9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

в электрических сетях выполняется по одному из

следующих принципов [4]:

- стабилизация по заданному графику напряжения;

- встречное (согласное) регулирование.

Могут рассматриваться и другие подходы к вы-

бору закона регулирования напряжения. Например,

во Франции используется подход, основанный на

минимизации ущерба, наносимого потребителю при

отклонениях напряжения от номинального значения.

Напряжение на понижающей ПС регулируется так,

чтобы обеспечить потребителям сети с наибольшим

потреблением электроэнергии напряжение, близкое к

номинальному. Тогда эффективным может быть ре-

гулирование напряжения, при котором отклонения

напряжения от номинального значения минимизи-

руются или хотя бы снижаются. При этом желатель-

но одновременное снижение потерь активной мощ-

ности в сети.

При развитии активно-адаптивных сетей интел-

лектуальных энергосистем структура распредели-

тельных и основных сетей схожи, источники генера-

ции присутствуют в сетях обоих типов, возникаю-

щие при функционировании проблемы аналогичны

(например, усложнение схемы сети, рост токов ко-

роткого замыкания). Тогда возникает необходимость

в математическом аппарате, позволяющем обобщить

сведения о параметрах сети, их влиянии на необхо-

димость и возможность регулирования напряжения.

Следует отметить, что параметры установивше-

гося режима (уровни напряжений в узлах, потери,

токовая загрузка линий) в значительной степени зави-

сят от степени неоднородности сети. Если для раз-

личных участков сети, выполненной воздушными

линиями с проводами различных сечений или воз-

душными и кабельными линиями, у которых соот-

ношение X/R ≠ const, то такая сеть будет неоднород-

ной. К сетям с высокой степенью неоднородности

относятся смешанные кабельно-воздушные сети одно-

го напряжения, встречающиеся в мегаполисах. Сни-

жение неоднородности сети возможно, например, при

использовании управляемых устройств продольно-

емкостной компенсации (УУПК), позволяющих изме-

нять реактивное сопротивление участка сети, регули-

ровать напряжение. При уменьшении степени неод-

нородности в сети 110-220 кВ наблюдаются тенден-

ции к снижению потерь напряжения (повышению

качества электроэнергии) и потерь активной мощно-

сти в сети, а также увеличению уровня напряжений в

узлах, повышению пропускной способности сети.

Таким образом, воздействуя на параметры сети,

можно одновременно решать несколько задач.

Еще одним из вариантов изменения напряжения

является изменение реактивной мощности в узлах

сети путем установки в них устройств поперечной

компенсации. Кроме возможности регулирования

напряжения компенсация реактивной мощности по-

зволяет снизить потери напряжения и потери актив-

ной мощности в сети. В тех случаях, когда переда-

ваемая активная мощность ограничивается допусти-

мыми токами по нагреву, за счет разгрузки сети от

реактивной мощности можно увеличить пропускную

способность по активной мощности, то есть появля-

ется возможность решить сопутствующие задачи.

Представляет интерес анализ возможности из-

менения напряжения узлов, зависящего только от

конфигурации и параметров сети. Если предполо-

жить, что узлы, уровень напряжения которых слабо

зависит от изменения их реактивной нагрузки, пола-

гаются жесткими, в противном случае узлы считают-

ся сенсорными, то одна из характеристик узла

∆Y(разность между его собственной и суммой вза-

имных проводимостей) может служить обобщенной

характеристикой узла в электрической сети. Реак-

тивная составляющая ∆B этой характеристики может

иметь емкостный характер (узел жесткий) или ин-

дуктивный (узел сенсорный). Если преобладающей

является емкостная проводимость ∆B, то при сниже-

нии напряжения в узле генерируется дополнительно

реактивная мощность, и напряжение снижается ме-

нее интенсивно, оно является более стабильным,

может не потребовать дополнительных мер по ста-

билизации, но при этом могут быть значительными

токи короткого замыкания. Если проводимость ∆B

индуктивная, то дополнительная реактивная мощ-

ность потребляется, и напряжение продолжает сни-

жаться, причем на большую величину, чем в жест-

ком узле, но и токи короткого замыкания становятся

меньшими по величине относительно токов в жест-

ком узле. Таким образом, предлагаемый подход по-

зволяет до расчета и анализа установившегося режи-

ма вынести суждение о влиянии жестких или сен-

сорных узлов на возможность нормализации уровней

напряжения в сети, зависящей только от параметров

сети. В качестве дополнительной информации мож-

но получить оценку возможности сети по ограниче-

нию токов короткого замыкания, так как жесткие

узлы могут быть проблемными по токам короткого

замыкания.

В результате вышеизложенного получен вывод

о необходимости анализа влияния изменения конфи-

гурации и параметров схемы на допустимость (сни-

жение отклонения напряжения от номинального зна-

чения до величин, меньших 5%) и экономичность

(снижение активных потерь в сети) режима. Эти ве-

личины являются взаимосвязанными, поэтому удоб-

нее всего исследовать их изменения совместно.

Предварительная оценка ранжированного списка

жестких и сенсорных узлов позволяет до расчета

установившегося режима сделать следующие выво-

ды:

- напряжение в жестких узлах достаточно стабиль-

но, поэтому меры по его стабилизации в некотором

диапазоне изменения режима могут не потребовать-

ся;

- установка емкостных устройств продольной или

поперечной компенсации можно рекомендовать

вблизи сенсорных узлов, имеющих индуктивное зна-

чение ∆B;

- вблизи узлов с емкостным значением ∆B и повы-

шенными напряжениями можно рекомендовать ус-

тановку реакторов или иных устройств компенсации

сходного действия.

Такой подход позволит уменьшить жесткость

или сенсорность узлов, выравнивая общую картину в

сети, что приведет к получению допустимых и более

экономичных режимов.

Для проверки указанных тезисов в шестнадца-

тиузловой тестовой схеме были построены ранжиро-

ванные по степени возрастания ∆B (жесткости узлов)

списки узлов, а затем проведены расчеты устано-

вившихся режимов, сопоставление результатов кото-

рых подтвердило влияние степени жесткости узлов

на возможность регулирования напряжения и сни-

жение активных потерь в установившихся режимах.

Тяжелый базовый режим характеризовался выбороч-

ным средним (ВС) значением отклонения напряже-

ния от номинального значения 10.73 кВ, среднее

квадратическое отклонение (СКО) составило 6.72

кВ. Объем компенсации был одинаковым, но при

установке УКРМ в жестком узле ВС и СКО снизи-

лись до 1.26кВ и 1.25 кВ соответственно, потери ак-

тивной мощности – на 5.8 МВт; для сенсорного и

промежуточного (между жестким и сенсорным) узла

эти величины составляют соответственно: 1.96 кВ,

2.42 кВ и 5.5 МВт; и 3.77 кВ, 7.15 кВ и 0.8 МВт. При

управлении в жестком узле получено наиболее эф-

фективное воздействие с точки зрения и нормализа-

ции напряжения и одновременного снижения потерь

активной мощности в сети. Управление в сенсорном

узле несколько менее эффективно, а в промежуточ-

ном узле еще менее эффективно.

Для перспективной схемы части Московской

энергосистемы были получены следующие данные:

ликвидация секционирования (изменение конфигу-

рации схемы,) в сети 110 кВ привела к снижению

активных потерь в сети на 2 МВт, средних отклоне-

ний напряжения от номинальных значений от 6.1%

до граничных параметров 5%. Уменьшение степени

неоднородности сети (установка УУПК в рассечку

линии, изменение параметров схемы) – к снижению

активных потерь на этом участке сети на 9.8%, уве-

личению напряжения в среднем на 1.5 кВ, что позво-

лило сделать режим допустимым по уровням напря-

жения.

Расчеты в Ленинградской энергосистеме под-

твердили ранее сделанные выводы, позволили вы-

явить влияние жестких узлов на нормализацию на-

пряжения в сети: при одинаковом изменении реак-

тивной мощности в узлах. Результаты расчета в сети

110 кВ показали, что напряжение в жестком узле

изменяется на 4%, а в сенсорном – на 9% относи-

тельно напряжения в базовом режиме при равных

управляющих воздействиях.

Литература

1. Правила технической эксплуатации электри-

ческих станций и сетей Российской Федерации. Ут-

верждено Приказом Министерства энергетики Рос-

сийской Федерации №229 от 19 июня 2003г. Изд-во:

Производственная служба передового опыта экс-

плуатации энергопредприятий ОРГРЭС, М., 2003

2. «Электрическая энергия. Совместимость

технических средств электромагнитная. Нормы каче-

ства электрической энергии в системах электроснаб-

жения общего назначения» ГОСТ 13109-97. Переиз-

дание, 2002.

3. Методические указания по устойчивости

энергосистем. Утверждены Приказом Минэнерго

России от 30.06.2003 №277.

4. Герасименко А. А, Федин В. Т. Передача и

распределение электрической энергии. – Изд. 2-е. –

Ростов-на-Дону: Феникс, 2008.

СПЕЦИАЛЬНОЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ

ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ПЕРСОНАЛА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

А.

ОРИСОВ

ОССИЯ

Д.

А.

ИТИКИН

ОССИЯ

А.

Д.

АВЧУК

ОССИЯ

В.

РОМОВ

ОССИЯ

ФГУ ВПО «Военный инженерно-технический институт», marisnega@rambler.ru

Аннотация. В докладе рассматривается конструктивное решение специального заземляющего уст-

ройства, обеспечивающего эффективное снижение шаговых напряжений и перенапряжений, зате-

кающих на технические системы.

Abstract. In the paper a constructive solution of the special grounding device that provides an effective re-

duction of the step voltage and overvoltage leaking to technical systems is discussed.

Возникающие внештатные режимы работы (ко-

роткие замыкания, несимметричные режимы и др.)

представляют опасность как для электрических сетей

и сопровождаются перенапряжениями технических

средств (ТС), так и для обслуживающего персонала.

Наибольшие уровни перенапряжений в данных слу-

чаях наблюдаются, как правило, вблизи заземляю-

щих устройств (ЗУ), входящих в состав электриче-

ских сетей и подключенных к ним ТС. Снижение

указанных перенапряжений до безопасных для ТС и

персонала уровней может быть достигнуто посредст-

вом оптимальных конструкций ЗУ.

В настоящей статье рассматривается конструк-

тивное решение специального ЗУ, обеспечивающего

эффективное снижение шаговых напряжений и пе-

ренапряжений, затекающих на ТС.

Для защиты ТС от опасных напряжений, а об-

служивающего персонала от шаговых напряжений в

[1] рекомендуется специальное ЗУ (рис. 1). В качест-

ве недостатков данного ЗУ отмечается его низкая

эффективность при отсутствии грунтовых вод и вы-

сокая стоимость. В состав данного ЗУ входит фар-

форовый изолятор, электрофизические характери-

стики которого существенно зависят от окружающей

среды. Учитывая то, что изолятор располагается в

грунте, его электрическая прочность значительно

снижается, что может привести к электрическим

пробоям корпуса изолятора.

Для исключения указанных недостатков ав-

торами предложено принципиально новое техниче-

ское решение специального ЗУ (рис. 2). В частности,

верхний металлический электрод выполняется из

одножильного электрического кабеля, место присое-

динения которого к нижнему металлическому элек-

троду надежно изолировано от окружающей среды.

Рис. 1. Двухзональный электрод рабочего

заземления.

1 – металлический электрод, 2 – скважина, 3 – водо-

носный слой, 4 – контейнерная сетка, 5 – изолятор

фарфоровый, 6 – грунт.

а)

б)

Рис. 2. Двухзональный электрод рабочего

заземления:

а - в обсадной трубе;

б - в обсадной трубе в виде контейнера из сетки.

1 – грунт, 2 – скважина, 3 – электрический кабель, 4

– металлический электрод, 5 – обсадная труба, 6 –

отверстия, 7 – углеродистая засыпка, 8 – место со-

единения, 9 – водоносный слой, 10 – контейнерная

сетка.

Нижний электрод ЗУ размещается в обсадной

трубе, заполненной углеродистыми фракциями. Об-

садная труба может быть выполнена в виде перфо-

рированных отверстий (рис. 2 а), либо в виде кон-

тейнерной сетки (рис. 2 б).

Изготовление верхнего металлического элек-

трода из одножильного электрического кабеля по-

зволяет существенно упростить и удешевить конст-

рукцию ЗУ, а также повысить его надежность и зна-

чительно снизить величины перенапряжений, зате-

кающих на ТС. Данное ЗУ также значительно сни-

жает величины шаговых напряжений, по сравнению

с ЗУ, в состав которого входит фарфоровый изолятор

(рис. 1).

Конструкция ЗУ, приведенная на рис. 2, позво-

ляет обеспечить распределение зарядов электриче-

ского тока в грунте по сферическим потенциальным

линиям в направлении к поверхности грунта, что

существенно предотвращает вынос потенциала на

поверхность грунта. Данная конструкция ЗУ соот-

ветствует требованиям правил технической эксплуа-

тации электроустановок потребителей. ЗУ соответ-

ствует требованиям государственных стандартов,

правил устройства электроустановок, строительных

норм и правил и других нормативно - технических

документов, обеспечивающих условия безопасности

людей, эксплуатационные режимы работы и защиту

электроустановок.

Конструкция предложенного ЗУ защищена па-

тентом РФ [2].

Литература

1. Патент РФ: RU 2003127658 от 27.03. 2005г.,

МПК H01R4/66.

2. Патент РФ: RU 2416137 от 10.04. 2011г.,

МПК H01R4/66.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

НА ПОЛНОСТЬЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ

С.

А.

ОКОЛОВ

ОССИЯ

Московский технический университет связи и информатики

e-mail: s.a.sokolov@list.ru , stanislav.a.sokolov@gmail.com

Аннотация. В докладе обсуждается вопрос воздействия грозовых разрядов и высоковольтных ли-

ний электропередачи на оптические кабели, не имеющие металлические элементы в своей конструк-

ции. Распространено заблуждение, что диэлектрический оптический кабель не подвержен воздейст-

вию внешних электромагнитных полей. Между тем, при воздействии на оптическое волокно внеш-

него поперечного электрического поля или продольного магнитного, возникающих при ударе мол-

нии вблизи проложенного в земле оптического кабеля, плоскость поляризации распространяющего-

ся по волокну света поворачивается на некоторый угол. При подвеске оптического кабеля на опорах

ЛЭП, по поверхности загрязнённой оболочки кабеля протекают токи, приводящие к его разрушению.

Abstract. The problem of exposure of lightning strokes and high voltage transmission line on optical fiber

cable without any metal in its construct is discussed in the paper. There is wrong belief that a dielectric opti-

cal fiber cable is not open to the influence generated by electromagnetic fields. Meanwhile, if external trans-

verse electrical field (or longitudinal magnetic) is acting on the optical fiber (such as lightning stroke close

to buried cable) the polarization plane of spreading light in fiber is rotated. It is known too that currents

flowing on the polluted surface of an optical cable hanging on power transmission towers damage the cable.

Введение

При ударе молнии в землю в области вокруг

точки удара возникают сильные электрическое и

магнитное поля. Если поблизости от точки удара в

земле проложен оптический кабель, то внешнее

поле взаимодействует с полем распространяющего-

ся по оптическому кабелю света, в результате чего

возможен поворот его плоскости поляризации. Ес-

ли при этом применяется волновое уплотнение, то

по волокну передаётся пакет волн, каждая из кото-

рых поворачивается на свой угол, и в результате

могут возникнуть сбои в передаче сигналов. Если

оптический кабель подвешен на опорах высоко-

вольтных ЛЭП, то вдоль поверхности оболочки

кабеля возникает сильное электрическое поле, вы-

зывающее протекание тока по поверхности загряз-

нённой влажной диэлектрической оболочки кабеля.

При подсыхании оболочки в некоторых местах

возможны пробои по поверхности оболочки, при-

водящие к её повреждению.

В последнее время получает распространение пере-

дача по оптическим волокнам пакетов сообщений,

причём передача каждого пакета может осуществ-

ляться по разным линиям. Объединение пакетов

происходит в конечной точке передачи. Поэтому

вероятность грозового повреждения линии и опас-

ность для передаваемого сигнала в этом случае в

разные моменты времени различны. В докладе рас-

сматриваются некоторые аспекты этих проблем.

Поляризационная модовая дисперсия в оп-

тическом кабеле с волновым уплотнением при

ударе молнии

При ударе молнии в землю вблизи проложен-

ного оптического кабеля под действием поперечно-

го электрического поля плоскость поляризации

распространяющегося по волокну света поворачи-

вается на некоторый угол φ, который зависит от

величины поля и длины волны:

φ = 2π K(λ)·Е

·L, (1)

где Е – напряжённость электрического поля; L –

длина участка, на котором кабель подвергается

воздействию поля; К – постоянная Керра, которая

зависит от коэффициента преломления n, темпера-

туры Т и длины волны λ :

К = F(n,Т, λ) =

),( Tnf

(2)

Конечно, немедленного повреждения кабеля

при этом не происходит, но при повороте плоско-

сти поляризации света возникают составляющие

поля по главным осям сечения волокна, и, если

имеется небольшая эллиптичность волокна, в даль-

нейшем появляется дополнительная поляризацион-

ная модовая дисперсия (ПМД). Обычно при про-

кладке кабеля в грунтах с малым удельным сопро-

тивлением величина угла поворота невелика, и если

в аппаратуре нет элементов, чувствительных к по-

ляризации, это явление проходит незамеченным.

При сильной грозе и близком ударе молнии пово-

рот плоскости поляризации может превышать 45º и

даже 90º. Поворот плоскости поляризации, напри-

мер

на 45 градусов при удельном сопротивлении

100 Омм осуществляется примерно один раз в 5

лет, а при ρ = 400 Омм уже один раз в два года.

При ρ = 2000 Омм это случается чаще чем раз в

год, а при ρ = 5000 Омм два с половиной раза в год.

Развитие систем волнового мультиплексиро-

вания со всё возрастающим числом несущих при-

вело к тому, что в одном окне прозрачности может

передаваться несколько десятков, а то и сотен волн,

сдвинутых друг относительно друга на доли нм.

Поэтому поворот плоскости поляризации для всех

волн будет разный, и при прочих равных условиях

короткие волны сместятся на больший угол по

сравнению с длинными волнами.

Если первоначально все волны имели одну и

ту же (например, вертикальную) поляризацию и

распространялись вдоль одной из главных осей (так

как волокно имеет некоторую эллиптичность), то

после поворота короткие волны будут иметь боль-

шую составляющую вдоль горизонтальной оси, а

длинные волны будут иметь относительно большие

вертикальные составляющие. В результате при

дальнейшем распространении длинные волны бу-

дут иметь преимущественно вертикальную поляри-

зацию, а короткие волны – горизонтальную. К оп-

тическому усилителю могут подойти пакеты волн с

разной поляризацией, что может создать проблемы

в фильтрах и изоляторах. К поляризации чувстви-

тельны некоторые типы усилителей, например, по-

лупроводниковые лазерные и Рамановские усили-

тели. Известно также, что короткие и длинные

волны распространяются с разной скоростью

вследствие зависимости коэффициента преломле-

ния от длины волны: в одном диапазоне короткие

волны запаздывают по сравнению с длинными вол-

нами, в другом наоборот. Следовательно, опреде-

лившиеся пакеты волн с разной поляризацией бу-

дут иметь ещё и разную скорость распространения.

Таким образом, скорость распространения волн

разной поляризации будет разной, и в результате

воздействия молнии возникает дополнительная

поляризационная модовая дисперсия.

Сдвиг во времени зависит от величины элек-

тромагнитного поля и времени его воздействия, от

величины частотного промежутка между соседни-

ми волнами, от показателей преломления вдоль

осей. Если волокно имеет эллиптичность, то коэф-

фициенты преломления вдоль вертикальной и го-

ризонтальной плоскостей практически всегда не-

сколько отличаются, и положение ещё более усугу-

бится. Такого рода поляризационная модовая дис-

персия может создать проблемы при взаимодейст-

вии с временным мультиплексированием и синхро-

низацией при больших скоростях передачи.

Аналогичные явления происходят при воздей-

ствии сильного продольного

магнитного поля, но

величины поворота плоскости поляризации при

этом значительно меньше.

Повреждения подвесных оптических кабелей

Известно [1], что оптические кабели, подве-

шенные на линиях электропередачи, подвергаются

специфическому виду внешних воздействий, свя-

занному с электрическим пробоем по поверхности

оболочки кабеля из изолирующего материала. Ве-

личина продольной составляющей напряжённости

электрического поля вдоль кабеля может превы-

шать величину порядка 20 кВ/м, особенно вблизи

поддерживающей опоры, где опора и кабель распо-

ложены на кратчайшем расстоянии друг от друга.

Механизм возникновения пробоя хорошо описан в

[1] и заключается в том, что при дожде или тумане

загрязнённая поверхность оболочки кабеля стано-

вится проводящей, и по ней протекает ток. При

подсыхании увлажнённого слоя образуются непро-

водящие кольцевые зоны, к которым приложено

напряжение в десятки киловольт, вызывающее по-

верхностный пробой. На поверхности появляются

следы электрической дуги. Происходит постепен-

ное разрушение оболочки.

Поверхностное сопротивление нового кабеля с

чистой оболочкой имеет величину порядка 500

Мом/см. В течение эксплуатации кабель подверга-

ется тепловому и ультрафиолетовому воздействию

солнца и другим влияниям, в результате которых

микроструктура поверхности изменяется. Она ста-

новится более шероховатой, появляются множество

микровыступов и впадин, на которых закрепляется

пыль и влага. Поверхностное сопротивление под-

вергается ветровым механическим нагрузкам и

снижается в сотни и тысячи раз.

Оптический кабель на небольшой длине можно

рассматривать как стержень диаметром D и длиной

L с толщиной загрязняющего слоя ∆. Сопротивле-

ние слоя загрязнения равно

R = ρL/πD∆, (3),

где ρ - удельное объёмное сопротивление загряз-

няющего слоя. Оно может иметь величину от 1 до

100 кОм·см. Если положить

= ∆ /ρ (4)

– удельная поверхностная проводимость, то сопро-

тивление загрязнённого слоя примет вид:

R =

σπ

. (5)

Загрязнённая поверхность пластмассовой обо-

лочки кабеля имеет проводимость σ

близкую к

проводимости загрязнённой поверхности изолято-

ров и может иметь величину от 2 до 40 микроси-

менс. Ток по поверхности оболочки равен I = E

π D, а плотность тока j = E

. Величина Е

обычно

зависит от места расположения рассматриваемой

точки и от интенсивности увлажнения. Вблизи

опоры горизонтальная составляющая напряжённо-

сти поля больше, чем в середине пролёта. Грубая

оценка поверхностного тока даёт величину от 0.3

до 12 мА. Эти расчётные данные в целом подтвер-

ждаются практикой, хотя отмечены случаи, когда

ток значительно превышал указанные цифры. При

протекании таких токов проводящий слой разогре-

вается, влага испаряется, причём всё это происхо-

дит неравномерно, и сопротивление отдельных участ-

ков и падение напряжения на них сильно возрастает,

пока не происходит пробой по подсушенной поверх-

ности. Величина пробивной напряжённости зависит

от интенсивности увлажнения, скорости подсыхания,

степени загрязнённости. До наступления устойчивого

дугового

разряда возможны поверхностные частич-

ные и скользящие разряды. Процессы могут проте-

кать в течение длительного времени.

С течением времени поверхность оптического

кабеля деградирует не только от воздействия элек-

трических полей. Микроструктура поверхности

изменяется, появляются выступы и впадины, что

способствует прочности сцепления пыли и грязи с

поверхностью кабеля. По мере эксплуатации кабеля

его поверхностное сопротивление снижается, а рас-

сеиваемая на нём мощность возрастает. Согласно

[2] , рассеиваемая мощность достигает максимума

при эквивалентном поверхностном сопротивлении

порядка 2 кОм/см. Выяснился новый эффект, обна-

руженный на кабелях, подвешенных на опорах кон-

тактной сети электрической железной дороги. Под-

держивающие подвесной кабель зажимы вносят

большой вклад в возможность повреждения кабеля,

так как возникающие коронные разряды приводят к

деградации поверхности в месте подвески, терми-

ческому разрушению и даже возгоранию кабеля.

Наблюдения Филиппова и др. [2-5], проведённые

на кабелях, подвешенных на опорах контактной

сети транссибирской железной дороги, показали,

что процесс коронирования сопровождается обра-

зованием озона и окислов азота, разрушающих как

металлические, так и диэлектрические конструк-

ции. Поляризационные процессы в диэлектриках

также вызывают дополнительное выделение тепла

и в сочетании с поступающим внешним теплом

могут вызывать вздутия оболочки

кабеля, если по-

следняя содержит пропитанные арамидные нити.

При повреждении оболочки в месте крепления за-

жима создаются условия для проникновения влаги

и протекания электрического тока вдоль арамид-

ных нитей, что вызывает нагрев оболочки и даже

закипание воды. При дальнейшем нагреве происхо-

дит тепловая деформация и вздутие полиэтилена.

Вздутие оболочки может быть обусловлено расши-

рением гидрофобного заполнителя. Оптический

кабель при этом может оставаться некоторое время

работоспособным. Для борьбы с этими явлениями

предлагается ряд мер, в том числе:

1) промывание оболочек кабеля специальным

раствором на длине 0,5 м в обе стороны от поддер-

живающего зажима,

2) изменение геометрии поддерживающих за-

жимов с целью уменьшения короны,

3) применение плетёных полимерных канатов

взамен поддерживающих зажимов,

4) улучшение конструкций заземлений и

уменьшение их сопротивлений и т.д.

Оценка грозовых повреждений трансфор-

мируемой оптической линии

Количество повреждений линии от ударов

молнии зависит от типа кабеля и условий на трассе.

В последнее время получает распространение сис-

тема передачи пакетов сообщений, причём пакеты

между двумя пунктами могут передаваться в раз-

ные моменты времени по разным линиям, а объе-

динение пакетов происходит на конечном пункте. В

общем случае, когда сеть или линия состоит из

направляющих сред одного типа, например, только

из симметричных кабелей, или только из одинако-

вых оптических кабелей, решения по защите при-

нимаются по участкам, условия на которых можно

считать постоянными, как это делается для длин-

ных магистральных линий. Если линия, по которой

ведётся передача, трансформируемая, то есть в разные

интервалы времени её конфигурация и длина тоже

различна, то общая сумма вероятных повреждений и

надёжность будет также зависеть от времени. Защита

каждого участка осуществляется по одним правилам и

в соответствии с одними и теми же нормами, если тип

направляющей среды один и тот же, но так как условия

на участках различны, то защита и её эффективность

на разных участках может быть неодинакова. Вследст-

вие этого общая сумма возможных рисков также будет

не одинакова и зависеть от интервала времени, в кото-

ром осуществляется данная конфигурация. Коммути-

руемые пакеты в разные моменты могут направляться

по разным линиям, и чем чаще будет осуществляться

подобная коммутация, чем чаще будет меняться длина

и состав виртуальной линии, соответственно будет

меняться общая вероятность повреждения и надёж-

ность всей составной виртуальной линии. Вероятное

число повреждений виртуальной линии будет пере-

менной величиной, заключённой между минимальным

и максимальным значением. Минимальное значение

вероятного числа повреждений виртуальная линия не

обязательно будет иметь при работе связи по кратчай-

шей физической линии. Если мы хотим, чтобы уровень

вероятности повреждения виртуальной линии был не

ниже некоторого определённого предела, необходимо

рассмотреть все возможные варианты конфигураций

данной сети и либо исключить некоторые варианты, не

удовлетворяющие требованиям, либо усилить защиту

некоторых участков сети.

Важным моментом расчёта является учёт типа

оптического кабеля, по которому ведётся передача

на данном участке. Если кабель содержит металли-

ческие элементы в виде брони или жил дистанци-

онного питания, то нормы допустимого числа по-

вреждений и необходимые меры защиты опреде-

ляются по одним критериям, тогда как подвержен-

ность грозовым разрядам чисто диэлектрических

оптических кабелей без металлических элементов в

конструкции определяется исходя из других сооб-

ражений. В последнем случае сам кабель не повре-

ждается, но под воздействием поля грозового раз-

ряда происходит поворот плоскости поляризации

светового луча, распространяющегося по волокну.

В результате возникает дополнительная дисперсия

сигнала (поляризационная модовая дисперсия).

При одновременном волновом уплотнении, когда в

одном окне прозрачности происходит передача

нескольких десятков волн, при повороте плоско-

стей поляризации может произойти наложение

волн друг на друга, так как поворот плоскости по-

ляризации зависит от длины волны света. Приме-

нение аппаратуры, чувствительной к поляризации

волны, например, Рамановских усилителей, может

привести к снижению чувствительности на приёме

и также к потере информации. Поэтому задача рас-

чёта грозового воздействия ещё более усложняется.

Наиболее трудный случай возникает, когда наря-

ду с проводными или оптическими каналами один или

несколько участков составляют каналы радиорелейной

или спутниковой связи, радиосвязи или какого-либо

другого типа беспроводного доступа, если его длина

достаточно велика. В этом случае внешние воздействия

на отдельные участки линии принципиально отлича-

ются друг от друга. Так, например, радиорелейная ли-

ния может испытывать влияния межоблачных разря-

дов, высоковольтных ЛЭП и электрических железных

дорог и замирания в любое время года, и не только

летом во время грозового сезона, а спутниковые линии

– возмущения ионосферы, тогда как на кабелях зимние

повреждения могут носить совсем другой характер.

Таким образом, определение воздействия грозовых

разрядов на трансформируемую линию оказывается

тесным образом связано с надёжностью участков ли-

нии в целом. Кроме того, следует принимать во внима-

ние также и другие активные и пассивные компоненты

линии. Поэтому сравнение надёжности таких состав-

ных виртуальных линий должно проводиться сразу

по

ряду параметров, принимая во внимание количество

каналов защищаемой линии.

Повреждениям подвергаются не только маги-

стральные транспортные линии, но и линии широ-

кополосного доступа. Типичная сеть полностью

оптического доступа технологии FTTH (fiber to the

home – волокно к дому) состоит из распредели-

тельной сети и собственной сети доступа. Распре-

делительная сеть в свою очередь состоит из 2-х

частей: первая часть соединяет центральный узел с

распределительными узлами, которые в свою оче-

редь связаны с узлами доступа.

Таким образом, при использовании передачи

пакетов оценка вероятности повреждения линии в

разные моменты времени может отличаться, и мини-

мальное значение вероятного числа повреждений

виртуальная линия не обязательно будет иметь при

работе связи по кратчайшей физической линии. Если

наряду с проводными или оптическими каналами

один или несколько участков составляют каналы ра-

диорелейной или спутниковой связи, радиосвязи или

направляющие среды какого-либо другого типа,

внешние воздействия на отдельные участки линии

могут принципиально отличаться друг от друга.

Заключение

Материалы доклада показывают, что полно-

стью диэлектрические оптические кабели подвер-

жены воздействию сильных внешних электромаг-

нитных полей, таких как поле молнии или высоко-

вольтной линии электропередачи. Распространён-

ное мнение, что оптические кабели не боятся

внешних воздействий, не всегда справедливо. И это

обстоятельство необходимо учитывать при проек-

тировании оптических линий.

Литература

1. L.A.Dissado, M.J.Parry, et al. A new sheat

evaluationtechniques for self- supporting optical fibre

cables on overhead power lines. International Wire.

Cable Symposium Proceeding.1990.p.743-751.

2. Ю.И.Филиппов и др. Электротермическая

деградация оптического кабеля на участках желез-

ных дорог с электротягой переменного тока. Light-

wave, Russian edition. №3, 2006. С.20 – 24.

3. Ю.И.Филиппов и др. Электротермическая

деградация оптического кабеля. Часть 2. Lightwave,

Russian edition. №4, 2006. С.31 – 36.

4. Ю.И.Филиппов и др. Электротермическая

деградация волоконно-оптических кабелей. Фотон-

экспресс. № 7, ноябрь 2006. С. 37-39.

5. И.Н.Чернов и др. Оплавление диэлектриче-

ского оптического кабеля, подвешенного на желез-

нодорожных опорах, под действием электротерми-

ческой деградации. Lightwave, Russian edition. №2,

2007. С.34 – 35.

6 .C.А.Соколов. Эффекты Керра и Фарадея в

оптическом кабеле. Электросвязь, №4, 1996.

7. С.А.Соколов. Воздействие внешнего элек-

тромагнитного поля на оптический кабель, не со-

держащий металлических элементов. Москва.

МТУСИ. 1997.

8. С.А.Соколов. Возникновение поляризаци-

онной модовой дисперсии под действием грозовых

разрядов. Электросвязь, №11, 2004.

9. Руководство по защите подземных кабелей

связи от ударов молнии. – М.:”Связь”.1975 . – 63с.

10. Рекомендация МСЭ-Т , серия К, №25.

11. Руководство по защите оптических кабелей

от ударов молнии. М. ЦНИИС. 2001.

Сведения об авторе

Соколов Станислав Александрович, д.т.н.,

профессор, Московский технический университет

связи и информатики, моб. 8 903 749 56 64. e-mail:

s.a.sokolov@list.ru stanislav.a.sokolov@gmail.com

СИНТЕЗ СОСТАВНЫХ ПАССИВНЫХ ФИЛЬТРОВ ГАРМОНИК

В.

П.

ОВГУН

ОССИЯ

Н.

П.

ОЯРСКАЯ

ОССИЯ

А.

М.

ЕРБЕНЕВ

ОССИЯ

Сибирский федеральный университет,

Красноярский государственный аграрный университет,

e-mail: Vdovgun@sfu-kras.ru

Аннотация. Рассмотрен общий метод проектирования пассивных фильтров гармоник, основанный

на представлении фильтра в виде реактивного четырехполюсника, нагруженного на сопротивление

сети. Предлагаемый метод дает возможность заранее определить частоты параллельных резонансов

системы фильтр - питающая сеть. Полученное фильтрокомпенсирующее устройство одновременно

служит фильтром высших гармоник и компенсатором реактивной мощности основной гармоники.

Abstract. A novel approach for passive harmonic filter design is presented. The proposed approach is based

on the consideration of the filter as a reactive two-port loaded by the grid impedance. The design procedure

is discussed in detail, and illustrative example is presented.

Введение

Одной из особенностей современных систем

электроснабжения является увеличение доли

нагрузок с нелинейными вольт-амперными

характеристиками, создающих при своей работе токи

несинусоидальной формы. К ним относятся

импульсные источники питания, приводы

электродвигателей с регулируемой скоростью

вращения, пускорегулирующие аппараты для

электролюминесцентных ламп и т.д. Токи и

напряжения несинусоидальной формы можно

представить в виде суммы гармоник, частоты

которых кратны основной частоте питающей сети.

Результатом воздействия гармоник на систему

электроснабжения и оборудование потребителей

является увеличение потерь во вращающихся

машинах, трансформаторах, линиях

электропередачи, ускоренное старение изоляции

электрооборудования, ложные срабатывания

устройств релейной защиты и автоматики [1-3].

Основным средством уменьшения уровня

высших гармоник в сетях электроснабжения

является установка фильтрокомпенсирующих

устройств (ФКУ). Такими устройствами являются

пассивные и активные фильтры гармоник [2-5].

Пассивный фильтр гармоник (ПФГ)

представляет частотно-селективную цепь,

обеспечивающую подавление или ослабление

высших гармоник, генерируемых нелинейной

нагрузкой. Основными достоинствами пассивных

фильтров являются их простота и экономичность.

Они дешевы, не требуют регулярного обслуживания,

могут осуществлять одновременно подавление

гармоник и коррекцию коэффициента мощности.

Недостаток пассивных фильтров заключается в том,

что они являются статическими устройствами. Их

эффективность может оказаться мала, если

спектральный состав несинусоидальных напряжений

и токов изменяется.

Однако благодаря своей простоте,

экономичности и надежности пассивные фильтры

гармоник остаются самым распространенным видом

фильтрокомпенсирующих устройств. Исследования,

проведенные в работе [5], показали, что наиболее

перспективным направлением развития ФКУ

являются гибридные фильтры гармоник,

представляющие сочетание активного и пассивного

фильтров. Преимущества гибридных ФКУ –

значительно меньшие размеры и стоимость активной

части, гибкость и универсальность. В связи с этим

задача разработки регулярных методов

проектирования пассивных фильтров гармоник

остается актуальной.

Основной конфигурацией ПФГ является

последовательный колебательный контур,

настроенный на частоту определенной гармоники

(рис. 1). Для подавления нескольких гармоник

используют широкополосные фильтры (рис. 2, 3),

либо составные фильтры, образованные

параллельным соединением нескольких

колебательных контуров. Каждый контур настроен

на частоту одной из гармоник. Установка таких

фильтров вблизи нелинейной нагрузки обеспечивает

замыкание на землю токов высших гармоник через

соответствующий колебательный контур.

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Существующие методы проектирования

пассивных фильтров гармоник [2-4] заключаются в

расчете параметров колебательных контуров,

обеспечивающих подавление гармоник тока

определенной частоты. Такие методы позволяют

контролировать частотные характеристики только на

частотах резонансов параллельных ветвей. Однако

составной фильтр представляет сложную

резонансную систему, в которой необходимо

учитывать взаимное влияние сопротивлений фильтра

и питающей сети. Отдельные ветви фильтра

образуют параллельные колебательные контуры с

индуктивностью сети. Если частоты параллельных

резонансов совпадают с частотами отдельных

гармоник, происходит усиление последних. Таким

образом, при проектировании пассивных фильтров

гармоник очень важно контролировать частотную

характеристику системы фильтр – питающая сеть во

всем диапазоне частот.

В докладе рассмотрен общий метод

проектирования пассивных фильтров гармоник,

основанный на использовании общей теории синтеза

пассивных цепей. Такой подход позволяет

использовать при проектировании фильтра хорошо

разработанные регулярные методы реализации

пассивных цепей. Фильтрокомпенсирующее

устройство, спроектированное с помощью

предлагаемого метода, выполняет одновременно

функции фильтра высших гармоник и компенсатора

реактивной мощности основной гармоники.

Процедура синтеза составного фильтра

гармоник

Представим систему фильтр–питающая сеть

эквивалентной схемой, показанной на рис. 4. Здесь

с с

Z R j L

= +

– комплексное сопротивление сети

со стороны шин, к которым присоединена

нелинейная нагрузка,

– комплексное

сопротивление фильтра. Источник гармоник

моделируется источником тока

Рис. 4.

Комплексные сопротивления фильтра и сети на

рис. 4 образуют делитель тока, коэффициенты

передачи которого

( )

сф

; (1)

( )

. (2)

Коэффициенты

(

)

(

)

определяют

распределение тока k-й гармоники между фильтром

и внешней сетью.

Из формул (1) и (2) следует, что на передачу

тока k-й гармоники во внешнюю сеть влияют не

только характеристики фильтра, но и частотная

характеристика сети. Для эффективного подавления

тока k-й гармоники значение коэффициента

(

)

H j

на частоте этой гармоники должно быть близко к

нулю.

Представим составной фильтр гармоник

реактивным двухполюсником, операторное

сопротивление которого является дробно-

рациональной функцией комплексной переменной s:

( )

sZH

HsZ

′

∏

−

Здесь

– частоты нулей и полюсов

(

)

Z s

– постоянный множитель.

Нули и полюсы входного сопротивления

реактивной цепи расположены на мнимой оси

плоскости комплексных чисел и чередуются. Это

свойство называют разделительным. Множитель

можно использовать для задания сопротивления

фильтра на частоте основной гармоники.

Функция передачи токов системы фильтр-

питающая сеть является дробно-рациональной

функцией комплексной переменной s:

( )

( ) ( )

( )

с с

N s M s Z s

H s

J sL N s M s sL Z s

= = =

+ +

. (3)

Здесь

(

)

(

)

(

)

(

)

M s D s N s sL

= −

Сформулируем свойства передаточной функции

фильтра гармоник, вытекающие из свойств

реактивного двухполюсника, реализующего фильтр.

1. Из формулы (3) следует, что коэффициент

передачи токов

(

)

H s

имеет нули на частотах нулей

входного сопротивления фильтра

(

)

Z s

2. На частотах полюсов

(

)

Z s

модуль

коэффициента передачи

(

)

H s

принимает значения,

равные 1.

3. Частоты нулей и единичных значений

модуля

(

)

H j

не зависят от сопротивления

питающей сети.

4. Модуль передаточной функции

(

)

H s

имеет максимумы на интервалах между соседними

нулями и полюсами. Частоты максимумов зависят от