автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Волновые процессы в подземных протяженных проводниках и грозозащита кабельных линий связей

Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукопиои СМИРНОВ Александр Алексеевич

"Ч

ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОДЗЕМНЫХ ПРОТЯЖЕННЫХ ПРОВОДНИКАХ . И ГРОЗОЗАЩИТА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

05.14.12 Техника высоких напряжений

Автореферат

диссертации.на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор М.В. Коотенко.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор К.П. Кадомская, кандидат технических наук, доцент Н.В. Коровкин.

Ведущее предприятие: ЛВИСКУ им. Комаровского.

Защита состоится ".(" . ФЛ^ФР?!... 199$г. в IV. часов на заседании специализированного совета К 063.38.21 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, гл. учебный корпус, ауд

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке технического университета.

Автореферат разослан ».//..* .ООФ??!^ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, в.н.с.

С.Л. Кулаков

АННОТАЦИЯ

Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по усовершенствованию грозозащиты подземных кабельных линий связи (КЛС) на основе уточнения теории волнового процесса в подземной многопроводной линии и методики численного расчета грозовых перенапряжений.

Указанная цель достигнута решением следующих задач:

- разработан алгоритм расчета электромагнитного поля в подземной линии, учитывающий конкретную форлу источника возбуждения;

- определены границы применимости и погрешность' телеграфных уравнений, обусловленные неучетом краевого эффекта в точке возбуждения; разработана методика приближенного учета условий возбуждения в рамках использования телеграфных уравнений;

- создана математическая модель и методика 'Численного расчета волновых процессов в подземной многопроводной кабельной линии связи, включающей в себя грозозащитные тросы и различного рода дискретные элементы; разработан и введен в эксплуатацию соответствующий комплекс программ для ЭВМ;

-проведено сопоставление результатов расчета по разработанной методике с расчетами, выполненными с помощью известных из литературы методов, а также с результатами высоковольтных импульсных экспериментов;

- с помощью разработанной методики проведены многовариантные численные расчеты грозовых перенапряжений в подземных кабельных линиях различной конструкции и выявлены основные закономерности их повреждения;

- разработан инженерный метод расчета вероятного числа повреждений КЛС, защищенной двумя тросами;

- исследована эффективность тросовой защиты подземных КЛС, для различных конструкций линии и параметров окружающего ее грунта определены оптимальные варианты расположения грозозащитных тросов.

Автор защищает:

- метод расчета электромагнитного поля в подземной линии, учитывающий конкретную форму источника возбуждения, и алгоритм приближенного учета условий возбуждения В рамках использования телеграфных уравнений;

- математическую модель и методику численного расчета волновых процессов в подземной многопроводной кабельной линии связи, состоящей из нескольких симметричных кабелей , отдельно проложенных изолированных и неизолированных проводников и различного рода дискретных элементов при сосредоточенном и распределенном характере внешнего воздействия;

- инженерный метод расчета вероятного числа повреждений Ю1С, защищенной двумя тросами;

- оптимальные варианты расположения грозозащитного троса:

а) для кабелей с джутовым покрытием, проложенных на открытой местности, при ^ <300 Ом.м - непосредственно над кабелем, при

>300 Ом.м - на расстоянии 1,5 - 3 м от кабеля ( в зависимости от удельного сопротивления грунта);

б) для кабелей с полиэтиленовой изоляцией, проложенных на открытой местности, - на расстоянии 1 -3 м от кабеля ( в зависимости от электрической прочности внешней изоляции и глубины прокладки кабеля);

в) для кабелей, проложенных вдоль лесной просеки шириной до 5м - по обе стороны от кабеля на краю просеки.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Грозовые повреждения подземных КЛС, особенно в районах с высокоомными и вечномерзлыми грунтами, несмотря на применение ряда грозозащитных мероприятий, являются наиболее тяжелыми повреждениями, приводящими к длительным перерывам связи и большому экономическому ущербу. Существующие рекомендации по грозозащите во многом противоречивы. Фактическая эффективность их применения в некоторых случаях оказывается ниже ожидаемой. Это свидетельствует о том, что теоретические и модельные представления,которые положены в основу разработанных мероприятий, недостаточно точно описывают физику развития грозовых повреждений в КЛС.

Большинство используемых в настоящее время численных методов расчета волновых процессов в подземных КЛС основаны на применении телеграфных уравнений. Однако, до сих пор остается открытым вопрос о правомерности применения теории длинных линий для расчета переходных процессов в' системе подземных протяженных проводников, особенно неизолированных от зешш.

4

Приведенные обстоятельства делают актуальной задачу разработки достоверной, основанной на принципиально верных теоретических положениях и подтверждаемой экспериментальными исследованиями методики численного исследования волновых процессов в подземных К1С с целью использования ее для повышения эффективности существующих и разработки принципиально новых грозозащитных мероприятий.

Работа была выполнена в рамках хоздоговорных научно-исследовательских работ с Кольским центром РАН, ОКБ "Импульс" и Ленинградским НИИ связи.

Научная новизна.

1. Установлен физический смысл и причины возникновения ряда противоречий, имеющих место при использовании теории длинных линий для расчета переходных процессов в подземных протяженных проводниках. - '

2. Разработан алгоритм расчета электромагнитного поля в подземной линии, учитывающий конкретную форму источника, проведена оценка влияния концевого эффекта в точке возбуждения.

3. Разработана методика приближенного учета условий возбуждения в рамках использования телеграфных уравнений.

4. Создана математическая модель и методика численного расчета волновых процессов в подземной многопроводной кабельной линии связи.

Практическая ценность.

1. Разработан и введен в эксплуатацию комплекс программ для ЭВМ, предназначенный для исследования переходных процессов в подземных Многопроводных КЛС.

2. Разработан инженерный метод расчета вероятного числа повреждений КЛС, защищенной двумя тросами.

3. Предложены, конкретные меры по усовершенствованию грозозащиты подземных КЛС. Для различных конструкций линии и параметров окружающего ее грунта определены оптимальные варианты расположения грозозащитных тросов.

Реализация результатов работы. Разработанные автором методики, а также результаты численных расчетов атмосферных перенапряжений в подземных КЛС изложены в отчетах, переданных в КНЦ РАН, ОКБ "Импульс" и ЛОНИИС. Они послужили основой для усовершенствования имеющихся и разработки новых мероприятий по грозозащите линий связи. По результатам исследований получено два акта внедрения.

Апггро^ация. Основные положения диссертационной работы докладывались на расширенном заседании IV секции Научного Совета АН СССР по комплексной проблеме "Научные основы электрофизики и электроэнергетики" (Киев, 1985 г.); Всесоюзном научном тематическом семинаре "Проблемы оптимизации передачи электрической энергии перемешал,1 током" (Каунас, 1985 г.); III Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (Тарту, 1986 г.); I Всесоюзной конференции по теоретической электротехнике (Ташкент, 1987 г.); конференции "Пути повышения производительности труда и снижения материалоемкости при изготовлении неизолированных проводов, силовых и контрольных кабелей" (Шеяехов, 1987 г.).

Публикации. По результатам работы опубликовано 11 статей и одна монография.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основное содержание работы изложено на 149 страницах машинописного текста, иллюстрировано 5Ь рисунками и 7 таблицами. Список использованных источников включает в себя № наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, ее научная новизна и практическая ценность.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы грозозащиты подземных КЛС и вопросам расчета волновых процессов в подземных протяженных проводниках. Для расчета перенапряжений, возникающих в подземной КЛС при разрядах молнии, наиболее часто применяются методы теории длинных линий. Такой'подход позволяет использовать хорошо разработанные и успешно реализуемые . на ЭВМ методы решения телеграфных уравнений и сравнительно легко рассчитывать переходные процессы в неоднородной по длине многопроводной линии. Однако, в отличие от.воздушной, погонные параметры подземной линии существенным, образом зависят от ее волновых параметров и для их точного определения необходимо решать трансцендентные уравнения сложного вида. В связи с этим, в литератур« имеется большое'количество методик и формул по расчету параметров подземных линий, отличающихся друг от друга как исходными допущениями, так и конечными результатами. В диссертационной работе приведены наиболее часто используемые формулы для расчета параметров, указаны их основные достоинства и недостат-

ки.

Несмотря на достаточно широкое применение телеграфных уравнений при расчете переходных процессов в подземных линиях, в настоящее время отсутствует строгое теоретическое обоснование правомерности такого подхода, особенно в случае неизолированных от земли проводников. Рассмотрены применяемые в радиофизике и теории антенн методы расчета электромагнитного поля подземного провода,, не предполагающие использование телеграфных уравнений. Эти методы не могут быть непосредственно использованы при исследовании грозозащиты КЛС, однако могут служить методической основой для оценки влияния краевого эффекта и для определения границ применимости телеграфных уравнений.

На основании проведенного анализа современного состояния исследуемого вопроса сформулированы указанные выше цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматривается вопрос о возможности применения теории длинных линий для расчета волновых процессов в подземных протяженных проводниках.

v Для линий простейшей конструкции приведены соответствующие им характеристические уравнения, телеграфные уравнения и формулы для расчета погонных параметров, полученные на основе уравнений Максвелла при допущении о строго экспоненциальном распределении поля по продольной координате, то есть без учета излучения, краевых эффектов и конкретной структуры источника возбуждения. Численные расчеты, проведенные с помощью полученных формул, показали, что указанные выше допущения являются в общем случае некорректными , так как приводят к следующим противоречиям, трудно объяснимым с точки зрения классической теории длинных линий:

- практически для любой конструкции подземной линии имеются области частот, в которых характеристическое уравнение не имеет корней, удовлетворяющих граничному условию на беоконечнооти (условию излучения );

- погонные параметры однопроводной линии в некоторой области ^частот могут тлеть отрицательные действительные части;

- для двухпроводной подземной линии не выполняется теорема взаимности, матрицы погонных параметров оказываются несимметричными.

Указанные противоречия возникают вследствие существенного отличия подземных линий от линий, расположенных в воздухе. В юдземной однопроводной линии отсутствует физически выраженный

7

сораткьЯ прог.с-д; 1'ог., искуцйк « в кршаи, так и ь сбраажл. юправлшш, распределен по всему с^ае.-лу грунта; поперечные раз-«К1Н1 линии оказываются ооизмерямиш с длиной распространяющейся в ней волки. Указанные обстоятельства ставят под сомнение правомерность применения телеграфных уравнений для подземных линий и говорил1 о необходимости учета таких факторов, как краевой эффект, пзлучыше и конкретная фор? а источника ьоабувдешш.

С ьтой целью разработана методика численного расчета олект-ро? агнптного поля, токов и напряжений в подземной линия проотей-й&И коногрукцаи, у-штнващая коикретнум форду источника ьозбух-депия. О та иьтодлка, шшоги которой имеются в радиофизике и теории иптепл, ко к^сдвз^сист Бкспоиешикштого распределения то-гл тдаи, линии и осноьаид из. представлении всех величин, харак-терпз.у/;::глх аяоктротпшй;се поле, в виде пространственного интеграла (Еуръе ко продолшо!г координате. Так, например, для продольной состплчшкей напряженности е яектрлческого поля в грунте и в проводе используются следущю разложения:

С'«Г; >о = [ Лу<р 3» (гг'у г) ■> "V ~ :

У" _

••^оО

1Дв У0 , Н '0° - функции Еесс&ля и Хаккеля, у - переменная ши;лрирования, шлеющш! физический смысл коэффициента распространения, , - волновые числа грунта и провода.

Неизвестные постоянные интегрирования М (у) определяются из граничных условий ил поверхности провода с учетом первичного толя источника возбуждения. Ток и напряжение в подземном линии представляются в виде суыш поверхностной волны ( для двухпроводной линии - двух поверхностных волн ) с экспоненциальной за-висш.юстью от продольной координаты и ко5фф1ищентом распространения, являющимся корнем характеристического уравнения, и пространственной волны, обусловленной краевым эффектом в точке воз-буздения: '

ОС3 ,

7-, , т , . . .Р(п) { Рстл т^-Г*," '

г<*)* 1^00+1,¿»'у

~ о»

где •- корень характеристического уравнения

8

P(f)~ функция, определяемая конкретной $ордой иототапгл хгсз-буадепая. Поверхностная волна оттирает процесс распрсстглцеяил электромагнитной энергии вдоль линии, а пространственная г-о.таа -перераспределение энергии вблизи источника, то есть процесс согласования источника возбуждения и подключенной к нему длаансЛ линии. В том случае, когда характеристическое уравнение не in/oß? корней, удовлетворяющих условию изучения, в реаешш присутствует только пространственная волна.

Численные расчеты, нроведетше с пошщьв разработанного алгоритма, показали, что но своей структуре (частотная зависимость и характер изменения по продольной координате) пространственна.-! волна близка к поверхностной, что говорит о принципиальной возможности применения телеграфных уравнений для расчета токов и напряжений в подземных линиях. Однако, при вычислении электромагнитного поля на большом расстоянии от оси провода, онергети-ческих соотношений и погонных параметров телеграфные уравнении могут дать принципиально неверные результаты.

Алгоритм учета условий возбуждения, основанный на методах теории антенн, не может быть применен для практических расчетов грозовых перенапряжений в подземных линиях сложной конструкции ввиду больших затрат машинного времени при расчетах на ЭВМ. Для приближенного учета условий возбуждения в.рамках применения те-леграфша уравнений был разработан алгоритм числешюго .. расчета, основанный на моделировании реальной линии (неоднородной из-за •явления краевого эффекта в точке возбугкдения) при псмоши однородной линии, параметры, которой подбираются исходя из минимального расхождения в результирувдях значениях токов и надряженпй. Для однопроводной линии с неизолированным проводом приближений учет краевого эффекта заключается во'введении поправки на величину волнового сопротивления: Zw • Zl (1,05-0,065 где Zj, - волновое сопротийленио, рассчитанное обычным методом, без учета условий-возбуждения. Для линии с изолированишл проводом аналогичная поправка вводится только на ту часть волнового сопротивления," которая - характеризует электромагнитное поле в грунте. Для двухпроводной линии поправки (более сложного вида) вводятся как на значения модальных волновых сопротивлений, так и на соотношения напряжений в волновых каналах. Разработанный алгоритм позволил получить физичные значения погонных параметров линии (действительные и мнимые части положительны, -для гяюгспро-водной линии выполняется теорема взаимности).

В третьей главе приведено описание разработанной автором методики численного расчета волновых процессов в подземных многопт роводных линиях. При помощи этой методики может быть проведено исследование грозовых перенапряжений в КЛС, состоящей из одного или нескольких симметричных кабелей связи и отдельно проложенных изолированных или неизолированных от земли проводов (тросов). Линия в общем случае может состоять из нескольких однородных участков, на границах которых , а также в начале и в конце линии, включены схемы с сосредоточенными параметрами, моделирующие заземления, соединения проводников линии друг с другом, усилительную аппаратуру, защитные устройства и другие элементы. Внешнее электромагнитное воздействие может быть как сосредоточенным ( прямой удар молнии в один из проводов) , так и распределенным по длине линии ( удар молнии в землю вблизи КЛС, влияние ЛЭП).

Методика основана на решении телеграфных уравнений многопроводной линии, погонные и волновые параметры которой определяются из уравнений Максвелла и граничных условий на поверхностях раздела сред по известным значениям геометрических размеров линии и ее электрофизических параметров. Основными этапами решения задачи являются: нахождение корней характеристического уравнения; вычисление погонных и волновых параметров для каждого из участков линии; численный расчет токов и напряжений в заданных точках линии с помощью частотного (численное преобразование Фурье) или волнового (непосредственно в функции времени) методов.

Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на высоковольтных полигонах и на действующих КЛС, доказали работоспособность созданной методики и возможность ее применения на практике. Разработанная автором методика по сравнению с тлеющимися в литературе формулам показала наилучшее совпадение с экспериментальными данными. Погрешность расчетов по сравнению с экспериментом не превышает 20%.

Впервые создана методика расчета погонрых и волновых параметров многопроводной подземной линии, основанная на решении ее полного характеристического уравнения. Существующие алгоритмы, которые используют вычисление собственных погонных параметров в однопроводной постановке и приближенную оценку величины взаимных параметров, являются неприемлемыми, так как могут дать ошибку в 3-4 раза по сравнению с точной методикой.

Четвертая глава посвящена анализу эффективности тросовой грозозащиты подземных КЛС.

10

Численные исследования, выполненные с помощью разработанной автором методики, позволили сделать вывод о том, что наиболее эффективным методом снижения грозовых перенапряжений в подземных КЛС является применение специальных грозостойких кабелей. Такой кабель должен иметь по крайней мере две оболочки (оболочку и броню). Электрическая прочность изоляции между оболочками должна быть скоординирована с электрической прочностью поясной изоляции и иметь величину не менее 30 - 50 кВ. Последний параметр наряду о величиной сопротивления оболочки постоянному току является основной характеристикой его грозостойкости. Для широко применяющихся в настоящее время кабелей с низким уровнем грозостойкости такие защитные мероприятия, как соединение оболочки и брони в муфтах, установка дискретных заземлителей и разрядников не дают существенного эффекта, а в некоторых случаях могут привести к отрицательному результату. Наиболее эффективным грозозащитным мероприятием является прокладка параллельно- кабелю одного или нескольких защитных тросов.

Для исследования эффективности тросовой грозозащиты разработан инженерный метод расчета вероятного числа повреждений подземной КЛС, состоящей из симметричного кабеля и двух параллельно проложенных грозозащитных тросов. Были приняты следующие основные. допущения: тросы расположены сишетрично относительно кабеля; грунт, окружающий КЛС, однородный; ориентация канала молнии в воздухе не зависит от наличия проложенных в земле проводников; зависимость тока молнии от времени имеет биэкспоненциальную форму; искрообразование в грунте учитывается путем введения в окрестности точки удара молнии стримерной зоны, характеризующейся постоянной величиной напряженности поля. Под повреждением КЛС понимается электрический пробой изоляции оболочка-броня хотя бы в одной точке по длине линии, поскольку соласно опыту эксплуатации, повреждение изоляции оболочка-броня в большинстве случаев приводит к параметрическому отказу КЛС. Рассмотрены магистральные симметричные высокочастотные кабели связи с алюминиевой или свинцовой оболочкой, броней из спирально намотанных стальных лент, с внешним покровом из джута или с полиэтиленовым шлангом поверх брони ( типы МКСАБл, МКСАБп, МКСАЕпШп, МКСБ, МКСБл, МКСБЩп, МКСБпШп и др.).

Грозовое повреждение одиночно проложенного кабеля может произойти как при прямом ударе молнии ( образуется искровой разряд от точки удара до кабеля), так и при рассеянном ударе (искровой

11

Хагулц в■грунте ко образуется или не доходит до кабеля). В КЛС, ¡.«ашщсшюй тросами, к причинам возникновения повреждений добавляется прямой удар молнии в трос с последующи,! образованием вто~ ричногр искрового разряда между тросом и кабелем. Проведены мно-тогариантные расчеты (для различных конструкций линии и параметров грунта)' минимальной амплитуды тогл молнии, приводящей к образованию искрового разряда от точки удара молнии к кабелю -1К,

к тросу - от троса л кабелю (при ударе в трос) - и

от кабеля к тросу (при ударе в кабель) - IКроме этого, рассчитаны величины Ьшнимальной амплитуды тока молнии, приводящей к повреждению кабеля при различных вариантах развития искрового разряда: к кабелю - , к тросу - 1сг"р , к кабелю и тросу -I "»тр 11 ПРИ рассеянном ударе - /Д.. После' статистической обработки результатов получены инженерные формулы для расчета пере-числешшх выше величин, которые для табелей с джутовым покрытием при токе молнии с =1,2 мкс и =50 мкс имеют следующий вид (рашерноать всех токов - амперы):

г: - < ■> к- п- °-о1У% - тр7- <*%)**'

/У г*к '/у>

ТГр.к - 2,06 {П ¿\ 7 40 "Д ) }}% ; ■С = ¿о(1+ о,ооб^^Г) и^А'^: ;

теп / . л?,г , л. . ч „р

где - средняя пробивная напряженность грунта, В/м;

- -удельной сопротивление грунта, Ом.м; с1к , Ыгр- расстояния от точпя дара молнии до кабеля и троса, м; с(м.т- расстояние между

. » г л "

кгйелон и тросс:.:, м; - электрическая прочность изоляции

12

оболочка-броня, В.

При помощи полученных форлул для различных конструкций КЛС проведены расчеты вероятного числа повреждений

п. 2fí ТJ Р(1* 1"(у))Ыу

о

где f - число ударов молнии на 1 кв. м земной поверхности за один грозовой час, I - длина линии, Т - число грозовых часов, Р(Т^1"Ьр) - вероятность того, что амплитуда тока молнии превысит величину . - минимальная амплитуда тока

молнии, приводящая к повреждению кабеля при расстоянии ^ от точки удара молнии до кабеля. Последнняя величина рассчитывалась по специально разработанному алгоритму в зависимости от соотно-

тис гис г ис т «с г в/1 тол -О/г оп

шения между величинам 1К , 1гр , /< . 1тр • 1*>п>-

Для различных конструкций КЛС рассчитаны коэффициенты защитного действия тросов (отношение вероятного числа повреждений КЛС с тросами к вероятному числу повреждений одиночно проложенного кабеля), которые имеют значение от 0,01 при £ =10 Ом.м до 0,4 при у =10000 Ом.м для кабеля без внешней изоляции и от 0,0001 при р^ =10 Ом.м до 0,2 при Д, =10000 Ом.м для кабелей в шланге.

Для КЛС, проходящих по открытой местности, при увеличении расстояния между кабелем и тросами вероятное число повреждений, с одной стороны, снижается вследствие уменьшения вероятности образования искрового разряда между кабелем и тросом при ударе молнии в трос, а, с другой стороны, увеличивается из-за расширения зоны на поверхности земли, с которой возможен искровой разряд к кабелю помимо тросов. Для кабелей с джутовым покрытием зависимость вероятного числа повреждений от расстояния между кабелем и тросом тлеет минимум лишь при высоких удельных сопротивлениях грунта (у >300 Ом.м) и при низкой электрической прочности изоляции оболочка-броня ( < 10 кВ), Соответствующее опти-

мальное расстояние изменяется в пределах 1,5 м - 3 м

(большее значение соответствует большему ^ ). Трос при этом/ работает так перехватчик тиса молнии. Во всех остальных случаях, наилучшим вариантом является прокладка тросов непосредственно -над кабелем. Основная защитная функция тросов заключается при этом в отводе части тока молнии от кабеля.

Для кабелей в шланге при увеличении расстояния между кабелем и тросом вероятное число повреждений сначала уменьшается, а аа-

. опт

тем, начиная с некоторого расстояния а,-.^, резко увеличивается

13

(при низких у на несколько порядков). При < с1°"/тр либо

невозможно образование первичного искрового разряда к кабелю покоило тросов (из-за высокой электрической прочности внешней изоляции),. либо при прямом ударе молнии в кабель, прежде чем произойдет его повреждение образуется искровой разряд между кабелем и тросом. При ¿к.Трус!.1"тгр повреждение происходит при прямом удар? в кабель еще до образования вторичной дуги к тросу. Величина с(.к.тр зависит от глубины прокладки кабеля Л» , • электрической прочности внешней 'изоляции и изоляции оболочка-броня

¿Ттр - плах {. <е} :

<1, - /Й^(о,5^ч,шт-о,оф%-'

и лежит в пределах от 1 до 3 м (меньшая величина соответствует меньшим значениям /?„ , , Ц-^^р ).

Для КЯС, проходящей вдоль лесной просеки, оптимальным вариантом расположения тросов является их прокладка по обе стороны от кабеля на краю просеки. Недопустимы соединения троса с оболочкой и броней кабеля, а также оболочки и брони друг с другом. Тросы следует прокладывать как можно ближе к поверхности земли, но на такой глубине, которая предотвращает его механическое повреждение .

Расчет числа повреждений КЛС, выполненный при помощи разработанной автором методики не противоречит опыту эксплуатации действующих КЛС и дает более точные результаты по сравнению с методикой, приведенной в "Руководстве по грозозащите...". Применение приведению выше рекомендаций позволит уменьшить число повреждений в 1,5-2 раза для кабелей в джуте и в 3-10 раз для кабелей в полиэтиленовом шланге по сравнению с традиционным вариантом расположения тросов.

В заюшчении приводятся основные результаты работы.

1. Разработана методика численного расчета электромагнитного поля в подземных линиях простейшей конструкции, которая учитывает неэкспоненциальнооть поля гю продольной координате, вызванную краевым эффектом в точке возбуждения. Ток и напряжение в линии

14

представляется в виде суммы поверхностной еолны, описывающей процесс распространения энергии вдоль линии, и пространственной волны с неэкспоненциальной зависимостью поля от продольной координаты, обусловленной конкретной формой источника возбуждения и характеризующей процесс согласования источника с подключенной к нему длинной линией.

По своей структуре пространственная волна близка к поверхностной, что говорит о принципиальной возможности применения телеграфных уравнений для расчета токов и напряжений в подземных линиях. Однако, при вычислении электромагнитного поля на большом расстоянии от оси провода, энергетических соотношений в линии и погонных параметров использование телеграфных уравнений может привести к принципиально неверным результатам.

Дня приближенного учета явления краевого эффекта при использовании телеграфных уравнений разработан алгоритм численного расчета , основанный на моделировании реальной линии (неоднородной из-за явления краевого эффекта в точке возбуждения) однородной линией, параметры которой подбираются исходя из минимального расхождения при расчете токов и напряжений.

2. На основе проведенных теоретических исследований была разработана методика расчета исследования волновых процессов в подземной многопроводной линии, состоящей из одного или нескольких симметричных кабелей связи и отдельно проложенных изолированных или неизолированных от земли проводников. Отличительной особенностью методики является алгоритм учета условий возбуждения, заключающийся во введении частотнозависимых поправок на величины входных сопротивлений линии.

■ 3. Наиболее эффективным методом снижения грозовых перенапряжений является применение специального грозостойкого кабеля, который должен иметь по крайней мере две оболочки (оболочку и броню) . Электрическая прочность изоляции между оболочками должна быть скоординирована с электрической прочностью поясной изоляции и тлеть величину не менее 30 - 50 кВ.

Для широко применяющихся в настоящее время табелей с низким уровнем грозостойкости наиболее эффективным грозозащитным мероприятием является прокладка параллельно кабелю одного или нескольких защитных тросов. Соединение оболочки и брони в муфтах, установка дискретных заземлптелей и разрядников не дают существенного эффекта, а в некоторых случаях могут принести к увеличении перонапрчжеппй в рабочей цепи.

1.5

4. Грозовое повреждение КЛС, защищенной тросами, возникает либо при прямом ударе молнии в кабель, либо при ударе молнии в трос с последующим образованием искрового разряда между тросом и кабелем, либо при рассеянном ударе молнии. Коэффициент защитного действия тросов (отношение вероятного числа повреждений КЛС с тросами к вероятному числу повреждений одиночно проложенного кабеля) имеет значение от 0,01 при р^ =10 Ом.м до 0,4 при д,-=10000 ..Ом.м для кабеля без внешней изоляции и. от 0,0001 при Д, =10 Ом.м до 0,2 при р^ =10000 Ом.м для кабелей в шланге.

Для кабелей с джутовым покрытием оптимальное расстояние между кабелем и тросами-при высоких удельных сопротивлениях грунта ( р >300 Ом.м) ^и при низкой электрической прочности изоляции оболочка-броня (Ц^,< 10 кВ) изменяется в пределах 1,5 м - 3 м (большее значение соответствует большему ). Во всех остальных случаях наилучшим вариантом является прокладка тросов непосредственно над кабелем. Для кабелей в шланге оптимальное расстояние между табелем и тросами зависит от глубины прокладки кабеля , электрической прочности внешней изоляции Ц^зи изоляции оболочка-бродя И^-г,, и лежит в пределах от 1 м до 3 м (меньшая величина соответствует меньшим значениям А, ^м-«, ) •

Ддя КЛС, . проходящих вдоль лесной просеки, оптимальным вариантом расположения тросов является их прокладка по обе стороны от кабеля на краю просеки. Во всех случаях кабель следует прокладывать возможно глубже, а тросы ближе к поверхности земли. Недопустимы соединения троса с оболочкой и броней кабеля, а также оболочки и брони друг с другом.

В приложениях рассмотрены следующие вопросы: . - характеристические уравнения и параметры подземных линий простейшей конструкции; ....

- возбуждение электромагнитных волн в однопроводной и двухпроводной подземной линии;

- границы применимости и погрешность телеграфных уравнений;

- электромагнитное поле коаксиального кабеля;

- метода решения характеристического уравнения;

- сопоставление различных методик расчета;

- ггрогрш.мная реализация методики численного исследования волновых процессов в гюдггалшгх линиях.

Приведены ткти внед/лния результатов диссертационной работы.

По материалам диссертации сделаны следующие публикации:

1. Гумерова Н.И., Ковынева E.H., Марченко Н.Е., Смирнов A.A. Методика расчета грозовых перенапряжений в протяженных подземных проводниках // Методы расчета электромагнитных переходных процессов и электрических полей в сетях высокого напряжения. Тезисы докладов всесоюзного семинара. Каунас: Каунасский политехнический институт, 1985. С.43-45.

2. Потапов В.В., Смирнов A.A. Особенности алгоритма расчета параметров подземных протяженных проводников // Методы расчета электромагнитных переходных процессов и электрических полей в сетях высокого напряжения. Тезисы докладов всесоюзного семинара. Каунас: Каунасский политехнический институт, 1985. С. 77-78.

3. Гумерова Н.И., Костенко М.В., Марченко Н.Е., Потапов В.В., Смирнов A.A. Определение параметров подземной кабельной линии с учетом поперечных токов в земле для цепи оболочка-земля //Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1986. H 2. С. 82-90.

4. Гумерова Н.И., Ковынева E.H., Марченко Н.Е., Смирнов A.A. Численное исследование атмосферных перенапряжений в подземных кабелях связи при ■ сосредоточешюм и распределенном характере внешнего воздействия // Тезисы докладов 3-го всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству. Тарту: Тартуский государственный университет, 1986. - 'Л 255.

5. Гумерова Н.И., Марченко Н.Е., Потапов В.В., Смирнов A.A. Методика расчета волновых процессов в подземных проводниках при атмосферных перенапряжениях // Тезисы докладов 3-го всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству. Тарту: Тартуский государственный университет, 1986. С. Я¿6.

6. Гумерова H.H., Потапов В.В., Смирнов A.A. Численный метод определения параметров протяженных подземных проводников // Тезисы докладов п сообщений 1-ой всесоюзной конференции по теоретической электротехнике. Ташкент, 1987. С 19-20.

7. Гумерова H.H., Марченко 11.11., Смирнов A.A. Роль изоляции в конструкции грозоупорного глбелл с'тзи // Пути повышения производительности труда и снижения шп.-риалоешостп при изготовлении неизолированных щьчюдов, снловнл и контрольных кабелей. Тезисы докладов. Шелехок. Ы37. С. .М-ЗГ>.

8. Гумерова Н.И. , t.VciVi'KO i'..:<., Потапов Б.В , Смирнов A.A. Определение параметров ;-лил иноокпх цепей подм-.шнх линий для моделирования атмосферпих перенапряжений // Texmw с.кгт рлоктро-

динамика. 1987. N 2. С. 98-100.

S. Гумерова Н. И. , Марченко Я Е. , Смирнов А. А. Численное моделирование волновых процессов в подземной кабельной линии // Высоковольтное электроэнергетическое и электрофизическое оборудование и линии электропередачи. Межвузовский сборник. Л.: ЛПИ, 1987. С. 43-48.

10. Гумерова iL И , Ковынева Е. Н., Марченко Е Е., Смирнов A.A. Численное исследование атмосферных перенапряжений в подземных кабелях связи при сосредоточенном и распределенном характере внешнего воздействия // Атмосферное электричество. Труды 3-го всесоюзного симпозиума. Л.: Гидромегиоиздат, 1988. С. 251-254.

11. Смирнов A.A. Поверхностные электромагнитные волны в подземных проводниках // Труды ЛПИ, 1989. N 43L С. 74-78.

12. Костенко М. В. . Гумерова Н. И. , Данилин А. Н. , Ефимов Б. В., Потапов В. В. , Смирнов А. А. Волноьые процессы и перенапряжения в надземных линиях. Л.: Эяергоатомигдат, 1991.. "32 с.

Подписано к печати (i.fi-3X-Загоз ti £4.0

Тираде loo ata.

Бесплатно

Олючат.чмо на ротапринт'.- '.i.-n;,

О VifUF.cpCI-'i'-Tl

Ii