11.1.3. Влияние атмосферного электричества

Опасному воздействию атмосферного электричества подвержены как воздушные, так и кабельные ЛС. На территории России грозы наблюдаются повсеместно, однако число грозовых дней в различных районах различно. Так, в районах Москвы и С.-Петербурга среднее число грозовых дней в году составляет 20-25. В районах Архангельска, Мурманска число грозовых дней в году не превышает 5-10, а в районах Кавказа число грозовых дней в среднем достигает 40-60, а в некоторых местах - 80 и более.

Вероятное число повреждений кабелей от ударов молнии характеризуется плотностью повреждений, под которой понимается общее число отказов в связи, отнесенных к 100 км трассы кабельной линии в год. Ее можно определить по формуле

, (11.1)

где N — общее число повреждений, равное числу опасных ударов молнии; К — период, за который произошло N повреждений, лет; L — длина трассы, км.

Установлено, что в течение грозового периода в районах с грозодеятельностью 20-25 дней в году на каждые 100 км трассы приходится восемь-десять случаев прямого удара молнии в линию связи.

Опасность повреждений кабельной линии существенно зависит от состояния грунта и проводимости кабельной оболочки. На рис. 10.3 приведен график вероятности числа повреждений кабеля на 100 км в год в зависимости от удельного сопротивления грунта () и сопротивления металлической оболочки (). Из графика видно, что в грунтах с большим сопротивлением (песке, скале, глине, граните и др.) и при больших сопротивлениях оболочки опасность повреждения кабеля возрастает. Грозоповреждаемость кабелей в алюминиевой оболочке, имеющей малое сопротивление, существенно меньше, чем в свинцовой и стальных оболочках.

Молния - это электрический разряд через воздух. Путь, образованный разрядом атмосферного электричества, называется каналом молнии. Канал молнии обладает примерно следующими параметрами: напряжение 1...10 млн. В; ток молнии 20... ... 30 кА; длительность удара молнии 0,3... 0,5 с; число разрядов за один удар 3—10; время одного разряда 100...200 мкс; основная частота колебаний 5...10 кГц; фронт нарастания волны молнии 10...40 мкс; фронт спадания 40... 120 мкс; длина канала молнии 2...3 км; скорость движения лидера 100 км/с; температура в канале молнии 20000° С; волновое сопротивление 300 Ом. На рис. 11.4 показана характерная форма разряда молнии.

Рис. 11.3. Вероятность повреждения кабеля при различных сопротивлениях оболочки и грунта	Рис. 11.4. Характерная форма разряда молнии: 10...40 мкс - время нарастания фронта;= 40...120 мкс - время спада до половины амплитуды

Рис. 11.5. Удар молнии: а - непосредственно в кабель; б - через дерево.

Высокое напряжение на проводах ЛС при грозовых разрядах появляется или вследствие индукции от разряда облака на землю, или в результате непосредственного разряда в линию связи (прямой удар). Чаще молнией поражаются наиболее высокие наземные предметы. Однако молния может ударить и в ровную поверхность земли, устремляясь в область большей электропроводности почвы (рис. 11.5). Если грунт, в котором заложен подземный кабель, имеет большое удельное сопротивление, то разряды молнии, реагируя на наличие в почве хорошо проводящих металлических оболочек кабеля, ударяют в поверхность земли над этим кабелем. Чаще всего повреждения подземных кабелей наблюдаются в грунтах с большим удельным сопротивлением (каменистых, гранитных, песчаных, мерзлых и т. п.).

Провода воздушной ЛС при прямом ударе молнии под действием больших токов могут расплавиться на одном или нескольких пролетах, а деревянные опоры под действием быстро повышающегося давления испаряющейся влаги расщепляются, линейные изоляторы от сильного нагрева пробиваются или разрушаются. Иногда от одного удара молнии разрушается несколько опор. Ток молнии распространяется по земле во все стороны, и если поблизости находится кабель, то большая часть тока может пройти в его металлическую оболочку. Между местом удара молнии и кабелем могут возникнуть большие напряжения и образоваться электрическая дуга, достигающая 30 м, а иногда и больше.

Повреждения кабеля от токов молнии весьма разнообразны. Так, от сильного нагрева расплавляется свинцовая оболочка, сгорает джутовая оплетка, обгорает изоляция, расплавляются жилы кабеля и т. д. Под действием внешних сил, образующихся от давления паров влаги грунта и газов, возникающих при сгорании джутовой оплетки, образуются вмятины на оболочке, прогибы кабеля, разрывы ленточной брони и т. п. Вследствие больших индуктированных напряжений, возникающих между жилами и оболочкой кабеля, пробивается изоляция жил.

Повреждения в подземном кабеле могут возникнуть от токов молнии, попавших в кабель через корни близко растущих деревьев. Воздушные кабели подвержены действию токов молнии, попавших в кабельные опоры или в воздушные провода.

При прохождении кабеля вблизи лесных массивов вероятность повреждения существенно меняется, так как деревья по краю леса будут принимать на себя удары молний с некоторой полосы, прилегающей к лесу. Поэтому число повреждений кабелей с металлической оболочкой, проложенных непосредственно по краю леса, в несколько раз превышает число повреждений кабелей, проложенных на открытой местности. В то же время кабель, находящийся на некотором оптимальном расстоянии от леса, будет защищен им, поэтому число повреждений в данном случае не превысит 5% по сравнению с кабелем, проложенным по открытой местности (при прочих равных условиях).

Оптимальные расстояния, м, приближенно определяют по следующим формулам: (при);(при); гдеh - средняя высота деревьев края леса, м. На участках кабельной линии, где расчетное вероятное число повреждений от ударов молнии больше допустимого, рекомендуется применение грозостойких кабелей, т. е. кабелей с повышенной проводимостью оболочки (алюминий) и повышенной электрической прочностью изоляции, включение в муфтах малогабаритных разрядников и прокладка грозозащитных тросов.

Помимо грозового электричества на работу цепей связи могут оказывать неблагоприятные воздействия магнитные бури. Последние имеют место в результате резкого изменения в отдельные периоды времени напряженности магнитного поля земли и появления значительных разностей потенциалов между удаленными друг от друга точками земной поверхности. Возникающие при этом земляные токи оказывают сильное мешающее действие на работу однопроводных цепей связи (дистанционное питание по системе «провод—земля», цепи сигнализации и т. п.). При длительном прохождении по цепи земные токи могут привести к повреждениям в аппаратуре, установленной на. НУП. На территории России магнитные бури наиболее часто наблюдаются на Северном Урале, Кольском полуострове, в Карелии, Колымском крае.

В некоторых районах Сибири наблюдаются снежные и песчаные метели. Пролетающие при этом с большой скоростью над поверхностью земли мельчайшие песчинки и ледяные кристаллики получают вследствие трения электрические заряды, которые они отдают проводам при столкновении с последними. В результате на проводах воздушных линий создаются перенапряжения, вызывающие помехи.