Организация ВЧ канала связи по высоковольтным линиям, основные характеристики канала

1. Организация ВЧ канала связи по высоковольтным линиям, основные характеристики канала

 

1.1 Конструктивные особенности линии электропередачи

 

Воздушная линия электропередачи представляет собой систему проводов, подвешенных на опорах с помощью изоляторов. По части проводов ВЛ осуществляется передача электроэнергии промышленной частоты. Эти провода называются фазными проводами или фазами, потому что каждый из них закреплён за одной из фаз трёхфазной системы передачи токов промышленной частоты. Кроме фазных проводов на ВЛ напряжением 110 кВ и выше имеются ещё тросы для защиты фазных проводов от ударов молнии при грозах. Тросы представляют собой стальные или сталеалюминевые провода, натянутые над фазными проводами. Тросы крепятся на специальных тросостойках, установленных на вершинах опор. Линии электропередачи напряжением ниже 110 кВ выполняются без тросов.[1]

ЛЭП различают по следующим основным признакам:

По классам линейного напряжения. Линии с линейным напряжением 110 кВ и ниже считаются линиями низких классов напряжения, линии 220 – 500 кВ относятся к категории линий высоких классов напряжения, а линии 750 – 1150 кВ – к категориилиний сверхвысокого напряжения.

По назначению. ЛЭП подразделяют на магистральные и распределительные. Магистральные линии служат для транспортирования электроэнергии от мест её производства к районам потребления и для связи между энергосистемами и энергообъединениями. Распределительные линии служат для передачи энергии потребителям. Эти линии отходят от узловых подстанций, куда заходят магистральные линии, и образуют распределительную сеть. Распределительная сеть выполняется в основном на напряжение до 220 кВ включительно, хотя иногда линии220 кВ выполняют роль магистральных линий, а линии 330 – 500 кВ могут использоваться непосредственно для питания крупных потребителей.

По количеству цепей, провода которых подвешены на общих опорах, ВЛ подразделяются на одноцепные и многоцепные. Одноцепные ВЛ образуют одну систему передачи электроэнергии трёхфазным переменным током и потому имеют три фазных провода. Многоцепные линии представляют собой несколько независимых трёхфазных цепей, фазные провода которых подвешены на общих опорах. Большинство многоцепных линий являются двухцепными. Рис. 1.1 в.

По конфигурации расположения проводов. У одноцепных линий расположение проводов может быть либо треугольным рис.1.1б, либо горизонтальным рис 1.1а. Наиболее распространённым видом двухцепной ВЛ является линия с расположением проводов типа «бочка». У двухцепной линии фазные провода каждой из цепей расположены почти в вертикальной плоскости, вследствие чего такие линии часто называются линиями с вертикальным расположением проводов.[2]

   

а ) б ) в )

Рис. 1.1

Для симметрирования ВЛ на промышленной частоте применяется транспозиция фазных проводов. В каждом пункте транспозиции местоположение проводов изменяется.

Необходимость в транспозиции проводов возникает только на линиях протяжённостью более 100 км. На линиях высоких и сверхвысоких напряжений большой протяжённости обычно выполняется полный цикл транспозиции с двумя пунктами, делящими линию на три приблизительно равные участка рис.1.2.

  

 Рис. 1.2

В качестве фазных проводов применяются алюминиевые или сталеалюминиевые провода с сечением по алюминию 95 – 1000 мм.кв. Сталеалюминиевый провод представляет собой сердечник из нескольких свитых стальных проволок. Сечение стальной части провода определяется требованиями к его механической прочности, так как провод в период подвески и во время эксплуатации испытывает большие тяговые усилия. Сечение алюминиевой части провода определяется требованиями, связанными с потерями энергии промышленной частоты от нагрева провода токами нагрузки линии.

Вследствие наличия на проводах по отношению к земле высокого напряжения промышленной частоты эти провода коронируют. Коронированием проводов или просто короной называются электрические разряды с поверхности провода в окружающее пространство при большой напряжённости поля на поверхности проводов.

1.2 Структура канала связи

 

Структурная схема организации канала связи между источником сообщения и приемником показаны на рис. 1.3. В этой схеме присутствует аппаратура присоединения (АП) и аппаратура обработки ( АО ). Аппаратура присоединения служит для передачи ВЧ сигналов от аппаратуры уплотнения на передающем конце в провода линии электропередачи и для передачи сигналов от проводов к аппаратуре уплотнения на приемном конце. Аппаратура обработки служит для отделения по высокой частоте проводов ВЛ, к которым подключается аппаратура присоединения, от остальной сети высокого напряжения. Аппаратура обработки и присоединения в некоторых случаях образует единую электрическую схему. Участок канала связи от выхода передатчика аппаратуры уплотнения на одном конце канала до входа приемника этой аппаратуры на другом конце называется высокочастотным трактом. Участок ВЧ тракта между точками подключения апппаратуры присоединения к проводам ВЛ называется линейным трактом.[1]

(ИС) – источник сигнала. Преобразователи сигналов (ПС) на передающей и (ПС2) на приемной стороне. Преобразование низкочастотных сигналов в высокочастотные на передающем конце и обратное преобразование на приемном конце осуществляется в аппаратуре ВЧ уплотнения (АУ).

Рис. 1.3 Структурная схема организации канала связи.

1.3 Особенности ВЧ связи по ВЛ

Надежность линии электропередачи значительно выше надежности воздушных и кабельных линий связи благодаря высокой прочности линейных проводов и поддерживающих конструкций (опор). Линии электропередачи повреждаются только при мощных природных воздействиях, таких как ураган, гроза или очень сильный гололёд, в то время как воздушные линии связи повреждаются при сильном ветре, сравнительно небольших гололёдных образованиях, а кабели повреждаются землеройными механизмами, при оползнях, половодьях, вибрациях почвы от автотранспорта и других причинах. Во многих случаях линия электропередачи (ЛЭП) является кратчайшим путем, связывающим энергетические предприятия (например, подстанции), между которыми нужны каналы связи. При этом отпадает необходимость в строительстве линии проводной связи, а также, и это очень важно, в организации их эксплуатации. Эксплуатация ВЛ, требующая специальной линейной службы с большим количеством персонала, ведется независимо от организации по ней каналов связи. По этим причинам затраты на сооружение и эксплуатацию каналов связи по проводам ВЛ значительно меньше аналогичных затрат на каналы по специальным воздушным, кабельным или радиорелейным линиям связи. В то же время использование для связи проводов ВЛ сопряжено с рядом трудностей, которые приходится учитывать при конструировании аппаратуры и проектировании каналов связи.

Повода ВЛ нормально находятся под высоким напряжением промышленной частоты. Вследствие этого по ВЛ возможна только ВЧ связь с использованием таких частот, которые сравнительно простыми средствами могут быть отделены от промышленной частоты.

Для подключения передатчика и приемника аппаратуры уплотнения к проводам ВЛ необходима специальная аппаратура присоединения, не применяемая ни в каких других областях техники связи.[1]

На станциях и подстанциях фазные провода ВЛ подключаются к специальным шинам. К ним также подключено оборудование высокого напряжения (выключатели, трансформаторы, разъединители), которое может иметь низкое сопротивление для токов рабочей частоты каналов связи. В этом сопротивлении поглощается часть энергии сигналов высокой частоты. Кроме того, бывают случаи отключения ВЛ с обеих сторон от шин подстанции и заземления на подстанции её проводов. Работа каналов ВЧ связи в этих случаях также не должна нарушаться. По этим причинам в провода ВЛ у подходов к шинам включается последовательно аппаратура обработки (высокочастотные заградители), имеющая низкое сопротивление для токов промышленной частоты и высокое сопротивление для токов высокой частоты.

Конфигурация сети высокого напряжения не остаётся неизменной. С появлением новых потребителей энергии в линии врезаются новые подстанции, что часто приводит к необходимости реконструировать каналы связи, идущие по этим линиям. Эта реконструкция бывает связана со сложной перестройкой или даже заменой аппаратуры связи, установкой дополнительных устройств обработки и присоединения.

Некоторые трудности в создании и проектировании каналов ВЧ связи по ВЛ обусловлены конструктивными особенностями ВЛ. Линии электропередачи являются многопроводными системами с числом проводов от трех до нескольких десятков (двухцепне линии с тросами и расщеплёнными фазами). При присоединении к одному или двум проводам остальные провода и нагрузочные сопротивления этих проводов по отношению к земле оказывают существенное влияние на параметры каналов связи.

Расстояния между проводами соизмеримо с высотой подвеса проводов над землей, а в некоторых случаях (для ЛЭП свыше 500 кВ ) даже больше средней высоты подвеса проводов. При этом земля оказывает большое влияние на ВЧ параметры линии. Влияние земли сказывается главным образом на увеличении затухания линейных трактов каналов ВЧ связи по ВЛ.

Транспозиция линейных проводов симметрирует линию только на низкой частоте, когда расстояние между пунктами транспозиции намного меньше длины волны. На высокой частоте между соседними пунктами транспозиции укладывается несколько десятков длин волн, поэтому пункты транспозиции не симметрируют линию, а являются, местами нарушения её однородности, вызывающими увеличение потерь энергии высокочастотных сигналов.[1]

Наличие на проводах линии высокого напряжения промышленной частоты вызывает электрические разряды в воздухе вблизи поверхности проводов ( коронирование ) и разряды по поверхности изоляторов. Эти разряды создают электрические помехи во всем спектре высоких частот, который может быть использован для ВЧ связи по ВЛ. Поэтому каналы связи по этим линиям характеризуются высоким уровнем электрических помех. К помехам от коронирования проводов и разрядов по поверхности изоляторов добавляются ещё помехи, возникающие при оперативных переключениях (коммутациях) силового оборудования, а также помехи при аварийных режимах линии, например при КЗ.

Наличие на лини высокого напряжения осложняет эксплуатацию аппаратуры каналов ВЧ связи. Плановая или послеаварийная ревизия аппаратуры обработки связана с необходимостью отключения ВЛ, а это в свою очередь связано с ослаблением надежности электроснабжения. Часто по условиям режима работы энергосистемы отключение линии не возможно осуществить в течении длительного времени. Испытания и ревизии устройств присоединения должны производиться в непосредственой близости от проводов линии высокого напряжения. Поэтому работа эта регламентирована жёсткими правилами техники безопасности. Волны перенапряжений, которые возникают на ВЛ при грозовых перекрытиях и коммутационных операциях, через устройства присоединения частично попадают на вход ВЧ аппаратуры и могут вызвать её повреждение. Особенно велики перенапряжения, возникающие на элементах аппаратуры обработки. Приходится применять специальные меры по защите этих элементов аппаратуры от перенапряжений.

Несмотря на отмеченные трудности ВЧ связь стала в России основным средством дальней межобъектной связи в энергетике. [1]