарантированная электрическая прочность при промышленной частоте (разрядник не должен пробиваться в нормальном режиме работы).
Основные параметры:
а) номинальное напряжение сети, для работы в которой предназначен разрядник;
б) номинальное напряжение — это действующее максимальное напряжение промышленной частоты, при котором гарантируется надежное гашение дуги разрядника.
в) импульсное пробивное напряжение при предельном разрядном времени 2-20 мкс. Эта характеристика определяет величину напряжения, которое будет действовать на изоляцию электроустановки до срабатывания разрядника;
г) остаточное напряжение на разряднике — напряжение, остающееся на разряднике после его срабатывания при протекании по нему импульса тока заданной формы и длительности;
д) токовая пропускная способность — показывает, сколько импульсов заданной формы пропустит разрядник без ухудшения своих характеристик;
е) длина пути утечки внешней изоляции — характеризует длину пути утечки тока по внешнему изолятору.
Рисунок 6.1.3 – Условное обозначение разрядника (газонаполненного) двух- и трехэлектродного
Супрессоры были созданы для защиты промышленной аппаратуры от разрядов атмосферного электричества. В условиях эксплуатации электронных приборов как промышленного, так и бытового назначения большое значение придается именно защите этих приборов именно от природных электрических импульсов.
У TVS-диодов ярко выраженная нелинейная ВАХ. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа диода, то он перейдет в режим лавинного пробоя. То есть TVS-диод ограничит импульсные напряжения до нормальной величины, и «излишки» уходят на корпус (землю) через диод. До тех пор пока не возникает угроза выхода из строя электронного прибора, TVS-диод не оказывает никакого влияния на работу техники. У этого полупроводникового прибор более высокое быстродействие по сравнению с ограничителями, которые использовались раньше.
Большим минусом этих диодов можно считать большую зависимость максимальной импульсной мощности от длительности импульса. Обычно рассматривается работа TVS-диода при подаче на него импульса с минимальным временем нарастания порядка 10 микросекунд и малой длительностью.
Основные параметры:
а) значение постоянного обратного тока. Это значение максимального обратного тока утечки, который есть у всех диодов;
б) постоянное обратное напряжение;
в) максимальное импульсное напряжение ограничения;
г) максимальный пиковый импульсный ток. Данное значение показывает, какое максимальное значение импульса тока способен выдержать супрессор без разрушения;
д) максимальная допустимая импульсная мощность. Этот параметр показывает, какую мощность может подавить супрессор.
Рисунок 6.1.4 – Условное обозначение супрессора
Таблица 6.1 – 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 | 1.5KE15CA |
| RU1, RU2 | CH2-2A | VS2 | 1.5KE15СA |
Таблица 6.2 – 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 |
Таблица 6.3 – Параметры предохранителя ППН39
| Параметр | Значение |
| Номинальное напряжение. кВ | 0,5 |
| Номинальная отключающая способность, кА | |
| Номинальный ток, А |
Таблица 6.4 – Параметры автоматического выключателя ВА51-37
| Параметр | Значение |
| Номинальный ток, А | |
| Рабочее напряжение, В, до | |
| Номинальный ток тепловых расцепителей, А, до |
Таблица 6.5 – Параметры автоматического выключателя ВА47-29
| Параметр | Значение |
| Номинальный ток, А, до | |
| Номинальная отключающая способность, кА | 4,5 |
| Рабочее напряжение, кВ, до | 0,4 |
Таблица 6.6 – 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 |
Таблица 6.7 – 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 |
Таблица 6.8– Параметры предохранителя ВП1-1
| Параметр | Значение |
| Номинальное напряжение, В | |
| Номинальный ток, А |
Таблица 6.9 – 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 |
Таблица 6.10– Параметры позистора MZ23-25R
| Параметр | Значение |
| Номинальное сопротивление, Ом | |
| Допуск сопротивления | 20% |
| Номинальное напряжение, В | |
| Максимальное рабочее напряжение, В |
Таблица 6.11– Параметры разрядника РКН-600
| Параметр | Значение |
| Статическое напряжение пробоя, В | 500-800 |
| Динамическое напряжение пробоя, В | <2000 |
| Сопротивление электрической цепи,Ом | 0.01 |
| Напряжение погасания | 120 +/-5 |
Таблица 6.12– Параметры варистора СН2-2А
| Параметр | Значение параметра |
| Классифицированный ток, мА | |
| Рабочее напряжение, В | |
| Амплитуда одиночного импульса, кА |
Таблица 6.13– Параметры супрессора 1.5KE15СA
| Параметр | Значение параметра |
| Максимальное постоянное рабочее напряжение, при котором диод закрыт. | 12.8 В |
| Максимальный допустимый импульсный ток в рабочем режиме | 71 А |
| Напряжение открытия | 14.3-15.8 В |
| Время срабатывания | Единицы пикосекунд |
Таблица 6.14 – 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 |
Таблица 6.15 – Параметры супрессора 6KE440СA
| Параметр | Значение |
| Напряжение срабатывания, В | |
| Пиковый ток, А | 3.5 |
| Рассеиваемая мощность, кВт | 1.5 |
Схемы защиты аппаратуры:
Рисунок 6.1 – Схема защиты волновода
Рисунок 6.2 – Схема защиты оборудования связи
Рисунок 6.3 – Схема защиты цепи питания
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 7.1.
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 7.1 – 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.
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.