12.4 Методы защиты от влияния электрифицированных железных дорог переменного тока
Наибольшие трудности при прокладке вблизи электрифицированных железных дорог вызывает оптические кабели связи с пассивными и активными металлическими элементами (жилами для передачи служебных информационных сигналов и дистанционного питания), так как больших металлическими элементами и выход ОКС из строя.
Существуют косвенные воздействия на оптические волокна (ОВ):
воздействие электрического поля на диэлектрические элементы ОКС и их разрушение во времени;
электрический пробой в виде дуги между металлическими элементами и разрушение ОВ;
перегрев металлических элементов при протекании больших токов, повышение температуры на поверхности защитных полимерных элементов ОВ выше 200°С и потери прочности;
нарушение герметичности ОВ в конструкциях ОКС, проникновение влаги и коррозия ОВ;
воздействие сильных электромагнитных полей на конструкцию с ОВ и потери механических характеристик ОК во времени.
При проектировании ОКС для прокладки вдоль электрифицированных железных дорог переменного тока возможно несколько решений:
подвеска оптического кабеля без активных металлических элементов на конструкции контактной сети (используется как чисто диэлектрическая конструкция, так и с металлическими армирующими элементами);
прокладка ОКС в теле полотна электрифицированной железной дороги;
прокладка параллельно железной дороге в зоне отчуждения или за ее пределами.
Напряжение, наводимые на металлических активных элементах ОК, представляют опасность для обслуживающего персонала, кабеля и аппаратуры. Напряжение, наводимые на пассивных элементах СК, могут представлять опасность для персонала и кабеля.
Для защиты персонала допустимые индуцированные напряжения по отношению к земле не должны превышать 36 В в нормальном режиме тяговой сети, в случае принятия специальных мер по защите и технике безопасности в вынужденном режиме тяговой сети они должны соответствовать рабочему напряжению жил кабеля связи, а в аварийном режиме - 0,6 испытательного напряжения металлических жил кабеля.
Расчеты показывают, что в каждом конкретном случае сближения с электрифицированной железной дорогой необходимо принимать меры защиты. Применяются традиционные мероприятия по защите: относ трассы, экранирование, заземление, специальные защитные устройства.
Экранирование и заземление требует больших затрат в случае наличия активных металлических элементов. В ОК при наличии только пассивных элементов проблему защиты персонала и кабеля можно решить путем заземления этих элементов с учетом проведенных расчетов или их изоляцией от земли и разрывом через определенный интервал.
По концам регенерационного участка по условиям техники безопасности персонала, аппаратуры и кабеля пассивные металлические элементы заземляются.
При пересечении ОКС с электрифицированными железными дорогами расстояние между кабелем и подошвой рельса должно быть не менее 1 м.
12.5 Защита окс от ударов молнии
При проектировании защиты ВОК от ударов молнии учитываются следующие факторы:
соотношение допустимого и расчетного вероятного числа опасных ударов молнии (допустимой и вероятной плотности повреждения кабеля) на 100 км трассы за год;
интенсивность грозовой деятельности;
удельное сопротивление грунта и его геологическое строение;
молниестойкость кабеля.
Опасным ударом молнии называется такой удар, при котором возникает повреждение ОК с перерывом связи.
Допустимое число опасных ударов молнии на 100 км трассы в год (допустимая плотность повреждений) составляет:
0,1 - в горных районах и районах со скальным грунтом (при удельном сопротивлении грунта свыше 500 Ом*м), а также в районах вечной мерзлоты;
0,2 - в остальных районах.
Интенсивность грозовой деятельности характеризуется удельной плотностью ударов молнии в землю, д, 1/км2*год (ожидаемым числом ударов молнии в 1 км2 поверхности земли за год).
Таблица 12.6 – Удельная плотность ударов молнии.
Среднегодовая продолжительность гроз определяется по карте среднегодовой продолжительности гроз в часах либо по данным метеостанций.
Молниестойкость кабеля определяется допустимым током молнии в металлической оболочке, при котором не возникает повреждений с перерывом связи.
Средний ток молнии характеризуется следующими данными: величина при грозовом разряде 30 кА, форма импульса 5/65 мкс.
Кабели разделяются на 4 категории по молннестойкости.
Таблица 12.7 – Категории кабелей по молниестойкости
Кабели IV категории по молниестойкости на магистральной сети связи не применяются.
Вероятное число повреждений кабеля (число опасных ударов молнии в кабель) на 100 км трассы в год, проложенного в открытой местности или сплошном лесу (при ширине просеки не более 6 м):
n0=n1q/2, (12.4)
где n0-вероятное число повреждений кабеля на 100 км трассы за год (вероятная плотность повреждений), сравниваемое с допустимым;
q - удельная плотность ударов молнии в землю, 1/км2*год;
n1 - вероятное число повреждений кабеля на 100 км трассы за год (вероятная плотность повреждений) при q=2.
При заказе ОК по импорту необходимо потребовать от поставщика данные о максимально допустимом токе молнии, выдерживаемом поставляемым кабелем без повреждений, и электрической прочности изоляции между металлическими покровами и землей.
Например, оптические кабели типа 2 и 3 фирмы Siemens и типа 3 фирмы Фуджикура в соответствии с результатами испытаний на молниестойкость выдержали без повреждений ток молнии 150 кА (испытательные импульсы 150 кА с временными параметрами 40/150 мкс).
В случае приближения трассы кабеля к лесу (при прохождении по опушке леса, в просеке шириной более 6 м) необходимо учитывать увеличение вероятной плотности опасных ударов молнии по сравнению с определенной без учета леса.
Оптимальное с точки зрения грозозащиты кабеля расстояние между лесом и кабелем (Lопт) в зависимости от средней высоты деревьев (h) на краю леса определяется из следующих соотношений:
h=10м Lопт≈1,5h
h=20м Lопт≈1,25h
h=30 м Lопт ≈ h
При прохождении кабеля в просеке шириной не более 6м лес во внимание не принимается, расчет вероятной плотности повреждений производится, как для открытой местности.
Защита ОКС второго типа от ударов молнии может быть осуществлен следующими способами:
путем прокладки ОК повышенной молннестойкости;
с помощью проложенных в земле параллельно ОКС защитных проводов (тросов).
Защитное действие проложенных в земле проводов оцениваются коэффициентом защитного действия Sпр, показывающим отношение вероятного числа повреждений ОКС при наличии защитного провода к вероятному числу повреждений при его отсутствии.
Если ОКС проложен по открытой местности, а по условиям расчета выбран один защитный провод, последний прокладывается над кабелем.
Если по условиям расчета выбраны два защитных провода, последние прокладываются симметрично над кабелем с расстоянием между проводами от 0,4 до 4 м.
В каждом конкретном случае расстояние выбирается проектными организациями.
Защита наиболее эффективна при прокладке проводов на расстоянии 2 м друг от друга, если удельное сопротивление грунта не более 1000 Ом*м, и 4 м, если удельное сопротивление грунта более 1000 Ом*м.
Защита оптического кабеля с помощью проводов в количестве более двух не предусматривается.
Если ОКС проложен вдоль леса, а между ОКС и лесом по условиям расчета необходимо проложить защитный провод, последний прокладывается на расстоянии 1 м от кабеля при удельном сопротивлении грунта менее 1000 Ом*м и 2 м от кабеля при удельном сопротивлении грунта более 1000 Ом*м.
Также прокладывается защитный провод при прокладке кабеля вдоль ВЛС, ЛЭП, аллеи деревьев.
В этом случае наименьшее допустимое расстояния Lмин от кабеля до опор и деревьев, при соблюдении которых защита не требуется, составляет:
Таблица 12.8 – Допустимое расстояние от кабеля до опор и деревьев.
Защитные провода прокладываются на глубине 0,4 м от поверхности земли. В грунтах V группы и выше, а также в грунтах IV группы, разрабатываемых взрывным способом или отбойными молотками, защитные провода прокладываются на глубине, равной половине глубины прокладки кабеля.
Защитные провода с бронепокровом (оболочкой) ОКС не соединяются.
Защитный провод должен заканчиваться на расстоянии не менее 25 м от регенерационного пункта (НРП, ОРП), продление защитного провода на соседний регенерационный участок мимо НРП недопустимо.
Специальные заземления по длине защитного провода не делаются.
На каждом участке защитные провода плавно (с радиусом не менее 3 м) отводятся в сторону от ВОК под прямым углом на расстояние, равное 15м.
На концах провода оборудуются заземлители с сопротивлением 10 Ом, 20 Ом, 30 Ом, 50 Ом, 60 Ом при удельном сопротивлении грунта до 100 Ом*м, от 100 до 300 Ом*м, от 300 до 500 Ом*м, от 500 до 1000 Ом*м, свыше 1000 Ом*м соответственно.
Диаметр защитного провода должен быть не менее 4 мм для биметаллического провода и не менее 9,4 мм для стального оцинкованного провода (соответствует проводу ПС-70).
Для замены одного провода типа ПС-70 стальными проводами другого типа необходимо применять оцинкованные провода такого диаметра и в таком количестве, чтобы общее их сечение было не менее 70 мм2.
При этом провода должны прокладываться вместе в одной траншее по возможности ближе друг к другу (пучком).
Таблица 12.9 – Число проводов в зависимости от сечения и диаметра.
При сближении трассы ВОК с одиночными деревьями, опорами ВЛС и ЛЭП при пересечении, с другими возвышенными предметами высотой более 6 м защита осуществляется с помощью прокладки защитной шины из провода ПС-70.
Мероприятия по защите ВОК от ударов молнии должны сочетаться с мероприятиями по защите от токов короткого замыкания, если имеют место сближения и пересечения с ЛЭП напряжением 110 кВ и выше.
В курсовом проекте студенты, выбравшие оптический кабель с металлическими элементами, должны предусмотреть защиту от электромагнитных влияний и дать соответствующие рекомендации.
Проектирование заземлений
Защитное заземляющее устройство предназначено для соединения с землей разрядников, экранов аппаратуры и проводов внутристанционного монтажа, металлических оболочек и бронепокровов кабеля, металлических частей силового оборудования и другого оборудования, которое нормально не находится под напряжением, но может оказаться под напряжением при повреждении изоляции токоведущих проводов. Защитные заземляющие устройства обеспечивают выравнивание потенциалов металлических частей оборудования с потенциалом земли и тем самым обеспечивают защиту обслуживающего персонала и аппаратуры от возникновения на них основной разности потенциалов по отношению к земле.
Заземление осуществляется с помощью заземлителя – металлического проводника или группы проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей и заземляющих проводников - металлических проводников, соединяющих электроустановки с заземлителями.
При проектировании заземляющих устройств на линейных сооружениях связи следует руководствоваться требованиями и нормами ГОСТ 464-79, "Руководством по проектированию, строительству и эксплуатации заземлений в установках проводной связи и радиотрансляционных узлов", Минсвязи СССР, а также "Рекомендации по вопросам оборудования заземлений и заземляющих проводок ЛАЦ и НУП Минсвязи СССР, ГОСТ - 464 - 93 «Заземления для стационарных установок проводной связи, радиорелейных станций, радиотрансляционных узлов и антенн коллективного приема телевидения».
Заземляющие устройства линейных сооружений
На волоконно-оптических кабельных линиях связи корпуса НРП должны быть подключены к специально оборудованным заземляющим устройствам, сопротивлением 10 Ом для грунтов с удельным сопротивлением 100 Ом*м и не более 30 Ом для грунтов с удельным сопротивлением более 100 Ом*м.
В качестве заземлителей, как правило, должны предусматриваться:
° металлические стержни длиной 5 м и диаметром 12 мм - в грунтах с удельным сопротивлением до 200 Ом*м;
° металлические стержни длиной 2,5 м из угловой стали 50x50x5 - в грунтах с удельным сопротивлением свыше 200 Ом*м.
Верхний конец электродов заглубляют в землю на 0,5-0,7 м. Расстояние между электродами должно быть 5 м. Число электродов в контуре заземления зависит от удельного сопротивления грунта и определяется проектом.
При числе электродов до 12 - контур заземления, как правило, должен быть однорядным, а более 12 - многорядным. Расстояние между рядами многорядного контура должно быть, не менее половины длины одного ряда. Число электродов следует уточнять по результантам измерений сопротивления заземления при последовательном наращивании устанавливаемых электродов и может отличаться от запроектированного.
Отдельные электроды (заземлители) контура соединяются между собой стальной шиной сечением 40х4, прокладываемой на ребро на глубине 0,5-0,7 м от поверхности земли и привариваемой к электродам.
В грунтах с высоким удельным сопротивлением (песок, супесок, песчаник, галька) и при невозможности достижения необходимого сопротивления заземления следует производить обработку котлованов для вертикальных заземлителей (предусматривается проектом).
Для обработки следует применять соли, не увеличивающие коррозию стали ¾ нитрат натрия и гидрат окиси кальция; не следует применять хлористый натрий, хлористый кальций, купоросы и т.д.
Станционные заземляющие устройства
Для устройства заземлений должны применяться:
вертикальные заземлители (электроды) из угловой стали с толщиной стенки не менее 4 мм или стальные стержни диаметром 10-16 мм. Длина электродов из угловой стали 2,5-3 м, стержневых электродов 4,5-5 м;
горизонтальные заземлители ¾ из круглой стали диаметром не менее 10 мм, стальных полос или листа толщиной не менее 4 мм. Заземлители для высокочастотных станционных заземлении выполняются из медной ленты или листа.
Для погружения вертикальных заземлителей и прокладки соединительных проводников по контуру заземления должна быть отрыта траншея шириной в верхней части 0,35 м, в нижней ¾ 0,25 м и глубиной 0,7-0,8 м. Заземлители должны погружаться в грунт до глубины от верхнего конца электрода до дна траншеи 0,1 м и до поверхности земли 0,6-0,7 м. Заземлители не следует располагать в местах, где грунт подсушивается, под действием трубопроводов теплоснабжения или других источников тепла.
Вертикальные заземлители следует соединять между собой стальной полосой 40х4 мм или круглой сталью диаметром 10-12 мм, привариваемыми к ним на 30 мм ниже верхнего конца.
Горизонтальные заземлители и наружные заземляющие проводники, соединяющие заземления с щитками заземлении в помещениях, должны прокладываться, на глубине не менее 0,7 м.