Особенности влияния на одно- и двухпроводные цепи

Цепи автоматики, телемеханики и связи могут быть одно-, двухпроводными и наложенными. Рассмотрим эти цепи с точки зрения подверженности их влиянию со стороны внешних электромагнитных полей, вызываемых другими электрическими цепями.

Допустим, что имеется влияющая цепь 1 и однопроводная цепь 2, подверженная влиянию (рис.12, а). Когда влияющая цепь находится под напряжением и по ней протекает ток, то в цепи 2 индуцируются напряжения и токи. При этом весь индуцированный ток протекает через нагрузки , включенные в цепь. На них действует напряжение .

Другое положение будет тогда, когда подверженной влиянию будет двухпроводная цепь (рис.12, б). Вследствие явлений индукции оба провода двухпроводной цепи 2 и 3 окажутся под напряжениями соответственно и по ним будут протекать токи . Если , то на нагрузках , включенных на концах цепи, будет действовать напряжение и через них пройдет ток влияния .

Рис. 12

Рассмотрим причины, по которым (). Одной из причин являются различные расстояния от проводов двухпроводной цепи до провода влияющей цепи (). Это влияние, обусловленное неодинаковым расстоянием проводов двухпроводной цепи до провода (проводов) влияющей цепи, называют влиянием из-за поперечной асимметрии. Вторая причина, по которой , это продольная асимметрия двухпроводной цепи (см. п.2).

Для уменьшения влияний из-за поперечной асимметрии на воздушных линиях применяют скрещивание проводов двухпроводных цепей, а в симметричных кабелях - скрутку жил в группу.

Полное результирующее влияние в двухпроводных цепях вычисляют как геометрическую сумму двух составляющих, поскольку она определяет наиболее вероятное значение суммы двух векторов с неизвестными фазами. Следовательно, результирующее напряжение , где , - напряжения, индуцированные соответственно из-за поперечной и продольной асимметрии.

Методика определения составляющих при сближении линий автоматики, телемеханики и связи с ВЛ и тяговыми сетями. Расстояние от ВЛ и тяговых сетей до линий автоматики, телемеханики и связи, имеющих сближение с такими линиями, - 10 м и более. Расстояние между проводами цепей воздушных линий обычно 20-60 см, а между жилами кабельных цепей 1 - 4 мм. Провода воздушных линий скрещивают, а жилы кабельных цепей в симметричных кабелях скручивают. Поэтому, как правило, составляющая , мала по сравнению с составляющей и практически достаточно вычислить .

Численно оценить влияние продольной асимметрии не удается ни расчетами, ни измерениями из-за того, что продольная асимметрия неравномерно распределяется по длине цепи, различна для каждой цепи и изменяется во времени в зависимости от климатических условий и обслуживания линии. Чем лучше обслуживается линейное хозяйство, тем симметричнее цепи и тем меньше их чувствительность к индуктивным влияниям. Поэтому для расчета составляющей применяют метод, который основан на использовании так называемого коэффициента чувствительности двухпроводной цепи к помехам h. Этот коэффициент определяют по результатам многократных измерений на действующих цепях.

Одна из возможных схем его измерений приведена на рис.13. В тракт «два провода - земля» через среднюю точку обмотки трансформатора Т1 от генератора G подается напряжение. При таком включении генератора в оба провода двухпроводной цепи подается одинаковое напряжение . Когда электрические параметры проводов цепи неодинаковы, т.е. когда цепь обладает продольной асимметрией, то через линейную обмотку трансформатора Т2 пройдет ток, и на нагрузке будет действовать напряжение .

Рис. 13

Это напряжение будет тем больше, чем больше продольная асимметрия двухпроводной цепи. Характеризовать продольную асимметрию принято отношением , которое и называют коэффициентом чувствительности двухпроводных цепей к помехам:

(1)

Коэффициент чувствительности определяет методику расчета . Очевидно, что . Когда коэффициент чувствительности установлен измерениями, то для определения достаточно рассчитать индуцированное напряжение , которое является напряжением проводов 2 и 3 относительно земли. Это позволяет определять как напряжение на конце изолированного провода.

Методика определения двух составляющих при взаимном влиянии. Взаимные влияния рассматриваются для цепей, расположенных на одних и тех же опорах или в одном кабеле. Расстояние между проводами (жилами) цепей соизмеримо с расстоянием между цепями. В этих условиях влияние обусловлено главным образом поперечной асимметрией. При этом цепи рассматриваются как симметричные с согласованными нагрузками.

Контрольные вопросы

1. Какие влияния принято называть внешними, а какие взаимными?

2. На какие две группы условно разделяют все влияния по своей природе, чем это вызвано?

3. В каких трактах обычно наблюдаются опасные (мешающие) влияния?

4. Назовите характеристики цепей как влияющих?

5. Назовите характеристики цепей как подверженных влиянию?

6. Дайте определение коэффициента чувствительности к помехам и поясните области его использования.

7. При каких нагрузках по концам однопроводной цепи магнитные влияния на провод наводят наибольшее напряжение?

 

 

ЛЕКЦИЯ 19. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДУЦИРОВАННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ ОПАСНОГО И МЕШАЮЩЕГО ВЛИЯНИЙ

 

Методику определения индуцированных напряжений и токов опасного и мешающего влияний удобнее рассматривать, когда влияющей цепью является однопроводная цепь, подключенная к источнику энергии. Цепь, подверженная влиянию, рассматривается как пассивная, никаких напряжений и токов, кроме индуцированных, в ней нет. Будем считать цепи однородными по длине и параллельными в пределах сближения, длину цепей равной , а сопротивление земли

1. Магнитное влияние.

Допустим сначала, что цепь 2, подверженная влиянию, также однопроводная (рис.1, а). Когда во влияющей цепи 1 протекает переменный ток , то в результате магнитной индукции по всей длине цепи 2 будет индуцироваться э.д.с., действующая вдоль провода и поэтому называемая продольной.

Рис. 1

Значение продольной э.д.с. проще всего определить тогда, когда ток во влияющей цепи не изменяется в пределах всего сближения. Практически это может быть при электрически коротких цепях.

Для таких сближений индуцированная продольная э.д.с.

 

, (1)

где - сопротивление общей заземленной части цепей 1 и 2 на 1 км сближения;

- взаимная индуктивность между цепями 1 и 2 на 1 км сближения;

- э.д.с. индуцированная из-за наличия между цепями 1 и 2 взаимной индуктивности.

Произведение - падение напряжения от тока на сопротивлении общей заземленной части цепей 1 и 2.

Величина - полное взаимное сопротивление цепей 1 и 2 на 1 км параллельного сближения. Называют его также коэффициентом магнитной связи.

Ток , проходящий через нагрузки с сопротивлением , включенные на концах цепи, может быть вычислен как

,

где - сопротивление провода.

Напряжение, действующее на нагрузках, .

Если отключить нагрузки, включенные в цепь, то на изолированном проводе 2 будет действовать продольная э.д.с., определяемая по формуле (1). Распределение ее вдоль провода показано на рис.1, б.

При заземлении одного из концов провода 2 на изолированном конце будет действовать напряжение относительно земли, равное (рис.1, в). Под этим напряжением окажется человек, прикоснувшийся к изолированному концу, или подключенный аппарат. Индуцированный ток, проходящий через тело человека, может создать опасность для его жизни, а индуцированное напряжение - повредить изоляцию аппарата. Поэтому при определении опасных магнитных влияний всегда вычисляют значение индуцированного напряжения на изолированном конце провода при заземленном другом конце.

Когда подверженной влиянию является двухпроводная цепь, то в каждом ее проводе индуцируется продольная э.д.с., определяемая по формуле (1). На нагрузках, включенных в двухпроводную цепь, будет действовать напряжение (см. п.3 лекц. 14), обусловленное поперечной и продольной асимметрией. При влиянии ВЛ и тяговых сетей учитывают только продольную асимметрию. Тогда мешающее напряжение , индуцированное из-за продольной асимметрии, определяют умножением напряжения на конце изолированного провода на коэффициент чувствительности:

(2)

При влиянии между цепями автоматики, телемеханики и связи расчетами определяют значения индуцированных напряжений (токов), обусловленных только поперечной асимметрией и при согласованных нагрузках. Эти значения можно вычислить по формуле

где - коэффициент магнитной связи между однопроводной влияющей цепью и двухпроводной, подверженной влиянию.

Коэффициент обусловлен различными расстояниями проводов двухпроводной цепи от влияющего провода.

Все изложенное справедливо не только при влиянии однопроводных цепей, но и многопроводных. Магнитные связи должны быть определены как эквивалентные с учетом связей, возникающих между всеми проводами обеих цепей.

Более сложным представляется случай сближения длинных цепей, когда необходимо считаться с изменением напряжения и тока в цепях вследствие волновых процессов.

Поскольку формулу (1) можно использовать только при достаточно малых участках сближения, применим ее к эквивалентному участку dx, который выделим на расстоянии х от начала сближения (рис.2, а). Продольная э.д.с., индуцированная в цепи 2, на этом участке:

, (3)

где - ток в цепи 1 на элементе dx.

Рис. 2

Ток на элементе dx, вызываемый продольной э.д.с., можно найти, рассматривая элемент dx как цепь с сосредоточенными параметрами в соответствии с эквивалентной схемой элемента dx (рис.8.15, б):

, (4)

где - входные сопротивления цепи 2 соответственно влево и вправо от элемента dx.

Значения входных сопротивлений зависят от волнового сопротивления цепи и от сопротивления нагрузок концов цепи.

Эквивалентная схема влияния на элементе dx через электрическое поле приведена на рис.2,в.

2. Электрическое влияние.

Если цепь 1 находится под напряжением , то через емкость между проводами цепей 1 и 2 и проводимость изоляции ток проходит с провода 1 на провод цепи 2 (рис.3, а). Когда цепи короткие и с волновыми процессами можно не считаться, то напряжение постоянно по всей длине сближения. Тогда ток, переходящий в провод 2, на всей длине сближения

, (5)

где - проводимость изоляции между проводами цепей 1 и 2 на 1 км сближения;

- емкость между проводами цепей 1 и 2 на 1 км сближения;

- полная взаимная проводимость между цепями 1 и 2, приходящаяся на 1 км сближения.

Параметр , называют также коэффициентом электрической связи.

Рис. 3

Напряжение, индуцированное из-за электрического влияния, действует между проводом и землей, в отличие от магнитного влияния, при котором индуцированное напряжение действует вдоль провода. Поэтому ток , перешедший с цепи 1 на цепь 2, будет протекать через нагрузки, включенные в цепь в одном направлении, и через каждую из них (когда они одинаковы) пройдет ток 0,5 .

При отключении нагрузок, включенных на конце цепи 2, по цепи «провод 1 - провод 2 - земля» пройдет ток электрического влияния (рис.3, б) равной

, (6)

где - полная проводимость провода 2 относительно земли на 1 км сближения.

Полная проводимость

Электрическое влияние ВЛ и тяговых сетей на цепи автоматики, телемеханики и связи имеет смысл учитывать лишь тогда, когда обе линии воздушные, так как металлические защитные покровы кабелей или слой земли, покрывающий подземный кабель, практически полностью устраняют воздействие электрического поля. При таком условии допустимо пренебречь проводимостью изоляции между проводами 1 и 2, между проводом 2 и землей, а также полагать, что , а . Тогда уравнение (6) имеет вид

.

Поскольку << , то

, (7)

а напряжение провода 2 относительно земли, называемое также потенциалом провода, будет одинаково по всей длине провода

. (8)

В случае прикосновения человека к изолированному проводу 2 через него практически пройдет весь ток . Поэтому при определении опасного электрического влияния всегда устанавливают значение этого тока.

Индуцированное мешающее напряжение, действующее в двухпроводной цепи , вычисляют с помощью коэффициента чувствительности (см. п.3 лекц. 14). В данном случае оно будет определяться через ток

, (9)

где - сопротивление нагрузок, включенных в двухпроводную цепь.

При взаимном влиянии расчетом определяют индуцированное напряжение , обусловленное поперечной асимметрией,

,

где - коэффициент электрической связи между однопроводной влияющей цепью и двухпроводной цепью, подверженной влиянию.

Как и при магнитном влиянии, все указанное справедливо при влиянии не только однопроводных, но и многопроводных цепей. Электрические связи между цепями должны быть определены как эквивалентные с учетом связей, возникающих между всеми проводами цепей. Поэтому в дальнейшем под будем полагать электрические связи между всеми проводами рассматриваемых цепей.

Когда обе цепи длинные и необходимо учитывать изменение напряжения и тока вследствие волновых процессов, определять индуцированные напряжения можно тем же способом, как и при магнитном влиянии. Сначала, пользуясь уравнением (5), следует найти значение тока, перешедшего с цепи 1 на цепь 2 на элементарном участке dx (см.рис.2, а):

, (10)

где - напряжение в цепи 1 на элементе dx.

Затем на основании эквивалентной схемы участка сближения dx (см.рис.2, в) определить действующее на этом участке напряжение:

, (11)

где - входные сопротивления цепи соответственно влево и вправо от элемента dx.

Зная значения индуцированных токов и напряжений магнитного и электрического влияний на элементе dx и полагая, что этот элемент является началом цепи, несложно определить напряжения (токи) на любом из концов цепи 2, пользуясь основными уравнениями линии. Полное индуцированное напряжение (ток) вычисляют суммированием индуцированных напряжений (токов) со всех элементарных участков в пределах сближения цепей.

Общая методика определения индуцированных напряжений и токов при влиянии ВЛ и тяговых сетей, а также при взаимном влиянии между цепями автоматики, телемеханики и связи справедлива, поскольку основная причина индуктивных влияний одна и та же - внешнее переменное электромагнитное поле. Однако по ряду причин для решения практических задач удобнее рассматривать отдельно влияние ВЛ и тяговых сетей на цепи автоматики, телемеханики и связи и взаимные влияния между цепями.

Электромагнитное влияние. При одновременном воздействии магнитного и электрического полей цепи 1 на цепь 2 токи магнитного и электрического влияний в приемнике левого конца текут с одинаковыми фазами, а в приемнике правого - в противофазе (рис.4), и суммарное влияние будет различно для разных концов цепи. В связи с этим при расчетах влияний принято различать ближний (БК) и дальний (ДК) концы цепи, подверженной влиянию. Ближним называют тот конец, который совпадает с генераторным концом влияющей линии, другой конец называют дальним.

Рис. 4