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

Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукопиои СМИРНОВ Александр Алексеевич

ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОДОМНЫХ ПРОТЯЖЕННЫХ ПРОВОДНИКАХ И ГРОЗОЗАЩИТА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

05.14.12 Техника высоких напряжений

Автореферат

диссертации на соискание ученой отепени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: член-корреопондент 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 состоитоя " .. 19$}?. в 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 диооертацией можно ознакомиться в библиотеке технического университета. п.

Автореферат разослан ".та." 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 подземкой многопроводной линии и методики численного расчета грозе— глгс перенапряжений.

Указанная цель достигнута решением следующих задач:

- разработан алгоритм расчета электромагнитного поля э подземной линии. " гл-пающий конкретную форму источника возбуждения ;

- сире »(и?™ границы применимости и погрешность' телеграфно: уравне"-г;й, обусловленные неучетом краевого эффекта в точке возбужден разработана методика приближенного учета условий во;'-

'!:!Я в рамках использования телеграфных уравнений;

- создана :.лтй;.итическая модель и методика-численного расче-■ г,, эолноэых прессов в подэешой многопроводной кабельной линии '.зкзи, в себя грозозащитные тросы и различного рода дискретные рлсгптн; разработан и введен в эксплуатацию соот-ветству»«шй комплекс программ для ЭВМ;

-щтаслено сопоставление результатов расчета по разработанной г.-: л-дике с расчетами, выполненными с помощью известных из литературы методов, а также с результатами высоковольтных импульсных экспериментов;

- с немощью разработанной методики проведены многовариантные "»олетюе расчеты грозовых перенапряжений в подземных кабельных л)'!;-.'лл различной конструкции и выявлены основные закономерности и?: •юпрежденил;

- разработан инженерный метод расчета вероятного числа поъ-{.■г.ч'Луннй КЛС, защищенной двумя тросами;

- исследована эффективность тросовой защиты подземных КЛС, :ш различит конструкций линии и параметров окружающего ее грунта определены оптимальные варианты расположения грозозаыит-

1!!Е ТрОСОГ).

Автор защищает:

- г.1гзтод расчета электромагнитного поля г погземной линии, учитывающий конкретную фор.ту источника возбуждения, и алгоритм приближенного учета условий возбуздения в {тисах использования

т^логр'Длчх у]пвнений;

- 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 повревдений КПС, 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. ■

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. Актуальность. Грозовые повреждения подземных КЛС, особенно в районах с высокоошшми 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 нор остается открытым вопрос о правомерности применения теории длинных линий для расчета переходных процессов в системе подземных протяженных проводников, особенно неизолированных от земли.

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 КЛС с целью использования ее для повышения эффективности существующих и разработка 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, тлеющих 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 форлу 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, передавши 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.

Аппробация. 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 переменным 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" (Шелехов, 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 56 рисунками и 7 таблицами. Список использованных источников включает в себя -100 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

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

Первая глава посещена 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 реиения телеграфных уравнений и сравнительно легко рассчитывать переходные процессы в неоднородной по длине шогопроводной линии. Однако, в отличие от.воздушной, погонные параметры лодзешой линии существенным образом зависят от ее волновых параметров и для их точного определения необходимо решать трансцендентные уравнения сложного вида. В связи с этим, в литературе имеется большое'количество методик и формул по хасче-гу параметров подземных линий, отличавшихся друг от друга как исходными дсгаугцшшяп;!, так и конечными результатами. В диссертационной работе прпвелены 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 Ю1С, 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.

Для линий простейшей конструкции приведены соответствующие шл 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 вше допущения являются в общем случае некорректными, так как приводят к следующим противоречиям, трудно объяснимым с точки зрения классической теории длшшнх линий:

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

- погонные параметры однопроводной линии в некоторой области частот могут шлеть 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, расположе1ШНХ в воздухе. В юдземной однопроводной линии отсутствует физически выраженный

7

соратиьЛ «¡л.г.сд; ïm:, как в прокоп, тая и б обратное

жпргшлодш, распределен по всему сбшлу грунта; поперечше разгара линии OiXiOunaioTiH ооиз^срнлш.'-н с длиной распространяющаяся в util годны. Указанные обстоятельства ставят под сомнение правомерность приложения телеграфных уравнений дм подземных линий и говорят о необходимости учета таких факторов, как краевой эф--|]егл', излучсше и конкретная фор и источника возбуждешш.

С этой цельи разработана методика численного расчета элект-toturrorraora поля, токов и иадрятений в подземкой линг.я прэстей-rioit конг.груг^ш, уштивасгг-я конкретную Фор/iy источника возбуждения. Ога методика, аналоги которой имсыгся в радиофизике и теории uiiTeiîii, ¡.с предполагает г-кспонешусльного распределения тока вдоль лилпа и осноьака иг представлении всех величин, харак-олоктрсгашписе иоле, в веде пространственного интеграла iyp^e ко прозадаиой координате. Так, например, для продольной составляющей напрллтгостл олоктрического поля в грунте и в проезде исяользуш'&а следуп^не разложения:

f siv(p 70 (myr)endf ; m^yrf2Tk~Ç ; •h

*( -3 __•

СX) \1 (Г> И°>(Г'\ r)e{\lf ; тлр kÇ v"

1дй У0 , Hg1- фушщпп Босселя и Ханкеля, f - переменная интегрирования, тлеющая физический смысл коэффициента распространения, к , к' - волновые числа грунта и провода.

V I

Неизвестные постоянные интегрирования Л (у) определяются из граничных условий ил поверхности провода с учетом первичного поля источника возбуждения. Ток и напрдаенне в подземной линии представляются в виде су;.хш поверхностной волны ( для двухпроводной линии - двух поверхностных волн ) с экспоненциальной зависимостью ст продольной координаты и коэффициентом распрюстра-нения, являющийся корнем характеристического уравнения, и пространственной волни, обусловленной краевым эффектом ь точке возбуждения:

т- . т , , _ , . .Р(Гс) -f°* f пт¥) mv ')'*,

где уо - корень характеристичем-лго уравнения Q(f)~0,

Р(р) - функция, определяемая конкретной формой коточппгл сса-буздепяя. Поверхностная, волна опиенвает процесс распрострт;г:лн электромагнитной энергии вдоль линии, а пространственная голча -перераспределение энергии вблизи источннгл, то есть процесс согласования источника возбуждения и подключенной к нсцу линии. В том случае, когда характеристические уравнение не корней, удовлетворяыц'.гх услегип пглпенга, в рзпешш прпсутотву-ет только пространственная волна.

Чнслецные "расчеты, проведенные с пелшш разработанного алгоритма, показали, что но своей структуре (частотная закиси:,:с;пь и характер изменения по продольвой координате) кросгр-гнсгеенн?..! волна блшка к поверхностной, что говорит о принципиальной возможности применения телеграфных уравнений для расчета токов и напряжений в подземных линиях. Однако, при вычислен;::! электромагнитного полл па большем расстоянии от осп провода, энергетических соотношений и погонных параметров телеграфные урагнекия -могут дать принципиально неверные результаты.

Алгоритм учета условий возбуждения, основанный па методах теории антенн, не нежет быть применен для практических расчетов грозовых перенапряжений в подземных линиях сложной конструпдп! ввиду больших затрат машинного времени при расчета:': на ЗБ.М. Дг.ч приближенного учета условий возбуждения в рамках применения телеграфных уравнений был разработан алгоритм численного расчета,-основанный на моделировании реальной линии (неоднородной из-за явления irpaeno.ro эффекта в точке возбуждения) при помощи- однородной линии, параметры которой подбираются походя из кинималь-него расхождения в результирующих значениях токов и напряжений. Для однопроводной линяя с неизолированным проводом приближенный учет краевого эффекта заключается во'введении поправки на величину волнового сопротивления: * (1,05-0,065 где к-ы ~ волновое сопротивление, рассчитанное обычным методом, без учета условий возбуждения. Для линии с изолированным проводом аналогичная поправка вводится только на ту часть волнового сопротивления, которая характеризует электромагнитное поле г грунте. Дм двухпроводной линии поправки (более сложного вида) бзсдятел как на значения модальных волновых сопротивлений, так и на соотношения напряжений в волновых каналах. Разработанный ал- -гориш позволил получить ф.изичный значения погогошх параметров линии (действительные и мнимые части положительны, дчя мчогенро-годной линии выполняется теорема взаимности).

В третьей главе приведено описание разработанной автором методики численного расчета волновых процесоов в подземных многопроводных 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: нахоадение 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 имеющимися в литературе формул-^ш показала наилучшее совпадение с экспериментальными данными. Погрешность расчетов по оравнению 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 симметрично 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 биэкспонекциальную 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 МКСАЕй, МКСАБп, МКСАБпШп, МКСБ, МКСБл, МКСЕШп, 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

И

разрлд в грунте не образуется или не доходит до табеля). В КИС, узаапцениой тросаш, к причина!,1 возникновения повреждений добавляется прямой удар молнии в трос с последующи образованием вторичного искрового разряда пехсту тросом и кабелем. Проведены мно-говарканише расчеты (для различных конструкций линии и параметров грунта) минимальной амплитуды тока молнии, приводящей к образовании искрового разряда от точки удара молнии к кабелю -1 к,

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

от кабеля к тросу (при ударе в кабель) - Кроме этого,

рассчитаны величины Минимальной амплитуды тока молнии, приводя-цой к повреждению кабеля при различных вариантах развития искрового разряда: к кабелю - , к тросу - , к кабелю и тросу--Iк*гр П п1'и рассеянном ударе - /Д.. После'статистической обработки результатов получены инженерные форлулы для расчета пере-числешшх визе величин, которые для кабелей с джутовым покрытием при токе молнии с £,,=1,2 мке и £и =50 мке имеют следующий вид (размерность всех токов - амперы):

i Г - # . V < 97- 0.0<у% - М» (/- 7■ <0%)ик ;

/ у» 'V '/у>

т - 5* С 3$ , / 0,8 / V-У

- С,06 (/> ¿] 7 ■ 10 % ■ ) /}% ;

Г,:;-(77.6 ;

где £>„„„ - средняя пробивная натяженность грунта, В/м; д,- удел[,аоо сопротивление грунта, Ом.м; с1к , Лтр- расстояния от точки:уда}Х1 молнии до кабеля и троса, м; с1н.щ- расстояние между кабелем и тросом, ' м; - электрическая прочность изоляции

оболочка-броня,- В.

При помощи полученных формул для различных конструкций НДС проведены расчеты вероятного числа повреждений

n~2rtrj P(I¿ I°"(y))dy

о

где f - число ударов молнии на 1 кв. м земной поверхности за один грозовой час, t - длина линии, Т - число грозовых часов, Р(Г»1*я(у)) - вероятность того, что амплитуда тока молнии превысит величину -Г^у), - минимальная амплитуда тока

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

/UC _ ilC rUC т UC г г О" т г ОП

* - ' 1-тр> V-' ' Т'!> • W W

Дзш различных кокртрукций КЛС рассчитаны коэффициенты защитного действия тросов (отношение вероятного числа повреждений КЛС с тросами к вероятному числу повреждений одиночно проложенного кабеля), которые млеют значение от 0,01 при j> =10 Ом.м до О,Л при J) =10000 Ом.м для кабеля без внешней изоляции и от 0,0001 при j>v =10 Ом.м до 0,2 при j> =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 трое, а, с другой стороны, увеличивается из-за расширения зоны на поверхности земли, с которой возможен искровой разряд к кабели помимо тросов. Для кабелей с джутовым покрытием зависимость вероятного числа повреждений от расстояния между кабелем и тросом тлеет минимум лишь при высоких уделынн сопротивлениях грунта ( Р., >300 Ом.м) и при низкой электрической прочности

' II Я/3

изоляции оболочка-броня ( U-as-w < Ю кВ). Соответствующее опти-

I ОпГ

мольное расстояние а,.? изменяется в пределах 1,5 м - 3 м (большее значение соответствует большецу fe ). 1'роо при этом работает как перехватчик тока 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 табеля.

Для кабелей в шланге при увеличении расстояния меаду кабелем и тросом вероятное число повреждений сначала уменьппется, а за-

I отг

тем, начинач о некоторого расстояния резко увеличивается

(при низких £ на несколько порядков). При < сС1"гтр либо

невозможно образование первичного искрового разряда к кабелю помимо 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 повреждение происходит при прямом удар?

в кабель еще до образования вторичной дуги к трооу. Величина (¡(„.г,, зависит от глубины прокладки кабеля Ьк , ■ электрической прочности внешней изоляции и изоляции оболочка-броня

¿Тгр - так{¿,, <4/ ;

и лежит в пределах от 1 до 3 м (меньшая величина соответствует меньшш.1 значениям , , Ч^-_ер).

Для КЛС, проходящей вдоль лесной просеки, оптимальным вариантом расположения тросов является их прокладка по обе стороны от кабеля на край 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 пов-ревдение.

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 приведенных вше 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 заключении приводятся основные результаты работы.

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

14

представляется в виде суммы поверхностной волны, 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 подземши 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.

Для 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 на миншплмюго расхождения при расчете токов и напряжений.

2. На основе проведенных теоретических нсолидоьашШ бы/л 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 грсзовю: 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 поясней изоляции и иметь величину не менее 30 - СО кВ.

Для широко применяющихся в настоящее время кабелей с шшксп уровнем 1ЧОЗОСТОЙКОСТИ наиболее г-Мективннм гроаокодитяш мероприятием является прокладка параллельно кабелю одного или нескольких защитных тросов. Соединение оболочки и б^юни в му.]-тах, установка дискретных зазсплитолей и разрядников не дают существенного ;>.ЭДс-кгл, а в некоторых случаях могут щ-ипести к увеличении перетапрчммшй в рчбочгй ц^пи.

1 Г;

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 =Ю Ом.м до 0,4 при у ~ =100.00 ..Ом.м для кабеля без внешней изоляции и. от 0,0001 при =10 Отд.м до 0,2 при =10000 Ом.м для кабелей в шланге.

Для кабелей с джутовым покрытием оптимальное расстояние между кабелем и тросами•при высоких удельных сопротивлениях грунта ( у >300 Ом.м) и при низкой электрической прочности изоляции оболочка-броня 10 кВ) изменяется в пределах 1,5 м - 3 м

(большее значение соответствует большему д„ .). Во всех остальных случаях наилучшим вариантом является прокладка тросов непосредственно над кабелем. Для кабелей в шланге оптимальное расстояние между кабелем и тросами зависит от глубины прокладки кабеля , электрической прочности внешней изоляции и изоляции оболочка-бродя и лежит в пределах от 1 м до 3 м (меньшая величина соответствует меньшим значениям , , У-сб-гр )•

Для КЛС, , проходящгх вдоль лесной просеки, оптимальны!,1 вари1 антом 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 др*уг 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 различите методик расчета;

- программная реализации методики численного исследования волновых процессов в подчемшгх линиях.

Приведены акты внедрения речультатов 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. Гомерова 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. N 2. С. 82-90.

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

5. Гумерова Н.И., Марченко U.E., Потапов В.В., Смирнов A.A. Методика расчета волновых процессов в подземных проводниках при атмосферных перенапряжениях // Тезисы докладов 3-го всесоюзного симпозиума по ачшс^ерному электричеству. 'Гарту: Тартуский государственны!! университет, 1985. С. Т.об.

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

7. Гумерова H.H., Марченко Н.П , Смирнов A.A. Голь изоляции в конструкции грозоупорного raöcww г;«чзи // Пути новшения производительности труда и снижении !.;•>>лаяошкостп при изготовлении неизолироппнннх ii[ цг-аоп, г;п •■!•!;•: !■ контр vimii.s кабелей. Тезисы докладов. Юелехск. :.ч'>7. О .'! -,'5Г>.

8. 1^ыерова H.II., t. •••< Г :i., Потапов Ь.Ь , Смирнов A.A. Определение парш.ют|чл> г.| .носких цепей подм-ппых линий для моделирования атто (ерим -: пер<-<тш;р'И-:енпй // Texmri' екч i гшлстро-

динамика. 19-37. II 2. С. 98-10U

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

10. Гумерова iL Я , Ковынева Е. Н., Марченко 51 Е., Смирнов A.A. Численное исследование атмосферных перенапряжений в подземных кабелях сеязи при сосредоточенном и распределенном характере внешнего воздействия // Атмосферное электричество. Труды 3-го Еоосоюяного симпозиума. Я: Гидрометиоиздат, 1988. С. Е51-Р.54.

11. Смирнов A.A. Поверхностные электромагнитные волны в подземных проводниках // Труды ЛПИ, 1989. N 431! С. 74-78.

12. Ксстенко М. В. , Гумерова Я И. , Данилин А. R , Ефимов Б. В. , Потапов В. Е. , Смирнов А. А. Волновые процессы и перенапряжения в поплины* линия/. Л. : ГЗнрргоатомигдат. 1991. "32 с.

Пожмсако vi печати ($■ Н-S2-5й№з ri ёч О

"ирад 100 9кз.

Еесплатно

I.-J ПС-Ч'Ч'Г'Ш') H'l [■'

I

1- I ■

! '-