автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Развитие методов оценки грозостойкости подземных кабельных линий связи

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский технический университет связи и информатики

На правах рукойиси ЮСЕФ Адель Сулейман

УДК 621.315.2:621.39

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ГРОЗОСТОЙКОСТИ ПОДЗЕШДК КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ '

Специальность 05.12.14 -05.14.12 -

Сети, узлы связи и распределение информации

Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском техническом университете связи•и информатики.

Научный руководитель - доктор технических наук

Соколов С.А.

Официальные, оппоненты - доктор технических наук

црофессор Кравцов Ю.А.

- кандидат технических наук доцент Любимов К.А.

Ведущее предприятие - Центральный научно-исследовательский институт связи

Защита диссертации состоится •м- _ jSQ$> 1992 г. в "У^*" час» на заседании специализированного совета К 118.06.02 в Московском техническом университете связи и информатики по адресу:ю5855 гсп,Москва, ул. Авиамоторная, дом 8-а -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 118,06.02,

к.т.н., доцент • Е.В.Демина

' . сйШО

V.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Настоящая работа посвящена исследованию влияния некоторых свойств защитных покровов подземного кабеля (оболочки, брони, изолирующего шланга) и свойств окружающей среды (поперечной неоднородности проводимости земли) на стойкость линий связи по отношению к воздействию грозовых разрядов и других источников внешних.электромагнитных полей.

Кабель связи является в силу своих конструктивных характеристик' основным элементом, определяющим степень подверженности подземных линейно-кабельных сооружений связи внешним электромагнитным влияниям. Соответственно, стойкость линейно-кабельных сооружений к грозовым разрядам в большой юре зависит от стойкости непосредственно, кабелей связи.

Анализ данных о грозовых повреждениях эксплуатируемых кабелей дальней связи свидетельствует о том, что в грозоопасных районах характеристики повреждаемости линий выше показателей, установленных требованиями единой автоматизированной сети связи (ЕАСС).

Как показывают результаты наблюдений, 24$ грозовых поврежде ' ний подземных кабелей связи вызываются электрическими пробоями в защитных покровах. Однако; по существующей методике в качестве грозовых повреждений учитываются только пробои поясной и междужильной изоляции кабелей, а при расчетах кабели представляются в виде простейшей конструкции, состоящей из сердечника и оболочки. В соответствии с этими представлениями используется показатель грозостойкости - "добротность" защитных покровов, которая зависит от электрической прочности поясной изоляции и проводимости металлопокровов. До настоящего времени не уделялось долж;-ного> внимания изучению конструкции защитных покровов, в частности, влиянию наружных шлангов и стальной брони на грозостой-кость кабелей связи.

Поэтому актуальной является задача учета конструктивных особенностей кабелей при оценке их грозостойкости, в частности, наличия изолщэуювдзго шланга, поверх оболочки. Учет процессов, проходящих в шланге, изучение условий, при которых происходит его цробой, позволяет произвести правильную оценку вероятности повреждений, повысить качество кабельных изделий по их грозостойкости, а при проектировании линий связи - проводить обоснованный выбор типов кабелей для прокладки в грозоопасных районах.

При расчетах грозостойкости кабелей по существующей методике стальная броня учитывается только в качестве ее вклада в

3

/меаьаение общего сопротивления внешних покровов. Между тем стальная броня насыщается немгновенно, и период времени до полного насыщения вносит существенный вклад в защитные свойства оболочки. Влияние насыщения стальной брони на величину напряжения, возникающего между жилой и оболочкой, было замечено в экспериментах, проведенных в Иркутске Качкуркиным С.И. Постепенное насыщение стали приводит к значительно меньшим амплитудам напряжения между-жилой и оболочкой, а учет насыщения позволяет значительно точнее определить вероятность повреждения линии.

В настоящее время получили развитие новые нетрадиционные типы оболочек в виде магнитодиэлектриков. Их защитные свойства исследованы до сих пор недостаточно, поэтому задача определения затухания электромагнитных полел в магнитодиэлектрической оболочке очень актуальна.

Грозовые повреждения составляют до сих пор от 15 до 25% всех повреждений кабелей связи. При расчетах вероятного числа повреждений грунт обычно принимается однородным по своему удельному сопротивлёнию, а измерения удельного сопротивления проводятся на трассе ,через 500-1000 м друт от друга. Между тем часто наблюдаются поперечные изменения проводимости грунта, а во время ремонтных работ делаются вставки кабелей, выпущенных другими заводами, в результате резко изменяются параметры цепи оболочка-кабель, что -приводит к изменению тока молнии в оболочке кабеля.

Исследование причин несоответствия наблюдаемого и предполагаемого числа грозовых повреждений кабеля представляется весьма актуальным.

Настоящая диссертационная работа является частью работы, проводимой кафедрой линий связи МТУСИ по защите линелно-кабе-льных сооружений связи от грозовых разрядов.

- Цель работы. Развитие методов оценки грозосто^кости подзем' ных кабельных линий.связи, включающих оценку влияния конструкции и электрических параметров защитных покровов кабеля на стойкость.линии к воздействию грозовых разрядов.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались с использованием методов статистического и функционального анализа, теории вероятности и теории Функции комплексного переменного, теории длинных линий, интегральных преобразование . н системного подхода. Расчеты проводились на ЗЗМ серии ЕС, а также на персональных компьютерах. Эксперименты проводились

? ЮТ-МТУСИ.

Личный вклад. Все результаты диссертации получены автором лично .

Научная новизна.

1. Развит метод расчета грозостолкости кабельных линий связи в части учета насыщения стальной брони при протекании тока молнии. Дана оценка влияния насыщения стальной брони на эффективность защитных свойств внешних покровов.

2. Исследовано поведение изолирующего шланга поверх металлической оболочки,при протекании тока молнии и предложена процедура оценки эффективности изолирующих шланговых покрызий поверх металлических покровов.

3. Разработан;метод оценки затухания внешних электрического и магнитного полеЛ в оболочке из магнитолаэлектрика. Получена формула для определения эквивалентно! величины магнитной проницаемости магнит'одиэлектрика.

4. Развит метод определения затухания амплитуды импульса тока молнии и изменение его формы в оболочке кабеля при наличии поперечной неоднородности проводимости грунта и других изменений параметров распространения цепи оболочка-земля.

• Практическая ценность и использование результатов работы. Полученные в работе результаты гредставлены в виде: формул и таблиц для расчета количества пробоев изолирующего шланга и расстояний между точками пробоя при различных значениях параметров земли, кабеля и тока молнии;

графиков, позволяющих определить влияние стальной брони на повышение эффективности защитных свойств металлопокровов кабеля при воздействии импульсов тока молнии;

инженерных формул расчета затухания электромагнитного'поля в кабельной оболочке, изготовленной из магнитодиэлектрика, а также инженерных формул для расчета эквлвалентной величины магнитной проницаемости магнитодиэлектрика;

методики определения и ^программы расчета гоков и потенциалов з оболочке подземного кабеля по всел его длине при наличии скачкообразных изменений постоянной распространения на некоторых участках, в частности,, при наличии поперечной неоднородности-проводщюаги грунта.

Последняя методика использована в. процессе проектирования внутризоновой кабельной магистрали на участке Ош-Узген-Гульча,

гге,

5

что позволило скорректировать технические требования с учетом сближения с влияющими линиями.

Инженерные формулы для расчета затухания поля в магнитоди-электрике использованы для определения экранирующих свойств изготовленных промышленностью образцов кабелей с оболочкой из магнию диэ лектрика.

Основные положения, выносимые на защит?:

1. Развит метод оценки стойкости подземных кабельных линий связи к воздействию грозовых разрядов с-учетом свойств стальной брони и наличия электрических пробоев внешнего изолирующего шланга. Учет действия стальной брони позволил повысить точность определения напряжения в цепи жила-оболочка более чем на 30% при токах молнии до 10 кА и на 12% при токах до ТО кА. Учет пробоев внешнего изолирующего шланга позволил повысить'точность расчетов величины наводимого в кабеле напряжения при ударах'молнии в 5-6 раз по сравнению с существующим методом.

2. Предложены расчетные форвдлы для определения затухания поля в экранах из шгнитодиэлектрика и эквивалентной магнитной непроницаемости. Сравнение результатов расчетов затухания электрического и магнитного полей в экране из магнитодиэлектрика по предложенным в работе инженерным формулам с результатами эксперимента в спектре до I ¡«Гц для двух типов изготовленных промышленностью кабелей показало, ?то расхождение не превышает 16$ для наивысшей частоты.

3. Методика расчета тока и потенциала! з любых точках оболочки подземного кабеля при наличии на линии поперечной неоднородности проводимости грунта и других факторов, приводящих к внезапному (скачкообразному) изменению постоянной распространения линии позволила повысить точность в определении тока, протекающего в об0лочке кабеля. Так, ошибка при неучете даже, отдаленной неоднородности, проводимости земии может достигать 5-7/? и более.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Московской • конференции по электромагнитной совместимости (1991), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава. МТУСИ (1989-1992), на сессии научно-технического общества им. А.С.Попова (1990).

Публикации. Материалы диссертации' опубликованы в 6 статьях, а также изложены в научно-техническом отчете.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения,изложениях на 119 стр.печатного-текста, содержит 26 рис.» 29 табл.,- список литературы - 117 наименований.

6

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

30 ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы, дается анализ современного состояния исследуемых вопросов, ставятся цель к задачи исследования.

В ПЕРВОЙ ГЛАЗЕ диссертации производится анализ параметров наиболее опасных импульсных воздействий, к которым отнесены разряды молнии и электромагнитный импульс, который может возникать в особый период. Кроме того, с точки зрения определения столкости кабельных линий, важным моментом являётся амплитудно-временные параметры токов, протекающие в металлических покровах.

Защита кабельных линиЛ связи от грозовых разрядов является насущной задаче.:. Для уменьшения количества поврежденил можно принять меры защиты кабеля как при строительстве, так и в процессе эксплуатации .лагистрали. Были использованы различные средства и способы защиты, но повреждаемость кабелей связи в последние годы не снижалась и не всегда соответствовала расчетной величине.

Вопросам влияния внешних электромагнитных полел на линии связи уделялось внимание советских /Михаилов М.М., Разумов Л.Д., Соколов С„А., Хостенко М.В., Костиков В.7., Портнов Э.Л., Шварцман В.О./ и зарубежных /Зунде Э., Унгар С.Г., 'остер В., Рад-лел В., Хареон И. и др./ специалистов.

Вероятность появления молнии с амплитудой не менее 200 кА равна 0,055 от общего' количества наблюдавшихся молниевых разрядов, число ударов молний <5 током не менее 100 кА составляет 2,2;";. Количество повторных, следующих друг за другом импульсов по одному каналу, в большинстве случаев /от 25?, доч80'^/ колеблется от двух до пяти, и лишь в редких случаях /bi/ число импульсов может достигать десяти.

Импульсы тока молнии могут иметь не однообразную юрму.Так, например, наблюдались апериодические и периодические затухающие колебания, имеющие изломанную неправильную Ьорму, ¡«..пульсы с наложенными на основную '[юрму тока высокочастотными колебаниями с частотол до 100 кГц. Но от 40 до Э0% всех наблюдавшихся грозовых разрядов имеют <ьорму биполярного импульса.

ВТОРАЯ ГЛАЗА посвящена определению расстэяни: ме:>.цу точками пробоя наружного шланга подземного кабеля при ударе молнил.

При попадании молнии в землю с амплитудо: тока /0 „зокруг точки удара образуете.-: искровая зона, радиус которол зависит

гк 7

от удельного сопротивления и■электрическое прочности грунта, а такче от амплируды тока молнии. Зная радиус искровой зоны и потенциал ио ча поверхности искровой зоны перед пробоем, определим, что входное сопротивление земли приблизительно равно:

Входное сопротивление оболочки кабеля со шлангом в первом приближении можно считать равным половине волнового сопротивления цепи металлопокров-земля 2В .которое на фронте волны может быть принято равным:

2 2 Г* '

где £ш - относительная диэлектрическая проницаемость материала шланга;

Гш - радиус кабеля с шлангом; радиус кабеля без шланга.

Однако волновое сопротивление не постоянно и на спаде волны оно примерно равно

Ток канала молнии ¡0 рассеивающийся в земле, и ток /л = 21 к0 в оболочке кабеля обратно пропорционально входным сопротивлениям, причемг в каждую сторону по оболочке кабеля потечет полбёина тока ¡к .

Потенциалы точек земли и кабеля по мере удаления от точки удара молнии уменьшаются, на по-разному, и между заключенным в шланге металлопокровам и прилегающей к кабелю землей возникает разность потенциалов. При распространении по кабелю тока потенциал кабеля изменится на величину падения напряжения в кабеле, которое на небольшой длине в первом приближении равно

>

где 2г - продольное сопротивление металлопокрова; / - расстояние от точки удара.

Падение напряжения в земле равно

Сравнивая разность потенциалов между оболочкой кабеля и землей с. величиной электрической прочности шланга ¿/„„, определим расстояние I, от точки удара молнии до точки, где будет иметь место первый пробой

/__ЖШ^Л2 , , т.

2^-2 VI 2/^2г) +24

Если пробой происходит на фронте волны ,то эквивалентную

частоту следует определять из длительности фронта. Если пробой происходит на спаде волны, то эквивалентную часть целесообразно определять, лсходя из полной длительности волны Те .

Когда на расстоянии (, от точки удара молнии произойдет пробой шланга; в точке пробоя- часть тока (*■<, отвлечется в землю, а в оболочке кабеля останется ток .

При очень коротких импульсах электрическая прочность шланга повышается и поэтому следует рассматривать не величину тяектри-ческол прочности, а вольтсекундную характеристику изоляции шланга. Исходное уравнение, а преобразованном по Лапласу виде, можно записать следующим образом:

где iKo и i30lp) - изображение токов iKo[t) и t30(t)\

U (р)- изображения вольтеекундной характеристики

" W ;

ZZ{P)-RZ(P)1-PLZ- продольное сопротивление ~ZjP)c*PLz . Имеем соотношения:

1К0(Р)-оС70_(р) ;

4d>)-J*W>

причем величины

с£ —

-lel.

2S

fi-

ж.

zs *

которые в первом приближении можно считать постоянными и независимыми от р . Уравнение / / /примет вид:

Предразрядное время близко к Г^ и без большо,1 ошибки можно принять Ь№ - Тф , тогда

о// / J»___А/''* _ ц (т )

' 2 Гр 2X1,

откуда:

Величина

-Un/Sу) 2сС <„ ¿г

2cCfifiL2 / t»

Unf

где

П> Г,

- радиус кабеля без шланга;

- эквивалентныj радиус земли.

<5 /î

Л

M

з судествутаих руководствах и правилах при расчете вероятности повреждения .молниел кабеля с изолирующим длангом исходят из предпо. юления, что ток молнии попадает в оболочку только в точке удара и стекает в землю только через емкость и проводимость шланга по отношение к земле. -Это приводит к завышенной в несколько раз оценке вероятности повреждения цепи жила-оболочка. Между тем в реальности вдоль линии происходит ряд пробоев наружного шланга, через которыл ток может стекать с оболочки, и сво.ю-тва кабеля в шланге приближаются с точки зрения грозозащиты к сволствам кабеля без шланга. Учет пробоев наружного шланга позволяет повысить точность определения вероятности повреждения цепи жила-оболочка кабеля в шланге грозо 1 на величину от 200 до 500;®.

В этой главе были построены графики и'приведены результаты расчетов в таблицах, зависимость {, , /г, 4ч от удельного сопротивления грунта, амплитуды тока молнии, толщины шланга, в случае когда пробол происходит на фронте волны или на ее спаде, а так-ке с учетом вольтеекунднол характеристики для различных видов подземных кабеле/ связи в шланге.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена определению эффективности использования ферромагнитной брони'кабеля для защиты от импульсных электромагнитных возделствил.

Метод определения основйн на идее Юнга о постепенном распространении слоя насыщения внутри ферромагнитного экрана. Трубчатые, ферромагнитные экраны эффективны при высокочастотном экранировании. Однако они при насыщении теряют свои преимущества, поскольку частогд среза ^ увеличивается пропорционально уменьшению относительно:! магнитно л проницаемости ■ по мере насыщения экрана.

Когда начинается насыщение, практически весь ток протекает в насыщенном слое из-за большого полного сопротивления, присущего ненасыщенному материалу.

Предполагаемая теория учитывает влияние индукции насыщения, 'коэрцитивной силы, электрическол проводимости материала, амплитуду и форму тока молнии. Анализируется-эффективность экранирования с помощью ферромагнитных материалов.

3 данной главе большое внимание уделено раскрытию физичес-кол картины в первые десятки микросекунд от начала ллектромагнитного импульса при сильных полях.

Экранирование является достаточно хорошим, пока насыщенный

слой не проникает полностью на внутреннюю поверхности (Зрони. Если полны 1 заряд импульса достаточно велик, чтобы сместить елол насыдения на всю толщину материала, то величина сигнала в центральном проводнике остается малоЛ, пока слой насыщения не достигает внутренне.! поверхности брони.

Для определения экранирующего элректа магнитного экрана был рассмотрен кабел£ с металлической свинцово'д или алюминезол оболочкой, поверх которой имеется бронз. Для упрощения будем считать, что броня выполнена в виде тонкого сплошного цилиндра с толщинод стенки Л ,, а между броне.: и оболочкол имеется тонки.: ело': изоляции. Однако,, если поверх металлическое оболочки имеется ^ерромагнитны-.: элран, то ток разряда молнии прежде чем попасть в оболочку-протекает сначала по внешней поверхности экрана, при этом из-за поверхностного эриекта ток будет сосредоточен в узком приповерхностном слое. Если броня не намагничена, то В=0. Чтобы намагйитить эту узкую полоску до насыщения, необходим относительно малы! ток вследствие высокой крутизны петли гистерезиса.

Так как напряженность электрического поля направлена вдоль кабеля, то из второго уравнения Максвелла следует, что в области насыщения Зл - 3^ = сот? Л =Ю.

Используя интегральную Формулу 1-го закона Максвелла вдоль наружного насыщенного слоя,где: 2 (/•„) = соп5^ получим:

]оВ(п>)-2Х^ ¿Г = 2Хго д<5е(г)-^нЛ-н(го)2ЗГг„ ,

откуда"' н(г0)-<5б £(г0) ,

где /5 - радлус кабеля;

* (3 - электрическая проводимость материала оболочки; в - толщина насыщенного слоя; Л - толщина брони. Вне насыщенно,: области Е (%) =0, следовательно Е (£-¿^=0,

поэтому: Е(^)= В,"^- •

Так как Н(ге) = 110 (7],то получаем уравнение:

- мм ,

6 л б в,

где НаЦ)

откуда

0 1 о

где б, - время насыщения слоя; ((/)- ток а10лнии. Зсли в = л , то время насыщения брони находится из

интегрального уравнения: у

и

Заметим, что £/ {()сИ - 0 ({мас) - заряд, прошедший по оболочке к моменту . лсли ток молнии представлен в фор-

ме:

Хг0<з Вц /т* \ в а

при определенных значениях параметров а, 6 , г , в , 6. , 7 .

О «у /1

Решается это уравнение численными метода..«.

Прошедший заряд определяется главным образом длительностью импульса, поэтому зарядаш, прошедшими за ьремя дронта, можно пренебречь, т.е. /

откуда

е"*-лг ахгв вс ,

а Г-й2аГг0 &3£

В это 1 главе были приведены расчеты вре .:ени насыщения в функции от амплитуды тока молнии /10+250 кА/,.уи различных материалов брони /50 ШРЛ, 65 НП, кремнистая сгаль, железо, углеродистая сталь/,имеющих разную проводимость и разную индукцию насыщения. Также были проведены расчеты времени насыщения в Фун-' кции от толщины ферромагнитной брони /0,1+1,5 мм/. В диссертации приведены результаты расчета времени насыщения на разных видах кабелей связи тина /МКСБ, ЗКВБ, УлСА.БпГ,МКСРБп л др./.Нри-• ведены также результаты расчета времени насыщения в зависимости от Тв и Тр .

Анализ показывает, что за счет конечной величины времени насыщения стальной брони величина напряжения в цепи жила-оболочка при токах до 10 кА оказывается на ЗСЙ меньше, чем при мгновенном насыщении, а при токах до 70 кА - на 12$ меньше.Неучет времени насыщения стальной брони при протекании по оболочке кабеля тока молнии приводит к соответствующим ошибкам и при определе-

нии вероятности повреждения кабеля.

Результаты расчетов напряженил в цепи нила-оболочка с учетом и без, насыщение стали при различных токах молнии приведены на

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена определению экранирующих сволств оболочек кабеля из магнитолаэлектриков.

Под магнитодиэлектриком понимается материал, язготовленныл по определенной технологии чз смеси магнитных и диэлектрических частиц. Магнитодиэлектрики сочетают в себе некоторые свойства пластмассы /гибкость, малыл вес, простота изготовления, дешевизна/ и металла /высокие экранирующие свойства/, и успешно используются в качестве кабельных оболочек, обладающих экранирующим действием.

Внутри магнитных и диэлектрических частиц градиенты электрического поля сильно отличайтся друг от друга. ч

Если бы материал был изготовлен лз чистого магнетика, то электрическое поле в материале изменялось бы по круто па-

дающел криЕо.1, так как магнитная проницаемость в этом

случае достаточно большая величина. Если материал изготовлен из чистого диэлектрика без включения магнитных частиц, то кривая £д(г) представляет собол пологую медленно падающую линию.

В случае магнитодиэлектрика £(г) будет изменяться ступенчато, занимая промежуточную позицию между'первыми двумя кривыми. Существенное значение для экранирующих свойств имеет собственная проводимость магнитных частиц.

Математическая модель магнитодиэлектрика может быть представлена в виде бесконечного количества пар бесконечно тонких

слоев, причем в каждой паре один слол состоит из диэлектрика, дру гол - из магнетика. Если насыщение магнитных частиц отсутствует, то, используя уравнения Максвелла, можно получить выра-кения для величин затухания электрического и магнитного полел. Например, в цилиндрическом экране из магнитодиэлектрика: I/ при низких частотах:"

- Ы-2.17** (£- ^^

2/ при высоких частотах: . Л» _

я р ... I \ /—' Ы&»

МпогН. . Убг7 Мбогн.

где и наружны! и внутренний радиус цилиндра из

магнитодиэлектрика, М;

<Э~н и (Г, - удельная электрическая проводимость магнетика и диэлектрика; и - частота,Гц;

- абсолютная магнитная проницаемость вакуума;

^Лдогм ~ относительные магнитные проницаемости магнетика и диэлектрика; ф - размеры частиц магнетика; 6д - расстояние между ними.

Были проведены расчеты и измерения зависимости затухания магнитного поля в функции от частоты для изготовленных промышленностью реальных кабелел с оболочкой из магнитодиэлектрика /кабель Л I, черный и кабель Л 2 красный/. Отличие между этими оболочками состоит в том, что у них разные коэффициенты наполнения магнитного вещества,, л магнитная проницаемость магнитных веществ.

В диссертации рассчитано затухание,магнитного поля в зависимости от относительного объемного наполнения магнитных веществ к приведены результаты расчета затухания магнитного поля в зависимости от толщине магнитоди электрической .оболочки а . Для . проверки расчетов были проведены экспериментальные исследования параметров экранирования. Воздействующее на испытуемое кабельное изделие .электромагнитное поле возбуждается кольцами Гельмгольца.

В качестве исследуемого параметра, характеризующего степень помехозащищенности цепей кабельного изделия, выбрано затухание экранирования А3 , при этом измерялась .^ДС помех, наводимая в жилах /оследуемых экранированных образцов. Проведено сравнение ме<ду ¡^счетами и экспериментальными результатами. Сравнение показало пи красное совпадение предсказанных и окспериментальк«;. вел/чин.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена исследованию влияния поперечной неоднородности грунта на величину потенциалов и токов, индуктируемых в оболочке подземного кабеля линии связи. В этой.работе был рассмотрен вариант, когда в земле на некоторой глубине проложен металлическиа провод или кабель с параметрами Л , I , д и С , а земля имеет удельную проводимость ^ и бг . Направим ось X по оси провода. Под поперечной неоднородностью грунта понимаем внезапное изменение /скачком/его проводимости вдоль оси X, т.е. в области X < Х0 грунт имеет удельную проводимость <э, , а в области X > Х0 грунт имеет удельную проводимость <э2 • Границе'! раздела является плоскость, проходящая через .точку Х0 и перпендикулярная оси X и по поверхности земли.

Изменение проводимости грунта влияет на распределение тока и потенциалов провода /или оболочки кабеля, если вместо провода рассматривать кабель в металлической оболочке/ на обоих участках.

Полагаем, что ток, протекающий по оболочке кабеля,.и.его потенциал имеют гармонический характер. Тогда ток и потенциал подчиняются телеграфным уравнениям.

Параметры линии Е и / на каждом участке,вообще говоря, постоянны, но на всей линии зависимость'от X, например, величины в , выражается формулой: ' .!

3 9(*)~9, * ч(*о),

где у(х) - единичная функция.

д1 - проводимость между проводом и землей в области I, д - проводимость между проводом и землей в 2 области 2.

Постоянное распространение ¿[~ теперь не является константой на всей длине провода и зависит от X следующим образом:

Н*) ?(*с) <г/ '

где ^ - постоянная распространения на участке /О,Х0/

Р, ¿, С и у - параметры цепи провод-земля /оболочка-земля/ на участке /О.Х^, ¿ + ¿1, те же параметры на'участке X > Х0;

а2)[У* постоянная распространения на учас-

Нетрудно показать, что при не слишком высоких частотах и не слишком больших ' величины продольных сопротивлений

ггс 15

I на обоих участках приблизительно равны, тогда:

Решением системы телеграфных уравнений для условие участка I ЯБ.мется выражение:

и(х)-А,в/Г-х+А2в!!ЛАь е-кх ,

(А, Ь Кёк*-А2 ь е-*.*),

а для участка 2:

и (х) - Ач е-Ъх-А&е~«х ;

Величины постоянных интегрирования определяются из граничных у с лови I.

Расчеты по это л главе были приведены в случае, -где подземны., кабель связи с металлической оболочкой /радиусом = 13 мм/г проложен в зем.":о с удельным сопротивлением на первом участке равном 100 Ом.к; а на втором участке = 500 Ом.ы.

В диссертации приведена зависимость амплитуды тока от Х/Х= 0,25, 50, 75...200 м/ при различных частотах / = 50,100,200, 500,Ю3,2 х Ю3.. ЛО8 Гц.

ОСНОЗНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННО"! РАБОТЫ

Анализ статистических данных показал, что наблюдаемые повреждения кабеле: линий связи от ударов молнии не всегда соответствуют расчетным результатам, поскольку не учитывается ряд факторов, влияющих на грозостолкость кабелей. В данной диссертации были рассмотрены некоторые причины этого'несоответствия и получены результаты, позволяющие внести соответствующие поправки.

1. Показано, что при наличии шланга при распространении по оболочке тока молнии между металлической оболочкой кабеля и землей возникает разность потенциалов, которая приводит к пробоям ■шланга. Через точки пробоев часть тока, иногда до 50/5 в зависимости от параметров земли,стекает с оболочки в землю. Рассмотрены варианты, когда пробой происходит на фронте и на спаде ' импульса тока.

2. Получены .уормулы для определения расстояний между точками пробоя шланга в зависимости от амплитуды тока молнии, проводимости оболо-жи, удельного сопротивления.земли, электрической

точности шланга и т.п. В частности, показано, что расстояние между точками пробоя шланга составляет от нескольких метров до нескольких сотен метров. Это расстояние слабо зависит от удельного сопротивления земли и определяется главны.,; образом амплитудой тока'молнии, проводимостью оболочки п электрической прочностью шланга.

3. Показано, что в результате пробоев изолирующего шланга и стекания тока уменьшение тока в оболочке в кабеле со ылангсм становится сопоставимым с затуханием тока в оболочке кабеля без шланга,т.е. находящегося в хорошем контакте с землей и поэтому напряжение между жилами и металлической оболочкой в обоих типах кабелей также сопоставимы. Таким образом, с точки зрения грозозащиты оба типа кабелей /в шланге и без/практически эквивалентны. Учет пробоев наружного шланга позволяет повысить точность определения вероятности повреждения цепи жила-оболочка кабеля в шланге при грозе на величину от 200 до 600р.

4. В третьей главе был рассмотрен вопрос учета времени на-

• сьпцения стальной брони при протекании по ней тока молнии, которое можно определить, зная величину прошедшего заряда. Так как длительность многих импульсов, например, импульсов тока молнии составляет несколько десятков микросекунд, то оказывается, чао значительная часть импульса поля в течение времени насыщения практически задерживается экраном. Таким образом,зная амплитуду и форму импульсов внешнего поля и параметры экрана, можно определить время насыщения и эффективность стального экрана при мощных импульсных помехах. При наличии брони ток в обо-, лочке появляется не сразу, а по прошедствии некоторого времени, изменяясь при этом скачком. Чем больше время насыщения,тем меньше в результате наведенное напряжение. Показано, что наличие брони снижает наведенное напряжение в среднем на 10-15%, а в некоторых случаях и на 20-30$ в зависимости от амплитуды тока молнии.

5. Из анализа формул видно, что при очень больших амплитудах тока молнии /50 кА и более/насыщение происходит за несколько микросекунд и влияние броня на величину напряжения в цепи жила-оболочка шло,снижается всего на несколько процентов.

. При относительно малых токах /от 10 до 20 кА/влияние брони на уменьшение напряжения велико, напряжение в цепи жила-оболочка уменьшается на 20-30$.Эквивалентная величина у в этом случае меняется в броне в зависимости от амплитуды тока, при этом у*

гге 17

на внешней и внутренней поверхности экрана разные.

6. Показано, что материалы, образованные из магнитодиэлект-рика, обладают экранируцщими свойствами и могут быть использованы для изготовления кабельных оболочек и шлангов с экранирующими свойствами.

7. Выведены простые ..инженерные формулы для определения электрического и магнитного затухания кабельной оболочки, изготовлен-ноё из магнитодиэлектрика.

8. Рассчитаны зависимости затухания экранирования в электрическом и магнитном полях в функциях частоты конструктивных параметров экрана и свойств материала э1фана, которые позволяют определить количественную степень влияния перечисленных параметров на величину Ан, необходимую при конструировании экранов из магнитодиэлектринов.

9. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что расхождение не превышает 1652 даже на частоте I МГц для образцов кабелей, изготовленных промышленностью.

10. Разработай метод учета поперечной неоднородности проводимости грунта на,затухание гармонических составляющих тока и напряжения в цепи оболочка кабеля-земля.

11. Разработан метод определения.-ватухания импульсов тока в оболочке подземного кабеля связи при резком изменении параметров окружающей среды ^(соответственно меняются параметры цепи земля-оболочка), например, проводимости окружающей среды.

Метод может быть использован при учете изменения параметров самого подземного кабеля, часто это происходит, когда соединяют кабели с различной толщиной или материалом оболочки.

Полученные результаты позволяют объяснить наблюдающиеся расхождения между расчетными и реальными данными и существенно уточнить методику определения вероятного числа повреждения кабелей ударами молнии.

По теме дирсрртации опубликованы следующие шботы:

1. Jös^Moüte vr Ufl CiM e^5 „

/ Определение помехозащитных свойств материалов из магнитодиэл-ектрика / Адр.-;з£улейман ¡/сеф

2. (LW'ifeiUl Akilljlkjüi ¿hic^eiäUli o^Ü mJ) tf ^^Ot^l/^oU-^Uü'o^^U)

/ Определение расстояния :.:ежду точками пробоя наружного шланга подземного кабеля при ударе молний./ Адель Сулейман Юсеф

3. Влияние насыщения на помехозащитные свойства стали при импульсных электромагнитных воздествиях // Тез. докл. научно-техническом семинаре " Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств" 23-24 апреля 1991 г. с. 26// Соколов С.А.,Юсеф A.C.

4. Определение помехозащитных свойств материалов из магнитодиэле-ктрика . // Тез. докл. научно-технического семинара "Обеспечение электромагнитной совмистимости технических средств " 23-24 эпое.т» 1991 г. с. 32 // Соколов С.А.,Юсеф A.C.

5. Определение эквивалентного затухания электромагнитного поля в табельной оболочке из магнитола электрика // Юсеф А.С.,Соколов С.А. Тез. докл. на юбилейной научно-технической конференции профессор-ско- преподавательского состава, сртрудников научно- исследовательской части и аспирантов По итогам научных исследований в 1990 г. 29-31 января 1991 г. с. 49..

G. эффективность использования стальной брони кабеля для защиты от импульсных электромагнитных воздействий // Юсеф А.С.,Соколов С.А. Тез. докл. на юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников научно-исследовательской части.и аспирантов по итогам научных исследований в 1990 г. 29-31 января 1991 г. с. 49 .

Подписано в печать 23.04.92г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Объем 1,0 усл.п.л. Тирах 100 экз. Заказ 22S. Бесплатно.

ООП МП "Информсвязыгздат". Москва, ул. Авиамоторная, 8.