Лекция 18. влияния высоковольтных цепей на цепи автоматики, телемеханики и связи

1.Общие определения

Воздушные и кабельные линии автоматики, телемеханики и связи прокладывают около железнодорожного полотна (в полосе отвода). Их располагают в непосредственной близости от тяговых сетей электрифицированных железнодорожных участков, высоковольтно-сигнальных линий автоблокировки и линий продольного энергоснабжения. На отдельных участках вблизи них проходят высоковольтные линии электропередачи других ведомств.

Влияния высоковольтных цепей на цепи автоматики, телемеханики и связи принято называть внешними.

На воздушных и кабельных линиях практически всегда объединяют различные цепи автоматики, телемеханики и связи. Влияния между соседними цепями одной линии (воздушной или кабельной) называют взаимными.

В цепях могут индуцироваться опасные и мешающие напряжения и токи. Поэтому в современных условиях остро стоит вопрос об электромагнитной совместимости цепей и систем передачи информации.

Электромагнитная совместимость обеспечивается только тогда, когда индуцируемые напряжения и токи не превышают предельно допустимых значений (ПДЗ). Поэтому возникает необходимость оценки характера и интенсивности возможных опасных и мешающих влияний на любые цепи и определения их значений, частотного состава, вероятности их возникновения и т.п. Основным понятием в расчетах этих влияний является сближение, под которым понимают такое взаимное расположение линий, когда линии автоматики, телемеханики и связи находятся в зоне заметного влияния высоковольтных линий.

Для упрощения исследований и расчетов индуктивные влияния условно разделяют на электрические и магнитные.

Электрическое влияние обусловлено наличием переменного электрического поля (вокруг влияющего провода 1 рис.1.), несущего заряды и находящегося под напряжением относительно земли. На проводе 2, оказавшемся в зоне действия этого поля, по закону электрической индукции наводятся заряды . Если провод 2 замкнут на землю через нагрузку , заряды стекают в землю, вызывая в нагрузках переменный ток , который и является током электрического влияния.

Рис. 1

Магнитное влияние обусловлено наличием переменного магнитного поля вокруг провода 1 , по которому протекает ток (рис.2). В проводе 2 , который пересекают силовые линии магнитного поля провода 1, по закону магнитной индукции наводится э.д.с. , и, как следствие, переменный ток противоположного по отношению к току напряжения, который и является током магнитного влияния.

Рис. 2

Условное разделение единого электромагнитного поля на электрическое и магнитное удобно, потому что в ряде случаев одна из составляющих может быть пренебрежимо мала по сравнению с другой. Если по условиям сближения необходимо учитывать обе составляющие влияния, их совместное действие можно определить, используя принцип наложения.

Напряжения и токи, индуцированные в цепях автоматики, телемеханики и связи внешним электромагнитным полем, по силе воздействия разделяют на опасные и мешающие. Опасные влияния могут вызывать поражения обслуживающего персонала и абонентов связи, повреждения аппаратуры, пожар в служебных помещениях и т.д. Такие влияния имеют место со стороны цепей высоковольтных линий и тяговых сетей электрических железных дорог. Мешающие влияния частично или полностью нарушают нормальную работу, вызывают помехи в каналах, приводят к неправильному восприятию сигналов и т.д.

Для практически встречающихся случаев сближений условия влияния могут быть изучены, и для каждого типа влияющих цепей можно определить те режимы работы и составляющие влияния, которые необходимо учитывать при выборе средств защиты.

2. Характеристики влияющих цепей

На практике влияющими могут оказаться цепи высоковольтных линий электропередачи, в том числе линии продольного электроснабжения и высоковольтные цепи ВСЛ СЦБ, тяговые сети электрических железных дорог и соседние цепи автоматики, телемеханики и связи. Рассмотрим общие характеристики этих цепей как влияющих. Высоковольтные линии разделяются на линии дальних передач и распределительные сети. Высоковольтные линии, служащие для передачи энергии на большие расстояния, имеют напряжения от 35 до 750 кВ трехфазного переменного тока частотой 50 Гц или 800…1500 кВ постоянного тока. Цепи распределительные ВЛ электрических сетей - только трехфазные, чаще всего напряжением 6 или 10 кВ.

Высоковольтные линии могут быть воздушными и кабельными. Преимущественное распространение получили воздушные линии. На одной ВЛ обычно подвешивают одну или две трехфазные цепи. Провода на опорах ВЛ могут быть расположены треугольником, “прямой елкой”, “обратной елкой” или горизонтально (рис.3). Расстояния между проводами и высота подвеса зависят от напряжения цепей ВЛ.

Рис. 3

Цепи ВЛ подключаются к линейным обмоткам трансформаторов повышающих или понижающих подстанций. Если линейные обмотки трансформаторов Т1 и Т2, соединенные обычно в «звезду», имеют нейтраль, изолированную от земли, то ВЛ называется линией передачи с изолированной нейтралью (рис.4, а).

Рис. 4

Если нейтрали заземлены, то ВЛ называют линией передачи с заземленной нейтралью (рис.4, б). Значительно реже применяют несимметричную систему «два провода-земля» (рис.4, в).

Линии электропередачи постоянного тока бывают двухпроводные («провод-провод») и однопроводные («провод-земля»).

Тяговые сети электрических железных дорог служат для передачи электрической энергии от тяговых подстанций к электровозам. Их подразделяют на сети постоянного (выпрямленного) тока напряжением 3300 В и однофазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 25…27 кВ. В тяговых сетях одним проводом служат контактные провода вместе с несущими и усиливающими тросами, а другим - параллельно работающие рельсы и земля.

Питание тяговых сетей может быть одно- и двусторонним. При одностороннем питании участок тяговой сети получает питание на всей протяженности с одной стороны от тяговой подстанции. При двустороннем питании, участок тяговой сети, состоящий из двух плеч, соединяемых постом секционирования, нормально получает питание с двух сторон от тяговых подстанций; при этом нагрузочные токи сдвинуты пространственно примерно на 180°.

Цепи автоматики, телемеханики и связи воздушных и кабельных линий по схемам могут быть двухпроводными, однопроводными и наложенными (искусственными, см. рис.1, 2, лекц. 4).

Симметричные и несимметричные цепи. Для характеристики цепей как влияющих их удобно разделить на симметричные и несимметричные. К симметричным относят однофазные двухпроводные и трехфазные трехпроводные цепи, а к несимметричным - все цепи, использующие землю в качестве одного из рабочих проводов. Симметричные цепи в нормальном режиме работы могут оказывать только мешающие влияния, а несимметричные - опасные и мешающие в зависимости от рабочих напряжений и токов, условий сближения и других факторов. Объясняется это следующим.

Если цепи симметричные, т.е. такие, у которых напряжения и токи во всех проводах одинаковы и сдвинуты по фазе на 180° в двухпроводных и на 120° в трехфазных трехпроводных цепях, то энергия по таким цепям распространяется электромагнитным полем (см. рис.5, лекц.6), связанным со всеми проводами цепи. Как говорят, энергия передается в межфазовом тракте или тракте «провод-провод» (в двухпроводной цепи).

Напряженность в любой точке электромагнитного поля, действующего в пространстве, окружающем симметричную цепь, обусловлена воздействием электромагнитных полей всех проводов цепи. Поэтому эта напряженность будет всегда меньше, чем напряженность поля, обусловленная напряжением и током каждого провода цепи в отдельности (рис.5). Если - векторы напряженности электрического и магнитного полей соответственно проводов 1 и 2 двухпроводной влияющей цепи в точке пространства, то - результирующие векторы напряженности полей цепи в той же точке. Поэтому внешнее электромагнитное поле симметричной цепи является частично уравновешенным и тем в большей степени, чем меньше расстояние между проводами влияющей цепи или чем дальше расположена рассматриваемая точка от проводов этой цепи.

Рис. 5

По несимметричным цепям энергия распространяется в тракте «провод (два провода) - земля», поскольку земля служит одним из рабочих проводов цепи. Ток в земле, удельное сопротивление которой значительно выше, чем у металлов, растекается по большой площади поперечного сечения и в глубину. Если вместо растекающегося по земле тока представить ток, сосредоточенный и текущий по эквивалентному проводу, расположенному в середине площади растекания тока, то этот эквивалентный провод будет залегать на большой глубине. Расстояние между физическим и эквивалентным проводами будет во много раз больше, чем расстояние между проводами реальных симметричных цепей. Электромагнитное поле несимметричных цепей всегда будет значительно более неуравновешенным, чем симметричных. Поэтому несимметричные цепи в зависимости от рабочих напряжений и токов, условий сближения и других факторов могут оказывать опасное и мешающее влияние. Симметричные цепи могут вызывать только мешающие влияния.

Практически полностью симметричных цепей нет. Все реальные двухпроводные и трехфазные трехпроводные цепи называют симметричными, но в действительности они только частично симметричны. Объясняется это тем, что электрические параметры проводов, из которых образуются цепи, всегда различны из-за наличия сварок, спаек, допусков по диаметру, различного расположения относительно земли и других причин. Неодинаковость электрических параметров проводов цепи называют продольной асимметрией, вследствие которой напряжения и токи в проводах будут неодинаковы и со сдвигом по фазе, отличающимся от 180 или 120°. В результате энергия будет распространяться не только в межпроводном тракте, но и в тракте «два (три) провода - земля». Силовые линии электромагнитного поля этого тракта двухпроводной цепи показаны на рис.6.

Рис. 6

Таким образом, каждая реальная симметричная цепь может быть представлена как объединение двух влияющих цепей - одной симметричной с напряжением и током и другой несимметричной с напряжением и током (рис.7). Напряжение и ток называют напряжением и током нулевой последовательности.

Рис.7

На симметричность цепей влияет не только продольная асимметрия цепи, но и несимметричность относительно земли генератора и приемника, а в трехфазных цепях еще и неравномерная загрузка фаз.

При определении влияний высоковольтных цепей необходимо учитывать не только нормальный режим работы, но и аварийный. В случае замыкания на землю провода несимметричной цепи или симметричной трехфазной с заземленной нейтралью может возникнуть ток короткого замыкания. Симметричные трехфазные цепи с изолированной нейтралью при таком повреждении становятся несимметричными (рис.8,а).Во всех высоковольтных цепях и тяговых сетях переменного тока, кроме основной гармоники напряжения и тока частотой 50 Гц, всегда имеются гармонические составляющие высшего порядка. Они вызывают индуцированные напряжения и токи в цепях, подверженных влиянию. Если основная гармоника может вызвать появление опасных напряжений и токов, то высшие гармонические составляющие могут индуцировать мешающие напряжения и токи в цепях, работающих в том же спектре частот.

Рис. 8

Трехфазные цепи высоковольтных линий с заземленной нейтралью. Это чаще всего линии напряжением 35 кВ и выше, передающие энергию переменного тока частотой 50 Гц на значительные расстояния. Линии ВЛ с заземленной нейтралью частично симметричные и в нормальном режиме могут оказывать только мешающие влияния, обусловленные как фазными напряжениями и токами, так и напряжением и током нулевой последовательности. Удельный вес тех и других влияний неодинаков и зависит от условий сближения и других причин.

В аварийном режиме (при замыкании фазы на землю) эти цепи ВЛ с заземленной нейтралью становятся несимметричными. В поврежденной фазе возникает большой ток короткого замыкания (рис.8, б). который может оказать опасное магнитное влияние. Особенностью такого влияния является его большая мощность и кратковременность. Через 0,15-0,6 с после появления короткого замыкания сработает автоматическая защита, и линия будет выключена.

Трехфазные цепи высоковольтных линий с изолированной нейтралью. К ним относятся главным образом распределительные линии напряжением 6…10 кВ, в том числе и высоковольтные цепи ВЛ автоблокировки и цепи ВЛ продольного электроснабжения.

При заземлении одной фазы резко возрастает напряжение относительно земли (см.рис.8, а), т.е. , где - линейное напряжение. Аварийный режим может продолжаться длительное время, так как заземление одной фазы не нарушает электроснабжения. В это время такие ВЛ могут оказывать опасное электрическое и одновременно мешающие влияния, вызванные не только напряжением нулевой последовательности, но и током нулевой последовательности, а также фазными напряжениями и токами.

Трехфазные цепи высоковольтной линии «два провода - земля». Эти цепи относятся к несимметричным цепям и поэтому даже в нормальном режиме могут оказывать опасные и мешающие электрические и магнитные влияния, а при замыкании одного из проводов на землю опасные магнитные влияния будут аналогичны влияниям трехфазных цепей ВЛ с заземленной нейтралью.

Тяговые сети электрических железных дорог переменного тока. Названные сети могут оказывать на цепи автоматики, телемеханики и связи магнитное, электрическое и гальваническое влияния. Магнитному влиянию подвержены цепи как воздушных, так и кабельных линий. Электрическому влиянию подвержены цепи воздушных линий и воздушных кабельных линий с использованием кабелей без металлической оболочки. Гальваническому влиянию подвержены заземленные металлические оболочки кабелей и цепи, использующие землю в качестве обратного провода.

Величина влияний на цепи автоматики, телемеханики и связи зависит : от схемы питания и нагрузочного режима работы тяговой сети, параметров тяговой сети и высоковольтной линии внешнего электроснабжения, параметров оборудования тяговых подстанций и электроподвижных составов, длины и ширины сближения тяговой сети и подверженной влиянию линии, параметров цепей линии передачи, восприимчивости цепей к помехам, взаимного расположения всех элементов тяговой сети по отношению к цепям подверженным влиянию.

При электротяге переменного тока в тяговую сеть подается однофазный переменный ток частотой 50 Гц напряжением 25…27 кВ. Электровозы обычно оборудуют понижающими трансформаторами, выпрямительными устройствами и двигателями постоянного тока. Выпрямительные устройства ухудшают форму кривой тока в тяговой сети, что увеличивает мешающее влияние гармонических составляющих.

Вторые концы обмоток, питающих тяговую сеть трансформаторов, подключают к рельсам, как к обратному проводу. Однако сопротивление рельсов оказывается соизмеримым с сопротивлением между рельсами и землей, и по мере удаления электровозов от тяговых подстанций все большая часть обратного тока стекает с рельсов в землю. Из земли в рельсы ток возвращается в районах тяговых подстанций ТП (рис.9). Ток в рельсах 2, расположенных относительно близко к контактному проводу 1, течет в обратном направлении относительно тока , и его электромагнитное поле ослабляет влияние контактного провода на цепи связи. Результирующие влияния не равны нулю, но меньше, чем влияния одного контактного провода, поскольку < , а расстояние между рельсами и проводом связи, а также контактным проводом и проводом связи неодинаковы. Кроме того, тяговая сеть вызывает появление индуктированных токов в цепях “ рельс-земля”, магнитные поля которых направлены противоположно полю влияющей линии и частично снижают его влияние. Явления, снижающие влияния в результате присутствия рельсов, называют экранирующим действием рельсов.

Рис. 9

Различают три режима работы тяговой сети: нормальный, вынужденный и короткого замыкания.

Нормальный режим – когда все тяговые подстанции подключены к тяговой сети согласно принятым схемам питания, как привило, должен быть двусторонним (одностороннее питание двух смежных фидерных зон в нормальном режиме может быть допущено при условии питания этих зон от одной и той же фазы.).

Несмотря на экранирующее действие рельсов, тяговые сети переменного тока даже при нормальном режиме работы оказывают на цепи автоматики, телемеханики и связи большое влияние, которое возрастает при нарушении нормального режима работы тяговой сети. В случае аварии или профилактического ремонта может быть временно отключена одна из тяговых подстанций ТП1- ТП3 (на рис.10 заштрихованы), питающих тяговую сеть. Тогда появляются участки тяговой сети с односторонним питанием, оказывающие повышенное опасное и мешающее влияния. Такой режим работы тяговой сети называют вынужденным. Он может длиться часами.

Рис. 10

При эксплуатации тяговой сети возможен режим короткого замыкания (аварийный режим), при котором контактная сеть замыкается на землю или рельсы. В этом случае в тяговой сети возникает ток, который превышает влияющий ток при вынужденном режиме. Длительность протекания тока короткого замыкания невелика (не более 0,6 с). Меньшие влияния на цепи автоматики, телемеханики и связи оказывает тяговая сеть переменного тока, двухпутных участков, построенная по схеме «два провода - рельс», трехфазная, несимметричная (см.рис.4, в), называемая иногда «2 х 25 кВ». Еще более эффективной является система «2 х 25 кВ с автотрансформаторами», снижающая опасные влияния примерно в 8 раз, а мешающее влияние на кабельные цепи - в 7…11 раз.

Тяговые цепи электрической железной дороги постоянного тока. При электротяге постоянного тока в тяговую сеть от тяговых подстанций подается выпрямленный ток напряжением 3300 В. На дорогах России распространено преимущественно шестифазное выпрямление. Поэтому выпрямленный ток для режима холостого хода тяговой сети получается как результат наложения полусинусоид частотой 50 Гц (рис.11). Постоянная составляющая не оказывает влияния на цепи связи.

Рис. 11

Индуктивные воздействия создаются только пульсирующим током , состоящим из симметрично расположенных верхушек синусоид.

Кривую пульсирующего тока можно разложить на ряд гармоник. Первая из них при шестифазном выпрямлении тока частотой 50 Гц будет иметь частоту 300 Гц, остальные - соответственно 600, 900, 1200 Гц и т.д. Кривая тока тяговой сети под нагрузкой обогащается рядом дополнительных гармоник. Амплитуды этих гармоник незначительны по сравнению с амплитудой постоянной составляющей и уменьшаются с возрастанием частоты. Влияние тяговой сети снижается из-за экранирующего действия рельсов и двустороннего питания тяговой сети. Поэтому тяговые сети постоянного тока оказывают мешающее влияние только на цепи воздушных линий.

Для того чтобы не относить линии, подверженные влиянию, далеко от железной дороги, на тяговых подстанциях всегда устанавливаются сглаживающие фильтры, уменьшающие амплитуды гармонических составляющих в тяговой сети.

Опасные влияния тяговой сети постоянного тока возможны только при ее включении и выключении или при замыкании на землю.

Цепи автоматики, телемеханики и связи. Эти цепи могут оказывать только мешающие влияния друг на друга. При этом однопроводные и наложенные несимметричные цепи будут влиять значительно больше, чем двухпроводные, поэтому такие цепи имеют ограниченное распространение.