Opublikowano dnto 10 llpcg 1956 r.? PAT%„ HI6FH: 0l POLSKIEJ RZECZYPOSPOLITEJ LUDOWEJ OPIS PATENTOWY Nr41476 Ki. 21 C, 4/10 Erwin Wedemeyer Berlin-Rahnsdorf, Niemiecka Republika Demokratyczna Horst Straubel Ferlin-Friedrichsfelde, Niemiecka Republika Demokratyczna Johannes Weiss Berlin, Niemiecka Republika Demokratyczna Sposób ochrony kabli telekomunikacyjnych przed indukcyjnym lub galwanicznym oddzialywaniem pradów silnych Patent trwa od dnia 30 kwietnia 1956 r.Wynalazek dotyczy sposobu ochrony kabli telekomunikacyjnych przed in¬ dukcyjnym lub galwanicznym oddzialywaniem pradów silnych w przypadku zaklócen w sieci wysokiego napiecia, np# wskutek zwarcia. Gdy w sieciach wysokiego na¬ piecia, w których obecnie stosuje sie zazwyczaj bezposrednie uziemienie punktu zerowego zdarza sie zwaroia, to w pewnych przypadkach zjawiaja sie znaczne prady zwarciowe o natezeniu wynoszacym niekiedy tysiace amperów. Dla kabli telekomunikacyjnych, które krzyzuja sie z siecia wysokiego napiecia lub zblizaja sie do niej, takie prady stanowia niebezpieczenstwo, gdyz w kablach powstaja napiecia siegajace kilku kV. Gdyby nie bylo odpowiedniej ochrony, staloby sie mozliwe zarówno uszkodzenie kabla i urzadzen stacyjnych, jak równiez porazenie personelu.¦ ¦ . ¦( Znane sa sposoby ochrony polegajace na tym, ze przez zmniejszenie wzdluz plaszcza kabla opornosci dla pradu stalego lub przez zwiekszenie opor¬ nosci dla pradu zmiennego tegoz kabla, wzglednie przez zastosowanie obu srod¬ ków jednoczesnie, obniza sie wspólczynnik redukcji kabla, tzn. stosunek napiecia indukowanego w kablu chronionym do napiecia indukowanego w kablu niechronionym, aby obnizyó napiecie zagrozenia. Znane sposoby wykazuja jednak powazne wady, a zwlaszcza dzisiaj, kiedy powszechnie stosuje sie bezposrednie uziemienie punktu zerowego w sieciach wysokiego napiecia. W celu zmniejszenia wspomnianej opornosci dla pradu stalego stosuje sie tzw.ochrone miedziana, która polega na tym, ze pod plaszczem olowianym kabla umieszcza sie druty miedziane. Srodek ten jest na ogól malo skuteczny, gdyz ochrona miedziana ob¬ niza tylko opornosc dla pradu stalego, a nie zmienia jednoczesnie opornosci dla pradu zmiennego, gdyz przenikalnosó miedzi praktycznie je^st równa jed¬ nosci. Oprócz tego taka ochrona wymaga bardzo duzego zuzycia metali kolorowych.W celu zwiekszenia0 opornosci dla pradu zmiennego stosuje sie tzw. ochrone ze¬ lazna. Polega ona na obandazowaniu ochronnym tasm zelaznych. Wedlug dotychcza¬ sowych pogladów wymaga sie od ochrony zelaznej tylko duzej przenikalnoscl poczatkowej, gdyz znaczne indukowane napiecia wzdluz kabla moga wystapic na¬ wet przy malym oddzialywaniu w przypadku równoleglego ulozenia na dluzszym odcinku kabli telekomunikacyjnych i elektrycznych sieci trakcyjnych, gdzie dawniej najczesciej stosowano kable chronione. Zmiana przenikalnoscl pod wplywem duzych pradów nie byla dotychczas uwzgledniana* Ochrona zelazna w dotychczasowej postaci posiada te zasadnicza wade, ze duza przenikalnosc poczatkowa bardzo znacznie sie obniza pod wplywem duzych pradów indukcyjnych, tak iz ochrona staje sie nieskuteczna wlasnie w miejscach najbardziej zagrozonych.Wynalazek opiera sie na stwierdzeniu, ze wystarczajaca ochrona teleko¬ munikacyjnych urzadzen kablowych jest zapewniona tylko wtedy, gdy przez za¬ stosowanie odpowiednich srodków wspólczynnik redukcji przy duzych natezeniach pól indukcyjnych jest utrzymany na praktycznie stalej wartosci, wystarczaja¬ cej dla niezawodnej ochrony kabla.Wedlug wynalazku przez dokonanie odpowiedniego pociecia materialu magne¬ tycznego i wykonanie w nim wyciec oraz przez odpowiedni dobór grubosci tego ma¬ terialu ustala sie taki wspólczynnik redukcji, ze w zakresie niebezpiecznych natezen pól indukcyjnych osiaga sie praktycznie stala wartosc, wystarczajaca dla niezawodnej ochrony kabla.Istota wynalazku jest wyjasniona na rysunku.Na fig. 1 krzywa ,1 przedstawia przebieg wspólczynnika redukcji kabla telekomunikacyjnego, posiadajacego zwykla ochrone zelazna, w zaleznosci od napiecia zagrozenia. Jak widac wartosc wspólczynnika redukcji szybko spada wskutek wielkiej przenikalnoscl poczatkowej zelaznego obandazowania, osiaga minimum i potem znacznie wzrasta. Z powyzszego wynika, ze w zakresie duzych napiec indukcyjnych wspólczynnik redukcji ma wartosc w przyblizeniu równa -2 -jednosci i tym samym nie ma dzialania ochronnego. Krzywa ^i przedstawia przebieg wspólczynnika redukcji kabla z ochrona wedlug wynalazku. W tym przy¬ padku krzywa spada równiez stosunkowo stromo. Krzywa ta jednak nie wznosi sie znowu stromo jak krzywa I, lecz przebiega z bardzo malym nachyleniem, tak iz w zakresie wysokich napieó zagrozenia wspólczynnik redukcji kabla jest jesz¬ cze wystarczajaco maly. Oznacza to, ze w zakresie krytycznych napieó induk¬ cyjnych zapewnione jest wystarczajace dzialanie ochronne. Na fig. 2, 3 14 przedstawiono niektóre mozliwosci otrzymania wspólczynnika redukcji kabla wedlug wynalazku, przy czym zaznaczono na nich schematycznie rózne rodzaje wykonania ochrony przed zagrozeniem. Fig. 2 przedstawia ochrone w postaci ruxy zelaznej, a fig. 3 i 4 przedstawiaja ochrone w postaci bandazu z tasm zelaznych o róznych skokach nawijania.Wspólczynnik redukcji jest miedzy innymi zalezny od rodzaju materialu magnetycznego /tworzywa i postaci/, od grubosci materialu magnetycznego i od postaci nalozenia materialu magnetycznego na kabel chroniony.Gdy jako material magnetyczny stosuje sie np.tasme zelazna, to mozna przez odpowiednie ustalenie grubosci i postaci nalozenia materialu magnetycz¬ nego otrzymac wspólczynniki redukcji kabla o takim przebiegu, jak przedstawia krzywa ,11 na fig. 1. Osiaga sie to w ten sposób, ze np. przy okreslonej gru¬ bosci i szerokosci tasmy zelaznej dobiera sie taki charakterystyczny dla wy¬ maganego wspólczynnika redukcji $ kat skoku ot , zeby byla spelniona za¬ leznosc r = f/sin cG /• Ustalenie wspólczynnika redukcji kabla wedlug wynalazku mozna osiagnac jednak równiez przez bezposrednie oddzialywanie na strumien' magnetyczny f , gdyz istnieje równiez zaleznosc r = f/ 0 /.Takie oddzialywanie na strumien magnetyczny mozna osiagnac przez odpowiednie wyciecia w materiale magnetycznym, np. w materiale, stanowiacym ochrone, wycina sie szczeliny. Na fig.2 wyciecia zaznaczono linia przerywana. Wycie¬ cia moga byc równiez wykonane w materiale tasmowym. ' Przy zwarciu z ziemia powstaje jak wiadomo prad ziemny tego rodzaju, ze natezenie pradu i tym samym spadek napiecia moga byc przedstawione w po¬ staci wykresu o przebiegu lejkowatym.W bezposredniej bliskosci zetkniecia z ziemia natezenie pradu jest wielkie i oczywiscie równiez jest wielki spadek napiecia. W duzej odleglosci zarówno natezenie pradu, jak i spadek napiecia sa male lub znikomo male. To samo dotyczy uziemienia roboczego silowni lub podstacji* Znane dotychczas sposoby ochrony przewiduja równomierna jednorodna ochrone kabla telekomunikacyjnego na calej jego dlugosci nie uwzgledniajac róznorodnego zagrozenia kabla w róznych miejscaoh. Wskutek tego ochrona kabla jest obliczona na maksymalne zagrozenie wystepujace lokalnie. Taka ochrona pociaga za soba niepotrzebne zuzycie materialu. Wedlug wynalazku w dalszym rozwinieciu sposobu ochrony kabla mozna zróznicowac ochrone odpowiednio do lokalnie nierównych zagrozen chronionego kabla. Przy wykonaniu takiej ochro¬ ny przyjmuje sie jako punkt wyjscia fakt, ze przy zwarciu z ziemia spadek napiecia, jak zaznaczono wyzej, ma przebieg lejkowaty, a wspólczynnik reduk¬ cji kabla powinien byc dostosowany do róznych lokalnych wplywów zagrozenia, - 3 -aby uzyskac skuteczna ochrone. Jak wylazaly badania kabel telekomunikacyjny jest chroniony przed uplywem pradów silnych wtedy, gdy jego wspólczynnik redukcji posiada wartosc w przyblizeniu odwrotnie proporcjonalna do gradien¬ tu napiecia w odpowiednim obszarze lejka napiec indukcyjnych, w którym prze¬ biega chroniony kabel.Na fig.5 przedstawiono stosunki zachodzace w obszarze lejka napiecia przy zwarciu z ziemia lub przy uziemieniu roboczym, gdzie przebiega kabel telekomunikacyjny. Wykres przedstawia z jednej strony przebieg gradientu napiecia w ziemi wzgledem oddalonego uziemienia /krzywa l/t a z drugiej stro¬ ny przebieg wspólczynnika redukcji chronionego kabla, przy czym ten wspól¬ czynnik powinien miec wedlug wynalazku wartosc w przyblizeniu odwrotnie pro¬ porcjonalna do gradientu napiecia /krzywa Ii/. Jak widac z rzutu kilku punk¬ tów gradientu napiec na powierzchnie rozkladu potencjalów w czesci poczatko¬ wej gradientu o duzych róznicach potencjalów nalezy liczyc sie z duzymi na¬ pieciami indukcyjnymi, tak ze dla ochrony przed tymi napieciami sa wymagane bardzo male wspólczynniki redukcji. W dalszym przebiegu gradientu napiec róznice potencjalów miedzy równoodleglymi punktami staja sie coraz mniejsze w kierunku wzrastajacych odleglosci od miejsca uziemienia, tak iz wspólczyn¬ nik redukcji moze miec coraz wieksze wartosci bez szkody dla ochrony kabla.Oczywiscie zmiana wspólczynnika redukcji moze przebiegac nie tylko w sposób ciagly, lecz równiez skokami. Przez dostosowanie dzialania ochrony do lokal¬ nych warunków zagrozenia mozna wykonac ochrone znacznie oszczedniej, niz to bylo mozliwe przy jednorodnym wykonaniu ochrony na calej dlugosci kabla.Opisane wyzej sposoby ochrony stanowia srodki ochrony przed napieciami zagrozenia, indukowanymi w chronionym kablu. Aby zapewnic niezawodna ochrone nalezy jeszcze uwzglednic zagrozenie, wynikajace z galwanicznego oddzialywa¬ nia na kabel telekomunikacyjny.Uziemienie robocze silowni lub podstacji wykazuje skonczona opornosc wzgledem czynnego odleglego uziemienia. Wskutek tego przy zwarciu sieci wyso¬ kiego napiecia poza podstacja lub silownia uziemienie robocze posiada napiecie wzgledem odleglego uziemienia równe spadkowi napiecia na uziemieniu roboczym przy pradzie zwarcia wedlug wzoru: UB=JK VRB gdzie U„ oznacza napiecie zwarcia uziemienia roboczego wzgledem odleglego uziemienia, JK - prad zwarcia i RB - opór uziemienia roboczego. Na ogól pod¬ stacje i silownie sa polaczone kablem telefonicznym z sieciami publicznymi lub prywatnymi. Wskutek tego zyly telefoniczne, które z reguly posiadaja galwaniczne polaczenie z uziemieniem roboczym przez aparaty ruchu, np.baterie, w przypadku zwarcia otrzymuja potencjal uziemienia roboczego i przenosza go niekiedy na duze odleglosci, tak iz kabel moze byc uszkodzony, a na odleglym koncu wystepuje zagrozenie ludzi i aparatów. Zagrozenie moze wystapic równiez wtedy, - 4 -I kiedy zyly kabla telefonicznego sa w stanie jalowym w urzadzeniach wysokie¬ go napiecia, a na odleglym kotfcu sa uziemione w urzedzie telekomunikacyjnym.W razie zwarcia wystepuje wówczas napiecie zagrozenia na bedacych w stanie jalowym kojcach przewodów w urzadzeniu wysokiego napiecia.Dotychczas prady zwarcia byly ograniczone przez indukcyjne uziemienie za pomoca cewek Fetersena w takim stopniu, ze prad zwarcia byl maly 1 nie bylo zagrozenia. Z chwila przejscia z uziemienia indukcyjnego na bezposred¬ nie uziemienie punktu zerowego, jak to dzis stosuje sie powszechnie, prady zwarcia moga osiagac wartosci wielokrotnie wieksze niz dotychczas. Niekiedy trzeba sie liczyc z pradami zwarcia o wartosci np.10000 - 15000 A i w przy¬ padkach gdy opór uziemienia Rfi wynosi 0,5J7. , to napiecie Ug.-moze wynosic 5 - 7,5 kV.Dla wyjasnienia tych okolicznosci przedstawiono na fig.6 silownie 1 z odchodzaca linia napowietrzna g oraz z kablem telefonicznym £, wprowadzonym do obszaru silowni. Omówione wyzej warunki zwarcia sa przedstawione za pomo¬ ca tych samych oznaczali UB , J„ i R_ • Uziemienie robocze silowni oznaczono cyfra £, przewodzaca, oslcme ocnronna kabla ^ - cyfra ^ i zyly kablowe - cyfra 6. Unieszkodliwienie taklcn napiec zagrozenia, które jak omówiono wyzej, wy¬ stepuja na oddalonym koncu miedzy plaszczem olowianym lub inna przewodzaca oslona kablowa ^ i zylami kablowymi 6, odbywa sie wedlug wynalazku w ten spo¬ sób, ze w tych zylach wytwarza sie napiecie przeciwne, tak iz w kazdym dowol¬ nym miejscu róznica potencjalów miedzy plaszczem olowianym 1 zyla jest w przy¬ blizeniu równa zeru. Takie napiecie przeciwne moze byc wytworzone w ten spo¬ sób, ze po pierwsze nalezy zatroszczyc sie, aby ochronna oslona kablowa £ dobrze przewodzila prad, a z uziemieniem roboczym 4 miala dobre polaczenie galwaniczne, a po wtóre nalezy zapewnic, aby miedzy oslona kablowa £ i zyla¬ mi kablowymi 6 bylo mozliwie dobre sprzezenie magnetyczne. Wówczas dzieki galwanicznemu polaczeniu oslona kablowa £ jest czescia uziemienia 4, a spa¬ dek napiecia U~, wystepujacy na niej, jest równy spadkowi napiecia w zylach kablowych 6. Poza tym przy dobrym sprzezeniu magnetycznym napiecie, induko¬ wane na zylach kablowych 6, jest w przyblizeniu równe napieciu na oslonie kablowej. Wskutek tego oslona kablowa i zyly kablowe maja w kazdym dowolnym punkcie kabla w przyblizeniu jednakowy potencjal wzgledem oddalonego uziemie¬ nia tak, iz pomiedzy plaszczem i zyla pozostaje nieznaczna róznica potencja¬ lów. Dzieki temu, ze miedzy oslona kabla i zylami kablowymi nie ma zadnej róznicy potencjalów, nie istnieje zagrozenie wskutek napiecia zwarcia.Na fig.7 przedstawiono powstawanie napiecia w zylach kabla przeciwne napieciu na przewodzacej oslonie.Wydzielajac dowolny odcinek kabla, zawarty miedzy punktami a, b i £, d na oslonie kabla lub na zylach kabla, otrzymuje.sie przy zastosowaniu srodków wedlug wynalazku pomiedzy a i £ napiecie skierowane od £ do a. Napiecie to wedlug prawa obiegu napiec miedzy punktami bid wytwarza napiecie skierowa¬ ne od b do d, tzn. napiecie skierowane przeciwnie do napiecia powstajacego ¦ - 5 -w oslonie przewodzacej• Zjawisko to wystepuje w kazdym dowolnym odcinku kabla telefonicznego 3. PL