Методика расчета расположения ВОК на опорах контактной сети и линий электропередачи

25
Приложение №1
МЕТОДИКА
РАСЧЕТА РАСПОЛОЖЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО
КАБЕЛЯ НА ОПОРАХ КОНТАКТНОЙ СЕТИ И ЛИНИЙ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
1. Краткие теоретические сведения
При подвеске ВОК на кронштейне вблизи опоры на ВОК воздействует
продольная составляющая потенциала, имеющая место вблизи заземленных
конструкций и вызванная искажением формы электрического поля. Эта
составляющая оказывает решающее влияние на процесс повреждения кабеля
в узле ВОК-поддерживающий зажим. Величина наводимого потенциала
зависит от влияния самой опоры, поддерживающего зажима, а также и от
типа поддерживающих конструкций контактной сети, в частности от типа
консолей (заземленные консоли либо изолированные консоли).
Для ряда характерных случаев были получены эмпирические формулы,
позволяющие определить продольную составляющую потенциала.
Полученная формула позволяет получить результат с погрешностью,
не превышающей 8% в зоне подвески ВОК на расстоянии от 30 до 60 см от
поверхности опоры.
В
случае
неизолированные
если
на
рассматриваемом
(заземленные)
консоли,
участке
формула
для
применены
определения
потенциала имеет вид:
1,69  1,69  e  (1,3 )
U  UЭ 
1,69
(2)
В случае если на рассматриваемом участке применены изолированные
консоли, формула для определения потенциала имеет вид:
2,48  2,48  e  ( 2, 2  )
U  UЭ 
2,48
В этих выражениях:
(3)
26
 - расстояние от оси опоры до точки, где определяется потенциал
ВОК, измеренное вдоль пролета, в метрах.
UЭ – потенциал поля в данной точке, при отсутствии опоры и др.
конструкций, искажающих форму плоскопараллельного поля.
При
моделировании
электрических
полей,
которые
создаются
контактной сетью, проводами ДПР, линиями ВЛ СЦБ, а также другими
проводами, подвешенными на опорах контактной сети и в непосредственной
близости от них, величину UЭ необходимо определять методами расчета
электростатических полей.
Рассмотрим многопроводную линию из n весьма протяженных
проводов с зарядом τк на единицу длины (индекс заряда соответствует номер
провода), подвешенных параллельно проводящей поверхности (поверхности
земли). Высота подвески и радиус каждого провода известны, а также известна электрическая
проницаемость среды, окружающей провода,
обозначенная как εа.
Рис. 1
Потенциал некоторой произвольной точки М в диэлектрике (рис.1)
будет равен сумме потенциалов, создаваемых каждым проводом и его
27
зеркальным изображением. Составляющую потенциала точки М от провода 1
и его зеркального изображения можно записать следующим образом
 М1  1
где
b1M
b
1
ln 1M
2 а a 1M
(4)
- расстояние точки М до зеркального изображения 1
провода;
а1M - расстояние точки М до провода 1.
Очевидно, что в рассматриваемом случае высота подвески каждого
провода над землей много больше радиусов проводов. При этом с точностью,
достаточной
для
проводимых
расчетов,
можно
утверждать,
что
электрические оси практически совпадут с геометрическими.
Составляющая потенциала точки М от второго провода и его
зеркального изображения
М2  2
b
1
ln 2 M
2 а a 2 M
(5)
Таким образом
 М   М1   М 2   М 3  ..  1
b
b
b
1
1
1
ln 1M   2
ln 2 M   3
ln 3M  .. (6)
2 а a 1M
2 а a 2 M
2 а a 3M
Очевидно, что точку М можно поместить и на поверхность первого
провода. При этом
φМ = φ1,
b1M = 2∙h1,
a1M = r1,
b2M = b12,
a2M = a12.
b12— расстояние первого провода до зеркального изображения второго
провода; a12 — расстояние первого провода до второго и т. д.
28
1  1
b
2h
b
1
1
1
ln 1   2
ln 12  3
ln 13  ..
2 а
r1
2 а a 12
2 а a 13
(7)
Коэффициенты при зарядах τ1, τ2 и других зависят только от геометрических
размеров тел, взаимного их расположения и от свойств среды. Они не зависят
ни от величины, ни от знаков зарядов и потенциалов.
Для сокращения записи выражение (7) и другие, аналогичные ему,
записывается следующим образом:
1  111   2 12  313  ..
 2  1 21   2  22  3 23  ..
(8)
3  1 31   2  32  3 33  ..
 km 
b
2h
1
1
ln km ;  kk 
ln k ;
2 a a km
2 a
rk
(9)
Система уравнений представляет собой первую группу формул
Максвелла.
Коэффициенты α - потенциальные коэффициенты. Размерность их
равна размерности единицы длины, разделенной на фараду. Так как у всех
коэффициентов α под знаком логарифма находится дробь, числитель которой
всегда больше знаменателя, то все коэффициенты α положительны.
Система позволяет подсчитать потенциалы заряженных тел по
известным общим зарядам тел.
В рассматриваемой задаче расчета
потенциала, наводимого в точке пространства подвески волоконнооптического кабеля, линейная плотность заряда τк неизвестна, однако
потенциалы
всех
влияющих
на
величину
наведенного
потенциала
проводников можно задать вполне определенно. На этом принципе и
построен метод расчета плоскопараллельных квазиэлектростатических
полей, расчет которых позволяет смоделировать процессы, протекающие в
29
ВОК, несмотря на то, что эти процессы вызваны влиянием полей переменных
токов.
Для расчетов, связанных с определением потенциала, наводимого в
области подвески ВОК, допускается пользоваться приближенной методикой,
приводимой в «Правилах защиты устройств проводной связи и проводного
вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог
переменного тока», стр. 21.
Величина UЭ определяется выражением:
U Э  27,5  к 2 
где
H K H A

a 2  H 2K  H 2A
(10)
НК – расстояние от уровня головки рельса до эквивалентного
контактного провода, м;
НА – средняя высота подвески волоконно-оптического кабеля, м;
а – ширина сближения, м;
При использовании тяговой сети с ЭУП (экранирующими проводами,
подвешенными на опорах контактной сети совместно с усиливающими
проводами) необходимо ввести защитный коэффициент 0,6.
Коэффициент к2 определяется из таблицы П12.1, приложения 12
«Правил
защиты устройств проводной связи и проводного вещания от
влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного
тока».
Число дополнительных влияющих проводов
0
Однопутный участок
1
2
0
Двупутный участок
1
2
к2
0,4
0,5
0,6
0,6
0.7
0,8
30
2. Методика расчета
2.1. Предварительно следует выбрать расположение ВОК. При этом
необходимо соблюдение минимальных расстояний ВОК от проводов,
находящихся под напряжением, по соображениям ограничения потенциала,
наведенного на ВОК в середине пролета.
Выделяются основные из них:
- недопустимость подвески кабеля на расстоянии менее 2 метров от
проводов и конструкций, находящихся под высоким потенциалом (линии
ДПР, контактная сеть);
- недопустимость подвески кабеля вблизи проводов,
имеющих
большие стрелы провеса.
2.2. Определить напряжение электрических влияний в точке подвески
ВОК, пользуясь выражением (10):
U Э  27,5  к 2 
H K H A
, кВ
a  H 2K  H 2A
2
Величину «НК» необходимо принять равной 6,8 м.
Величина «НА» принимается равной высоте подвески ВОК в метрах.
Величина «а» принимается равной расстоянию от ВОК до контактного
провода (в плане) – для однопутных участков, либо до середины междупутья
двухпутных участков, в метрах. Если ВОК подвешен под проводом
(проводами) ДПР, величину «а» следует принять равной нулю.
Полученное значение UЭ должно быть не более 12 кВ. В противном
случае
необходимо
рассмотреть
другой
вариант
подвески
ВОК,
с
увеличением его расстояния до высоковольтных проводов.
2.3. Определить изменение продольной составляющей потенциала на
кабеле, пользуясь выражением (2) – в случае, если на участке применены
неизолированные консоли, либо пользуясь выражением (3)- в случае, если на
участке применены изолированные консоли.
31
При использовании неизолированных консолей :
1,69  1,69  e  (1,3 )
U  UЭ 
1,69
(2)
При использовании изолированных консолей:
2,48  2,48  e  ( 2, 2  )
U  UЭ 
2,48
(3)
Затем необходимо определить не менее пяти значений потенциала
(рис.2), наводимого вдоль поверхности кабеля. Целесообразно выполнять
расчет с шагом не более 10 см, при этом место выхода кабеля из
поддерживающего зажима необходимо считать начальной точкой отсчета и
принять в этой точке расстояние  =0.
Таким образом, в примере на рис. 2 при расчете потенциала в точке «1»
 =0,1м, в точке «2»  =0,2 м и т.д.
Рис. 2
Полученный
результат
расчета
необходимо
проанализировать
следующим образом. Изменение потенциала вдоль кабеля (напряженность
поля) не должно быть больше 50 вольт на 1 см, либо 500 вольт на 10 см, что
соответствует напряженности поля в 5 кВ/М – безопасной для кабеля. В
противном случае, необходимо рассмотреть варианты по подвеске кабеля на
32
меньшем расстоянии от уровня головки рельса с последующей проверкой по
приведенной методике. В случае, если результат расчета не обеспечивает
предотвращение ЭТД ВОК, необходимо предусмотреть мероприятия,
предотвращающие ЭТД ВОК (например, подвеска ВОК на изоляторах).
3. Пример расчета
В качестве примера рассмотрим расчет потенциала волоконнооптического кабеля, подвешенного на двухпутном участке, показанном на
рис. 3. Участок оборудован изолированными консолями.
Рис. 3.
Определяем величину электрических влияний:
U Э  27,5  к 2 
H К H A
a 2  H 2К  H 2A
U Э  27,5  0,6 
6,8  7
 6,58 кВ 
(0,4  3  1,5) 2  6,8 2  7 2
Используя выражение (3) определим изменение потенциала в пяти
точках на поверхности кабеля, при этом  = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 метров.
2,48  2,48  e  ( 2, 2  )
U  UЭ 
2,48
Результат расчета сводим в таблицу:
33
, м
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Сравним
результаты
расчета
U, В
0
626,1698
1192,752
1705,416
2169,294
2589,028
с
допустимыми
значениями
напряженности и устанавливаем, что рассчитанное напряжение значительно
превышает допустимые нормы. Следовательно, необходимо рассмотреть
варианты по перевеске кабеля ниже, с последующей проверкой по
приведенной методике.