CC BY
115
5 декабря 2011 r. 23:56
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Источники внешних высокочастотных помех на линии связи связи широкополосного доступа
Развитие широкополосного доступа обострило проблему высокочастотного воздействия внешних источников воздействия электромагнитных попей на пинии связи. Обычно, рассматривая влияние грозовых разрядов, высоковольтных линий электропередачи и электрифицированных железных дорог, имеют в виду их низкочастотные составляющие. Между тем, последние исследования молнии, а также внедрение электронных (тиристорных) схем управления на ЛЭП и эллкд привели к осознанию того факта, что в линиях возможно появление высокочастотных составляющих (до десятков и даже сотен мегагерц) от этих источников. Эти сведения обсуждаются в данной статье.
Морозов Б.Н.,
Доцент кафедры линий связи МТУСИ, к.т.н. Соколов Е.Г.,
Магистрант кафедры линий связи МТУСИ
В последние годы в связи с развитием интернета, передачи данных и телевидения получил имрокое развитие широкополосньй доступ, проводный и беспроводный. Проводный доступ осуществляется с помощью специальных кабелей с витыми парами, а также оптических кабелей. Беспроводный широкополосный доступ обладает значительно большей мобильностью и дальностью действия по сравнению с городокими электрическими и оптическими кабелями. Он может осуществляться с помощью радиосвязи, радиорелейных и спутниковых линий, открытых оптических линий. В табл. 1 показано существующее и прогнозируемое процентное распределение различных видов доступа на сетях.
Таблица 1
Процентное распределение различных видов доступа на сетях и его прогнозируемое изменение
Широкополосный беспроводной доступ xDSI. воле Аналоговый jocryn
2005 1.0 7 2 90
2006 2.5 10 2.5 85
2007 4.0 II 3 82
2008 7.0 14 4 75
2009 10 15 5 70
2010 15 IK 7 60
2011 16 16 14 54
2012 18 12 20 50
Концепция развития сотовой связи предусматривает последовательное внедрение новых технологий. После поколения 2-5G начинает внедряться поколение 3G, после которого появится 3.5G или 4G. Переход к поколению 3G означает расширение частот, переходе новые диапазоны, например, от900МГцк 2ГГц При этом дальность связи сократится, а число базовых станц ий возрастёт в 4-5 раз и вырастет число соединительных линий. При предполагаемом в дальнейшем переходе в диапазон 5 ГГц плотность инфраструктуры сети повысится ещё в 4-5 раз. Пр^мём в России новые и старые системы будут мирно сосуществовать и во втором десятилетии XXI века. Возможны и проблемы конвергенции услуг на основе взаимодействия различных беспроводных технологий, например, GSM и спутниковой навигации и связи.
Частотный спектр внешних воздействий на беспроводной доступ необычайно широк: от низких частот ионосферных токов др сверхвысоких частот при взаимных влияниях. Внешние помехи могут чосто возникать в не сертифицированных полосах частот. Помехи приводят к сокращению радиуса связи и снижают ёмкость соты. В го-
родских условиях Западной Европы диаметр сот сети UMTS составляет около 600 м, и в ближайшем будущем предполагается, что диаметр будет сокращён до 300 м, что приведёт к резкому увеличению числа базовых станций и соединительных линий. Для Москвы и её близких окрестностей диаметр сот вероятно будет равен примерно 400 м. Качество сотовой связи сильно ухудшают излучения от безшнуровых телефонов, передатчики которых работают на частотах 904-905 МГц то есть занимают 1 МГц в полосе GSM. Сегодня в полосе 3G или на границах полосы работают РРЛ, навигационные системы, космические средства и даже радиоастрономия, которые могут создавать сильные помехи.
Базовые станции сотовой связи с установкой антенн на крыше чосто монтируются на старых зданиях АТС, что существенно изменяет защищённость станций, их оборудования, компьютеров и подключённых кабелей от ударов молнии и других электромагнитных воздействий. Эти обстоятельства и широкое применение беспроводного доступа в городе и пригородах делает необходимым рассмотрение воздействия молнии на антенны и оборудование базовых радиостанций и способов их защиты. Известно, что наиболее сильное влияние на линии связи оказывают грозовые разряды, высоковольтные линии передачи и электрифицированные железные дороги. На первый взгляд все эти источники низкочастотные. В самом деле, грозовые разряды обычно представляют в виде биэкспоненциального импульса с фронтом порядка 1 -2 мксек и длиной полуспадо порядка 50 мксек. То есть, по существу, основная энергия импульса заключена в пределах 5-10 кГц и только на фронте импульса частота может составлять величину до 1 МГц Высоковольтные линии и железные дороги работают на чостоте 50 Гц Между тем, реальнью наводки от грозовых разрядов могут лежать в спектре до 30 МГц при влиянии железных дорог — в спектре до 1 МГц а вблизи высоковольтных ЛЭП и до Пц Откуда возникают такие частоты?
В связи с ростом потребления энергии, подключением к сети всё большего числа потребителей получили распространение электронные системы контроля работы и управления энергетическими системами Системы электронного управления играют огромную роль, и без них работа современных энергосетей невозможна. Однако эти системы внесли в сеть дополнительные источники помех.
Нагрузка высоковольтных сетей очень велика и близка максимальному расчётному пределу, поэтому при случайном отключении некоторых линий возможно возникновение перегрузки на других участках, что чревато развалом всей системы, если зашита основана на медленно действующих механических устройствах. Такие случаи уже наблюдались. Быстродействующие электронные устройства управления основаны на использовании тиристоров, позволяющих производить быстрые переключения. Постепенное расширение сети после ввода новых линий и станций не уменьшает значения современных уже действующих устройств и позволяет безболезненное наращивание и изменение мощности и конфигурации сети, как с технической, так и с экономической точки зрения. Управляющие устройства регулируют реактивную энергию, переключают фазы,
T-Comm, #8-2010
17
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
контролируют активное и реактивное сопротивление линии.
Однако обилие быстродействующей электроники является причиной сильного загрязнения сетей высокочастотными гармониками. Особенно велики 5-я и 11-я гармоники, что может представлять опасность для линий связи в спектре до 1 МГц Поэтому при расчёте влияний высоковольтных ЛЭП и элжд на окружающие объекты необходимо учитывать наличие в сети высокочастотных гармоник. Средствами защиты могут быть пассивные и активные фильтры и так называемые нейронные цепи, контролирующие работу тиристоров.
Мощным источником высокочастотных помех является также корона, возникающая на проводах ЛЭП. Негладкостъ проводов, их загрязнение и влажность приводят к возникновению электрического разряда с поверхности провода. При повышении напряжения коронный разряд переходит в стримерную форму. Развитие стримера сопровождается протеканием импульса тока с фронтом порядка 0.1 мкс и полной длительностью в десятые доли микросекунды, что соответствует чостотам порядка нескольких мегагерц. Очаги разрядов возникают в отдельных местах вдоль провода, на которых имеется повышенная напряжённость поля вследствие загрязнения и повреждений. Они могут появиться также на арматуре крепления проводов у гирлянд изоляторов, распорках на расщеплённой фазе и других местах. Метеорологические условия оказывают существенное влияние на развитие коронного разряда на проводах линий. Осадки (дождь, снег, изморозь) значительно увел кивают число очагов короны. Ионы от провода могут удаляться на расстояние до 60 см. Уход электронов из стримера на провод вызывает импульс тока. Число импульсов тока в одном очаге может изменяться от десятков до нескольких сотен в секунду Среднее значение длины фронта импульсов составляет 0.08 мксек, а длина на уровне половины амплитуды 0.21 мксек. Спектр электромагнитных волн, распространяющихся вдоль линии, определяется интегральным эффектом от всех очагов короны. Он чрезвьмайно широк — от сотен килогерц до сотен мегагерц. Время фронта может составлять десятые доли наносекунды. при этом основная энергия заключена в спектре от 500 до 600 МГц амплитуда — до 50 дБм. Время фронта положительной короны порядка 2 не, отрицательной — 0.8 не, амплитуда токов отрицательной короны больше, чем положительной.
Излучение радиопомех при работе высоковольтных линий электропередачи производится росщеплёнными проводами, коронными разрядами, утечками через изоляторы, в моменты включения и вьжлючения при плохих контактах, при резких изменениях нагрузки, при воздушных искровых разрядах и тд Часто эти явления имеют прямую связь с погодой. В 80% случаев в течение года эти излучения не превышают допустимого уровня, но иногда эти влияния велики. Уровень поля частотой 0,5 МГц на расстоянии 20 м от линии имеет велкнину, показанную в табл. 2.
Результат влияния погсщы — ухудшение примерно на 25 дБ. Эти помехи оказывают влияние на работу радиорелейных, спутниковых линий и радиосвязи. Влияние ЛЭП сверхвысокого напряжения (800
кВ и выше) проявляется в спектре 1 -30 МГц Защитное расстояние составляет от 800до 2000м от линии.
Еще одним источником высокочастотных воздействий являются внугриоблачные грозовые разряды, механизм которых недавно исследовался в США В. Раковым. Во время таких разрядов возникает пульсирующая (прыгающая) молния с частотой излучения до нескольких десятков мегагерц Если учесть, что существуют также разряды в ионосферу, которые имеют очень большую низкочастотную составляющую, спектр влияния молнии оказывается очень широк: от единиц герц до десятков мегагерц
Особенности использования спутников в широкополосных сетях состоит в том, что хотя их зоны обслуживания могут покрывать большие поверхности сунн и океана, они также могут быть контурными для охвата конкретной территории. Спутники могут иметь широкие полосы стволов, что даёт возможность использовать эти стволы для обеспечения мультисереисных и вешртельных услуг по схемам "точка-точка" и "точка — много точек" при распространении информации от одного источника к одному или многим пунктам назначения. При этом интерактивность может быть достигнута через спутник или через наземную сетевую инфраструктуру, например, через коммутируемую телефонную сеть общего пользования. Кроме использования в международных и магистральных линиях связи спутники могут быть задействованы в региональных линиях связи, в базовых сетях, распределительных сетях и сетях доступа. Электрическая прочность интегральных схем, установленных на спутниках и входящих в состав микропроцессорных устройств, составляет от 8 до 55 В (4]. Установлено также, что при напряжённости импульсного магнитного поля Н = 7 А/м происходит сбой в работе микропроцессора. Одной из причин сбоев в работе устройств спутника являются статические разряды между плоскостями солнечных батарей. Эти разряды имеют фронт от 40 до 150 не и амплитуду тока разряда до 300 А. При увеличении расстояния между площадками, где накапливаются заряды, длительность фронта и амплитуда тока уменьшаются. А при увелкмении гшощэди пластин ток может возрасти до 700 А. Обычно электрическое поле имеет величину порядка Е = 10 — 15 В/м, а магнитное поле Н = 12 -г 30 мА/м при крутизне 0,2 мА/(м*мс).
При разрядах молнии магнитное поле у поверхности земли при расстоянии от канала молнии в 1 км имеет величину порядка 1,5 А/ми длительность порядка 40-100 мкс, в 10 км — порядка 80 мА/м, в 20 км примерно 35 и 50 км — 15 мА/м Отражение от проводящей ионосферы вызывает появление повторных пиков поля через несколько десятков или сотен микросекунд
Как видим, спектр воздействия грозовых разрядов, современных линий электропередачи и электрифицированных железных дорог очень высок и достигает величин порядка гигагерц. Развивающиеся линии широкополосного доступа оказываются подверженными воздействию указанных источников в частотном диапазоне их работы, и это необходимо учитывать при проектировании линий.
Таблица 2
Уровни электрического поля на частоте 0.5 МГц при разных величинах напряжения линии
Напряжение линии. кВ по 220-330 500 750
Уровень ноля при хорошей погоде, дГ> 22 28 30 49
Уровень ПОЛЯ при плохой погоде, дБ 46 53 55 76
Литература
1. Невдяев Л.М. По проводом и эфиру — в Интернет. — Информкурь-ерсвяэь, 2003. — №6.
2 A. Nag, VARalcw, D.TaaHde. New experimental data on lightning events producing intence VHP radiation bursts. EOS Irans. AGU vol89, № 53.
3. Техника высоких напряжений/Псщ ред. Костенко MB. — М.: Высшая школа, 1973.
Л Митрохин В.Е Методика оценки импульсного электромагнитного влияния на кабели аэрокосмических аппаратов. Надежность функционирования систем автоматики и информационных сетей железнодорожного транспорта. Межвузовский тематический сборник научных трудов. Омская государственная академия путей сообщения — Омск, 1995. — С 75-93.
18
T-Comm, #8-2010
