Скрещивание цепей воздушных линий
Скрещивание цепей, т. е. перемена их проводов местами через определенные расстояния, уменьшает взаимные и внешние влияния, обусловленные поперечной асимметрией, а при подвеске проводов на различном расстоянии от земли (крюковой профиль) и влияние из-за продольной асимметрии.
Уменьшение влияний за счет скрещивания для электрически коротких линий показано на рис. 3.14. Если провод a цепи 2 (рис. 3.14 ,а) расположен ближе к влияющей цепи 1, чем провод б, то ток влияния > . Через нагрузки на концах цепи 2 пройдет результирующий ток влияния. В случае, показанном на рис. 3.14 а, в цепи 2 создается результирующий ток помех
Iрез =Iаб - Iбм ≠0 (3.28)
( б – большая величина тока, м – меньшая величина тока) так как в проводе а, находящемся ближе к влияющей цепи, будет индуцироваться большая помеха, чем в проводе б (Iаб > Iбм ). При скрещивании цепи, показанном на рис. 3.14, б, меняется положение проводов а и б относительно влияющей цепи и результирующий ток будет приближаться к нулю:
Iрез =(Iаб + Iам ) – (Iбб + Iбм ) » 0. (3.29)
Практически равенства нулю не будет, так как из-за затухания токов по длине линии Iаб ¹ Iбб , Iам ¹ Iбм . Из рис. 3.14, в видно, что если обе цепи (1 и 2I) скрещены в одной точке, то эффект скрещивания пропадает и защищенность между ними аналогична защищенности между нескрещенными цепями. Поэтому необходимо скрещивать цепи по различным схемам.
Рис. 3. 14
Те же процессы будут происходить, если скрестить одну из цепей в нескольких точках, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. При этом число участков, на которые будут поделены цепи, должно быть четным. В случае нечетного числа участков всегда остается не скомпенсированный участок, называемый неуравновешенной длиной.
Практически при скрещивании токи влияния одного участка полностью не компенсируются токами влияния другого участка, поскольку токи с различных участков проходят неодинаковый путь и отличаются по амплитуде и фазе.
При подвеске на линии нескольких цепей каждая цепь должна скрещиваться по своей схеме [1-4].
Скрутка кабельных жил. Для уменьшения взаимных и внешних влияний две и более изолированные жилы симметричных кабелей скручиваются в группы парной или четверочной (звездной) скруткой. При рассмотрении влияний между цепями симметричных кабелей различают внутригрупповые (между цепями одной и той же группы) и межгрупповые (между цепями различных групп) электромагнитные связи.
При парной скрутке необходимо учитывать только межгрупповые связи. При четверочной скрутке необходимо рассматривать оба вида связей.
Допустимых значений внутригрупповых связей (влияний) достигают за счет симметричного расположения одной цепи в группе относительно другой (по углам квадрата) и высоких требований к однородности материалов, используемых при изготовлении кабеля. В случае межгрупповых влияний допустимые значения последних, обеспечиваются за счет различных шагов скрутки четверок (в четверке все жилы имеют одинаковый шаг скрутки). Жилы пар, взятых из одной и той же четверки, на всей строительной длине параллельны друг другу. Действие скрутки аналогично скрещиванию проводов на воздушных линиях, и основные положения об электрических процессах, возникающих при скрещивании, справедливы и для скрутки. В настоящее время кроме классической (равномерной однонаправленной) скрутки жил используется скрутка с переменным случайным шагом и разнонаправленная скрутка (SZ-скрутка). Разнонаправленная скрутка допускает совмещение операций, например, скрутку жил в пары и пар в элементарный пучок. Разнонаправленная скрутка бывает волновой, когда направление скрутки изменяется через 1/2 … 3/4, или циклической, когда направление скрутки изменяется после цикла из нескольких витков.
Отличие скрутки от скрещивания заключается в том, что скрещивание устраивают в точках, и расстояния между соседними скрещиваниями могут быть различными (при схеме скрещивания по нескольким индексам), а классическая скрутка представляет собой равномерное, непрерывное вращение жил относительно оси с неизменным шагом по всей длине кабеля. Шагом скрутки называют длину участка, на котором жилы группы совершают полный оборот вокруг оси скручивания. Шаг скрутки соответствует двум шагам скрещивания по схеме с одиночным индексом.
Шаг скрутки желательно выбирать как можно меньше, так как эффективность скрутки будет больше, но с уменьшением шага увеличиваются объем кабеля и длины жил, что невыгодно. Поэтому с учетом требований к гибкости и устойчивости конструкций кабеля длину шагов скрутки в группы принимают равной 100—300 мм.; при выборе шагов повивной скрутки в сердечнике исходят из рекомендуемой кратности шага m=H/D, где Н-шаг скрутки, D-диаметр скручиваемого повива. Кратность шага для высокочастотных симметричных кабелей равна 18-20, для низкочастотных кабелей дальней связи – от 20 (для внешних повивов) до 25 (для внутренних повивов), для пар коаксиальных магистральных кабелей 22-25. Шаги скрутки различных групп должны быть согласованы. Подбор и согласование шагов выполняют по участкам, называемым секциями симметрии или секциями защиты. Длина секции не должна быть более 1/8 длины волны высшей передаваемой частоты.
Если кабель низкочастотный, то при четном числе групп в повиве достаточно взять два согласованных шага I и II и чередовать их. При нечетном числе групп в повиве потребуется три различных шага во избежание появления соседних групп, скрученных с одинаковым шагом. В высокочастотных кабелях шаги скрутки всех групп должны быть неодинаковы и согласованы между собой. Это объясняется тем, что в низкочастотных кабелях влияние между цепями обусловлено только одной емкостной связью, для которой промежуточные группы действуют как экран. В высокочастотных кабелях необходимо считаться со всеми видами связи.
Для уменьшения влияния между группами, находящимися в соседних повивах, последние скручивают в разные стороны, и шаги их скрутки согласовывают с шагами скрутки групп. При пучковой скрутке (городские кабели) повивы в пучках скручивают в одну сторону, что позволяет уменьшить сечение сердечника кабеля. Для обеспечения механической устойчивости при такой скрутке направление скрутки всего сердечника противоположно направлению скрутки его пучков.
Принятых мер по уменьшению влияний при изготовлении кабелей оказывается недостаточно для обеспечения требуемого качества каналов связи, поэтому во время монтажных работ выполняют симметрирование кабельной магистрали.
Симметрирование кабелей.Кабельные цепи в строительных длинах одного и того же типа кабеля всегда имеют различные электрические характеристики (в допустимых пределах по техническим условиям), 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 симметрирование - комплекс мероприятий, направленных на уменьшение влияний.
Способы симметрирования. Взаимные влияния возникают в результате наличия между цепями электромагнитных связей. При этом в низкочастотных (до 4 кГц) кабелях преобладают электрические связи, а в высокочастотных - электромагнитные комплексные связи. Исходя из этого в НЧ кабелях достаточно проводить симметрирование емкостных связей; в ВЧ кабелях необходимо симметрировать все составляющие (активные и реактивные) электрических и магнитных связей. Для симметрирования НЧ кабелей применяют метод скрещивания жил и конденсаторный метод. Симметрирование ВЧ кабелей производят методами скрещивания жил и концентрированного симметрирования контурами противосвязи.
Сущность симметрирования скрещиванием жил заключается в компенсации электромагнитных связей между цепями на одном участке кабельной линии связями другого участка. Компенсация объясняется тем, что при скрещивании связи изменяют свой знак.
При симметрировании конденсаторным методом последние устанавливают в промежуточной муфте (рис. 2.28), соединяющей два участка кабельной линии, и включают между жилами цепей (жилы 1,2 – первая цепь, 3,4 - вторая цепь). Емкость их выбирают такой, чтобы сумма частичных емкостей С13+С24 (рис.3.15) была близка к сумме С14+С23 . В случае равенства сумм достигается равновесие электрического моста, и емкостная связь равна нулю.
Рис.3.15
Концентрированное 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 взаимовлияющих цепей.
Методика симметрирования высокочастотных и низкочастотных цепей различна. Высокочастотные цепи имеют большое затухание на высоких частотах, а токи влияния на ближний конец 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. Низкочастотные кабели симметрируют небольшими участками, называемыми шагами симметрирования: участки кабельной линии, состоящие из нескольких строительных длин общей протяженностью до 4 км. Обычно длину шага симметрирования низкочастотных кабелей принимают равной 2 км.
В железнодорожных кабелях дальней связи имеются высоко- и низкочастотные четверки. При симметрировании таких кабелей приходится применять оба метода.
3.4Меры защиты подземных кабелей от коррозии
Виды коррозии
Коррозия - процесс разрушения металлических оболочек кабелей (свинцовых, стальных, алюминиевых), а также защитных и экранирующих покровов (стальной брони, медных и алюминиевых экранов) вследствие химического, механического и электрического воздействия окружающей среды. Различают следующие виды коррозии: почвенную (электрохимическую), межкристаллитную (механическую) и электрокоррозию (коррозию блуждающими токами).
Коррозия оболочек приводит к потере герметичности кабелей связи, ухудшению их электрических свойств и в ряде случаев выводит кабель из строя. Разрушающее действие коррозии характеризуется следующими данными: ток силой в 1А блуждающий в земле приводит к потере в течение года 12 кг стали, 36 кг свинца, 100 кг алюминия.
В зависимости от характера взаимодействия оболочки кабеля и почвы, в которой он находится, а также от прохождения блуждающего тока, вдоль кабеля образуются анодные, катодные или знакопеременные зоны.
Анодной зоной называется участок кабеля, на котором он имеет положительный электрический потенциал по отношению к окружающей среде. В этой зоне токи стекают с оболочки, унося частицы металла и разрушая ее.
Катодной зоной называется участок, на котором кабель имеет отрицательный электрический потенциал по отношению к окружающей среде. В этой зоне ток втекает в оболочку, не создавая опасности ее разрушения.
Знакопеременной зоной называется участок, на котором имеет место чередование положительных и отрицательных потенциалов по отношению к земле.
Кабельные оболочки подвержены действию почвенной, межкристаллитной и электрической коррозии. Почвенной коррозией называется процесс разрушения металлической оболочки кабеля, вызванный электрохимическим взаимодействием металла с окружающей его почвой. Основными причинами, вызывающими почвенную коррозию, являются: содержание в почве влаги, органических веществ, солей, кислот, щелочей, неоднородность оболочки кабеля, неоднородность химического состава грунта, соприкасающегося с оболочкой кабеля, неравномерное проникновение кислорода воздуха к оболочке кабеля. В результате на поверхности металла образуются гальванические пары, что сопровождается циркуляцией тока между металлом и окружающей средой. В местах выхода токов из оболочки кабеля в грунт образуются анодные зоны, в которых и происходит разрушение оболочки.
Интенсивность коррозии зависит от степени агрессивности среды, которая характеризуется двумя параметрами: удельным сопротивлением грунта и химической характеристикой грунта по кислотному содержанию рН (рН — это кислотное число, характеризующее число ионов водорода в единице объема грунта).
По удельному сопротивлению грунты подразделяются на три категорий [1]:
- низкоагрессивные (песчаные, глинистые, каменистые);
- среднеагрессивные (суглинистые, лесные, слабый чернозем);
- высокоагрессивные (торф, известь, чернозем, перегной, мусор)
Следует иметь в виду, что различные металлы по-разному ведут себя в различных грунтах. Свинец разрушается главным образом в щелочных средах, а также в кислотных средах при потенциале выше -1,5 В. Алюминий подвержен весьма интенсивной коррозии в обеих средах. На сталь агрессивно действует кислотная среда и меньше влияет щелочная.
Межкристаллитная коррозия возникает вследствие вибрации кабеля при его транспортировке на значительные расстояния, прокладке кабеля вблизи железных дорог с большим грузовым движением, на мостах автомобильных и железных дорог, а также при подвеске на опорах воздушных линий.
Электрическая коррозия - это процесс разрушения металлической оболочки кабеля блуждающими токами в земле. Источниками блуждающих токов могут быть рельсовые пути электрифицированных железных дорог, метрополитена, трамвая и установок дистанционного питания, использующих в качестве обратного провода землю.
На электрифицированных железных дорогах и трамвайных сетях питающий ток, возвращаясь по рельсам к питающей подстанции, частично ответвляется в землю. Проходя по земле и встречая на своем пути металлическую оболочку кабеля, ток распространяется по этой оболочке (рис. 3.16), а затем сходит с оболочки в землю и к рельсу, чтобы возвратиться к другому полюсу генератора.
Рис. 3.16
Те участки кабеля, на которых блуждающие токи входят из земли в кабель, образуют катодную зону: участки кабеля, на которых блуждающие токи выходят из кабеля в землю, образуют анодную зону, где и происходит разрушение оболочки кабеля.
Интенсивность электрокоррозии металлической оболочки зависит от тока и напряжения в ней. По действующим нормам напряжение и плотность тока не должны превышать: UK < -0,9 В; IК < 0,15 мА/дм2. При больших значениях IК и UK требуется защита кабеля от коррозии.
На электрифицированных железных дорогах возможны два варианта заземления источников питания: заземление отрицательного электрода, при электрификации на переменном токе, и заземление положительного электрода (пригородная железная дорога).
В первом случае точно известна анодная зона (зона разрушения кабеля), и можно осуществлять его защиту. Во втором случае анодная зона перемещается вдоль кабеля вместе с движением электропоезда. Кабель подвержен опасности разрушения на всем пути, и трудно реализовать защитные меры. Поэтому необходимо иметь заземление отрицательного электрода источников питания.