[ Б ] О К С

Согласовано Утверждаю

____________________ Е.Ю. Ушакова ____________________ Н.К. Сабинин

Главный технолог и.о. Генерального директора

дата дата

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОЗИЦИЯпо вопросу размещения антенно-фидерных устройств на опорах ВЛ.

ОАО «УПРАВЛЕНИЕ ВОЛС-ВЛ» ИНФОРМИРУЕТ,

что на опорах ВЛ допускается размещение антенно-фидерных устройств при условии соблюдения требований электробезопасности, молниезащиты, электромагнитной совместимости, а также наличии проекта, содержащего решения по подобному размещению и выполненного в соответствии с требованиями руководящих документов.

ТП-АФУ

Екатерина Ушакова (Jul 23, 2012)

Jul 23, 2012

Николай Сабинин (Jul 23, 2012)

Jul 23, 2012

© 2012 ОАО «Управление ВОЛС-ВЛ».Настоящий документ может быть воспроизведен и передан какими бы то ни было средствами, будь то электронные или механические, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель, полностью или заглавной страницей и только в оригинальном виде , без ограничений по применению. Любое использование части документа или его содержимого в других изданиях или любые изменения формата документа запрещены без письменного разрешения ОАО «Управление ВОЛС-ВЛ».

ТП-АФУ

ТП-АФУ

Содержание 1 Введение......................................................................................................................4 2 Определения и сокращения......................................................................................4 3 Постановка задачи.....................................................................................................4 4 Описание решения.....................................................................................................4 5 Электробезопасность размещения АФУ на ЛЭП.....................................................5 6 Молниезащита.............................................................................................................9 7 Электромагнитные помехи......................................................................................11 8 Требования руководящих документов...................................................................13 9 Заключение...............................................................................................................14 10 Список литературы.................................................................................................14 11 Поддержка...............................................................................................................15

3 из 16

Техническая позиция

1 ВведениеПроблема поиска подходящих площадок для расположения антенно-фидерных устройств (АФУ) является для операторов сотовой связи весьма насущной. При планировании зон покрытия специалистам приходится одновременно учитывать как особенности распространения радиоволн на местности, так и наличие подходящей инфраструктуры для размещения АФУ в выбранных с точки зрения покрытия точках. При этом зачастую даже после нахождения объектов инфраструктуры, размещение АФУ на которых допустимо с точки зрения карт радиопокрытия, может оказаться невозможным получить разрешение собственника объекта на размещение оборудования оператора.

С переходом на технологии, предполагающие более высокую скорость передачи данных, и, как следствие, меньшие длины волн и эффективные области покрытия, вопрос поиска инфраструктуры для размещения АФУ становится все более актуальным.

2 Определения и сокращения• АФУ — Антенно-фидерные устройства — Устройства для передачи сигналов в

системах радиосвязи, а также в других радиотехнических системах, использующих для передачи информации свободное распространение радиоволн

• ОПН — Ограничитель перенапряжения — Высоковольтный аппарат, предназначенный для защиты изоляции электрооборудования от атмосферных и коммутационных перенапряжений

• РП — Радиоподсистема

• УПГ — Увеличение потенциала грунта

Все остальные термины в данном документе применяются в значениях согласно Энциклопедии УВВ [1].

3 Постановка задачиВ рамках данного документа необходимо рассмотреть опоры ЛЭП в качестве инфраструктурных объектов для размещения АФУ. Требуется осветить вопросы электрической безопасности, молниезащиты, влияния наведенных помех от фазных проводов на распространение радиоволн.

4 Описание решенияДля установки АФУ предполагается использовать опоры линий РСК 35 кВ и 110-220 кВ как наиболее подходящие по высоте, а также расположенные неподалеку от населенных пунктов. Антенны располагаются на теле опор, между или над

4 из 16

ТП-АФУ

фазными проводами и даже в некоторых случаях над грозозащитным тросом в случае его наличия. Согласно рекомендации [2] антенны должны располагаться на теле опоры таким образом, чтобы пересечение траверсы и тела опоры не оказывались между антенной и предполагаемой зоной покрытия. Активное и вспомогательное оборудование размещается на специально организованной площадке, размещенной либо на поверхности земли, либо на небольшой высоте внутри основания опоры.

Электропитание активного оборудования осуществляется от линии электропередачи класса 0,4 кВ при помощи изолирующего трансформатора или от линии 6-10 кВ при помощи понижающего трансформатора, выполняющего одновременно с этим функцию изолирующего [3]. Т.к. организация протяженных линий электропитания по подобной схеме сопряжена с земельными работами, для размещения АФУ используют, как правило, опоры, расположенные максимально близко к точке пересечения линии 35-220 кВ и линии 6-10 кВ или 0,4 кВ.

В случае необходимости организации «коврового» покрытия, например, вдоль автомобильных дорог, опоры линии 35-220 кВ используются для организации параллельной линии 10 кВ, используемой для организации электропитания АФУ, расположенных на инфраструктуре ВЛ. В этом случае внутри организуемого провода электропитания размещается ОК, предназначенный для увязки активного оборудования в высокоскоростную телекоммуникационную сеть.

5 Электробезопасность размещения АФУ на ЛЭПКаждому АФУ, размещенному на теле опоры ЛЭП в обязательном порядке сопутствует площадка, с установленным на ней оборудованием, по-возможности поднятая над поверхностью земли, а также трансформаторный шкаф, расположенный в непосредственной близости от оборудования, или даже на одной с ним площадке.

Для подобных схем размещения АФУ необходимо рассмотреть два типа внештатных ситуаций [3]:

• Увеличение потенциала грунта, связанное со стеканием токов короткого замыкания. Для борьбы с негативными последствиями данного явления выполняется заземление внешних токопроводящих частей АФУ по отношению к телекоммуникационному шкафу и оборудованию, прикрепленному к опоре;

• Попадание в АФУ разряда молнии. Эта проблема решается путем организации заземления внешних токопроводящих частей АФУ через ОПН для того, чтобы не нарушить защиту от увеличения потенциала грунта.

При организации электропитания от линий 10кВ понижающий трансформатор, как правило, расположен внутри зоны УПГ.

В случае расположения трансформатора внутри зоны УПГ необходимо:

5 из 16

Техническая позиция

• Обеспечить выравнивание потенциалов между шинами заземления высоковольтной (35-220 кВ) опоры и понижающего трансформатора с использованием медного проводника сечением не менее 35 кв. мм;

• Установить ОПН, соответствующий классу линии 10 кВ между каждым фазным проводом со стороны линии 10 кВ и шиной заземления трансформатора. Эта мера необходима для защиты трансформатора от грозовых перенапряжений со стороны линии 10 кВ;

• Установить ОПН, соответствующий классу линии 0,4 кВ между каждым фазным проводом со стороны линии 0,4 кВ (линии электропитания оборудования) и шиной заземления опоры. Эта мера необходима для защиты оборудования РП.

Оболочка СИП ответвления от линии 10 кВ должна быть изолирована и защищена соответствующим ОПН по отношению к шине заземления опоры высоковольтной линии.

В случае расположения трансформатора вне зоны УПГ ток молнии распространяется не только через тело опоры и фазные провода. Результаты компьютерного моделирования [4] показывают, что порядка 20% тока молнии протекает через оболочку низковольтной линии электропитания, при этом данная составляющая практически не зависит от частоты тока (Рис. 1).

В случае размещения трансформатора вне зоны УПГ, необходимо руководствоваться [3] для определения необходимых мер защиты оборудования и персонала.

6 из 16

ТП-АФУ

Рис. 1 Распределение тока молнии в случае питания оборудования РП от отдельной линии

В рамках [3] также дается оценка изменения напряжения прикосновения и шагового напряжения в случае выполнения контура заземления в виде одинарной или двойной рамки по сравнению с точечным заземлением. На Рис. 2 показаны профили напряжения прикосновения для каждого из трех случаев. Таким образом, заземление при установке шкафа с оборудованием внутри тела опоры исполняется, как правило, в виде одинарного замкнутого контура [3,5].

7 из 16

Техническая позиция

Рис. 2 Зависимость напряжения прикосновения от расположения оборудования и формы организации контура заземления

Соединения между оборудованием выполняются, как правило, с использованием оптических волокон в диэлектрической оболочке. В случае обоснованной необходимости применения металлических соединительных кабелей необходимо:

• предусмотреть соответствующую линии класса 0,4 кВ изоляцию вокруг металлических частей кабеля;

• разместить кабель в диэлектрической водонепроницаемой пластиковой трубке;

снабдить кабель ОПН соответствующего класса.

8 из 16

ТП-АФУ

6 МолниезащитаОбщие вопросы защиты РП и оборудования радиоподсистем рассматриваются в [5]. Кроме того, система защиты оборудования РП от разрядов молнии должна соответствовать требованиям соответствующих глав [6].

Для того, чтобы определить необходимые меры защиты, требуется задать приемлемую частоту отказов оборудование в год (Ft), а также определить ожидаемое количество разрядов молний в год, пришедшихся на опору ЛЭП(Fa). Величина Ft задается собственником оборудования, а величина Fа определяется согласно следующей формуле:

(1)

Где Ng – количество ударов молнии на км2 в год для данной местности, H – высота опоры (км), с — коэффициент возвышенности (с=1 для равнины и с=2 для высокогорья).

Определение допустимого тока молнии

Т.к. целью организации молниезащиты является обеспечение соответствия количества отказов оборудования из-за ударов молнии заданному собственником значению, необходимо организовать молниезащиту таким образом, чтобы удары молнии с током меньшим некоторого критического значения не приводили к повреждению оборудования. Это критическое значение Ic определяется следующим образом:

(2)

где: pa = Ft/Fa,

a = 4,605, b = 0,0117 для pa>0,79; a = 5,063, b = 0,0346 для pa ≤ 0,79 [2]

Остаток данного раздела посвящен описанию методов обеспечивающих защиту от молний с током вплоть до Ic .

Защитные механизмы на опоре

Для металлических опор установка молниеотвода не требуется, так как металлическое тело опоры само выполняет данную функцию. Заземление неметаллических опор, а также присоединение металлических опор к PEN-проводнику выполняется в соответствии с [6].

Заземление оборудования радиоподсистем (РП)

В случае размещения оборудования РП внутри тела опоры, его заземление выполняется в виде внешнего замкнутого контура. Допускается использовать контур заземления опоры в качестве контура заземления оборудования РП.

9 из 16

ga NHcF 29 π=

( )( )b

paI ac

100ln−=

Техническая позиция

В случае размещения контейнера с оборудованием РП вне тела опоры для заземления организуется отдельный контур, согласно [6]. Этот контур соединяется с контуром заземления опоры при помощи как минимум трех проводников, расположенных на расстоянии друг от друга.

Если контейнер с оборудованием выполнен из токопроводящего материала, его основание должно быть соединено с контуром заземления. Если фундамент, на котором установлен контейнер содержит токопроводящие армирующие элементы, выполняется их присоединение к контуру заземления как минимум в четырех угловых точках.

При выполнении заземления оборудования РП следует также руководствоваться требованиями [6].

Защита кабелей, приходящих с опоры

Все кабели, подходящие с опоры к оборудованию РП должны заводиться через одну точку (технологическое отверстие в стенке контейнера) в которой установлена контактная шина. Все кабели, а также внешний проводник коаксиального кабеля присоединяются к контактной шине. Неизолированные кабели присоединяются к шине посредством ОПН. Контактная шина заземляется путем соединения ее с контуром заземления посредством минимум трех расположенных на расстоянии друг от друга проводников.

Защита от наведенной ЭДС внутри телекоммуникационного шкафа

Защита от наведенных явлений внутри контейнера осуществляется при помощи системы уравнивания потенциалов (СУП). СУП состоит из токопроводящих частей стен шкафа, металлических кабелепроводов, металлических частей оборудования системы кондиционирования, проводов заземления. Все элементы СУП должны быть соединены проводниками с контуром заземления в нескольких точках.

Все проводники, такие как стойки с оборудованием, металлические корпуса оборудования и т.п. должны быть соединены между собой, равно как и с СУП в нескольких точках. Иными словами, СУП включает в себя элементы основной и дополнительной систем уравнивания потенциалов, согласно [6].

Защита системы электропитания оборудования РП

В целях борьбы с наведением ЭДС кабель питания должен подходить к контейнеру перпендикулярно высоковольтной линии, опора которой используется для размещения АФУ.

В случае попадания разряда молнии в опору ВЛ, грозозащитный трос или в фазные провода, основная часть тока стекает по телу опоры или молниеприемнику в грунт, вызывая УПГ, аналогичное по принципу УПГ короткого замыкания, но со значительно большей амплитудой и импульсное по своей сути. Подобное

10 из 16

ТП-АФУ

увеличение потенциала может возникнуть между обмотками понижающего трансформатора, обеспечивающего электропитание оборудования. Для того, чтобы стабилизировать импульсный рост потенциала необходимо применять ОПН, устанавливаемый между первичной обмоткой трансформатора и шиной заземления, к которой также подключается нейтраль вторичной обмотки.

Вводы кабелей питания в контейнер с оборудованием РП должны быть защищены путем установки ОПН. Устанавливаемые ОПН должны соответствовать требованиям [4,7]. Ввод кабелей питания в контейнер с оборудованием РП осуществляется, как правило, поблизости от главной шины заземления. Требования к расположению самой главной шины заземления установлены в [6].

Результаты компьютерного моделирования [4] показывают, что в случае размещения АФУ на теле опоры ВЛ и организации питания от линий более низкого класса весь ток разряда молнии разделяется на три составляющие: ток, стекающий по молниеприемнику в землю, ток, распространяющийся по фазным проводам в направлении соседних опор, и ток, распространяющийся по внешней оболочке провода электропитания.

Для того, чтобы максимально допустимое входное напряжение оборудования РП не было превышено необходимо подбирать параметры установки ОПН таким образом, чтобы выполнялось неравенство [5]:

(3)

где Vres – максимально допустимое входное напряжение оборудования РП (кВ), Lp – длина соединительного элемента между проводниками кабелей питания и главной шиной заземления (м), rp – радиус соединения между проводниками кабелей питания и главной шиной заземления (напрямую или через ОПН) (м), b – расстояние от точки установки ОПН до защищаемого оборудования (м), Vspd – остаточное напряжение ОПН (кВ), Rg – сопротивление заземления оборудования РП (Ом), Zp – полное волновое сопротивление линии питания (Ом).

ОПН должен выдерживать импульсный ток с пиковой силой Iimp [5]

(4)

где Iс – значение силы тока согласно (2), n – количество обособленных металлических элементов, присоединенных к защищаемому оборудованию РП, m – количество проводников в кабеле, питающем оборудование.

7 Электромагнитные помехиЭлектромагнитное излучение, возникающее вокруг элементов ВЛ, с точки зрения

11 из 16

nmII c

imp 2=

spdp

p

pg

gp

cres V

rrb

zRR

LdtdiV −

+

+

≥ ln2,0

Техническая позиция

беспроводной передачи данных следует рассматривать как дополнительный источник сигнала в радиочастотном диапазоне, имеющий свою мощность и частоту. Два основных явления, вызывающие образования электромагнитных помех в радиочастотном диапазоне, — это электрические разряды между элементами ВЛ и коронный разряд.

Электрические разряды между элементами ВЛ возникают как результат некорректного выполнения монтажных работ и/или коррозии изделий, неисправности защитных устройств линии. Данное явление является следствием некорректного выполнения работ по монтажу и эксплуатации элементов ВЛ и может быть исправлено в ходе выполнения аварийно-предупредительных работ.

Корона — разновидность тлеющего разряда, возникает при резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи проводника. При позиционировании АФУ на опорах ВЛ данное явление следует учитывать с двух точек зрения: во-первых, необходимо располагать АФУ таким образом, чтобы минимизировать негативное влияние электромагнитного излучения на эффективность работы РП, во-вторых, требуется соблюдать необходимую дистанцию между фазными проводами и АФУ, чтобы не спровоцировать возникновение короны.

С точки зрения двух описанных выше явлений все ВЛ можно условно разделить на два класса применительно к возникновению радиопомех: до 70 кВ и свыше 110 кВ [8]. В РФ в первую категорию попадают линии до 35 кВ включительно. Линии до 35 кВ, как правило, не подвержены возникновению короны ввиду недостаточной напряженности поля вокруг проводов, и поэтому источником радиопомех для линий данного класса являются электрические разряды между элементами ВЛ. Как уже было сказано выше, возникновение подобных разрядов может быть предотвращено при условии проведения необходимого комплекса работ по обслуживанию линий. Таким образом, далее рассматриваются радиопомехи, сопутствующие возникновению короны.

Для определения интенсивности радиопомех в данной работе используется метод, предложенный федеральным агенством Boneville Power Administration (BPA), и основывающийся на аппроксимации значительного объема эмпирических данных. Согласно сравнительному исследованию нескольких эмпирических и аналитических методов определения уровня радиопомех [9], данный метод наиболее точно коррелируется с реальными данными:

(5)

где Ey – уровень радиопомех (дБмкВ/м), h – расстояние по оси ординат от точки с напряженностью Ey до фазного провода (м), x – расстояние по оси абсцисс от

12 из 16

( )

+

+

+

+=4

log4015

log120log201,92 22

dgxhhE mx

y

ТП-АФУ

антенны до точки с напряженностью Ex до фазного провода (м), gmx – напряженность электрического поля вокруг фазного провода (кВ/см), d – диаметр провода (см).

Величина gmx определяется согласно рекомендациям [2]:

(6)

где β=(1+(n-1)r/R)/n, Re=Rn*√(nr/R), R=S/(2*Sin(π/n)), V — номинальное напряжение линии (кВ), β — поправочный коэффициент для расщепленной фазы, r — радиус провода (см), R — внешний радиус расщепленной фазы (см), Re — Эквивалентный радиус расщепленной фазы (см), S — расстояние между центрами проводников, составляющих расщепленную фазу (см), a — межфазное пространство (см), h — высота точки подвеса проводника над землей (см), n — количество проводников в расщепленной фазе.

Для нерасщепленной фазы β =1, а Re = r.

В качестве примера определим, выполняется ли условие по устойчивости к радиочастотному электромагнитному полю по первому классу жесткости согласно [10] при расстоянию от фазного провода до антенны по осям абсцисс и ординат, равном 3 м . Напряженность поля вокруг фазного провода примем равной 15,5 кВ/см, сам фазный провод – АС-120. Тогда для диапазона 100 — 30 МГц, согласно (5):

Ey = 92.1 + 20 log (0,16) + 120log(1,03) + 40log(0,375) = 60,69 [дБмкВ/м]

Согласно [10] допустимый уровень радиопомех по первому классу жесткости – 120 дБмкВ/м. Кроме того, следует отметить, что уровень 15,5 кВ/см характерен для линий 220 кВ [11], а так же ранее указанный факт снижения уровня радиопомех в высокочастотных диапазонах, характерных для GSM. Кроме того, современное оборудование обладает устойчивостью к радиопомехам третьего класса жесткости. Таким образом, можно говорить о том, что расстояние от проводника до антенны АФУ, при котором влияние радиопомех от элементов ВЛ на работоспособность АФУ незначительно, достижим при реальных конфигурациях ВЛ. Тем не менее, при разработке проекта размещения АФУ на теле опор ВЛ, необходимо проводить расчет безопасного расстояния от фазного провода для антенны для каждой рассматриваемой конфигурации ВЛ и АФУ.

8 Требования руководящих документовБыл проведен анализ ряда руководящих документов [6,12,13], в ходе которого не было выявлено прямого запрета на размещение АФУ или иных конструкций на

13 из 16

( )

+

=

2242ln

3

ahh

Rar

Vg

e

mxβ

Техническая позиция

теле опор ВЛ.

Перед принятием окончательного решения о допустимости размещения АФУ на теле опор конкретной ВЛ необходимо разработать проект и согласовать с организацией, эксплуатирующей данную ВЛ [п. 5.7.20, 12]. В проект необходимо включить решения по обеспечению механической прочности элементов ВЛ.

Также размещение дополнительных элементов на теле опоры меняет ее профиль, что приводит к изменению ветровой нагрузки по сравнению с нормативной для существующей ВЛ. В дополнение к этому вес оборудования диктует необходимость выполнения механического расчета опор и их фундаментов согласно требованиям [6], особенно в случае расположения площадки с оборудованием РП над поверхностью земли.

Необходимо проводить расчет уровней электромагнитных воздействий проводов ВЛ по методике, описанной в данном документе, либо согласно указаниям в [14], а также учитывать требования [10].

Кроме того, проект должен содержать решения по обеспечению электробезопасности, при разработке которых следует руководствоваться, как минимум, требованиями [3,5,6].

9 ЗаключениеАнтенно-фидерные устройств и оборудование радиоподсистем могут быть успешно размещены на опорах ВЛ. При условии соблюдения требований российских и международных руководящих документов с точки зрения обеспечения электрически безопасного размещения оборудования радиоподсистем и АФУ на теле опор ВЛ взаимное негативное влияние элементов ВЛ и элементов радиоподсистемы друг на друга наблюдаться не будет.

10 Список литературы 1 Энциклопедия ОАО «Управление ВОЛС-ВЛ». – URL: http://wiki.vols-vl.ru (дата

обращения: 20.07.2012).

2 ETSI EN 300 386. Electromagnetic Compatibility and Radio Spectrum Matters (ERM). – Telecommunication Network Equioment. – Electromagnetic Compatibility (EMC) Requirements. – 2010.

3 ITU-T Recommendation K. 57. Protection measures for radio base stations sited on power line towers. – 2004.

4 Grcev L., van Deursen A.P.J., van Waes J.B.M. Lightning current distribution to ground at a power line tower carrying a radio base station // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. – 2005. – vol. 47. – №1. – pp. 160-170.

14 из 16

ТП-АФУ

5 ITU-T Recommendation K. 56. Protection of radio base stations against lightning discharges. – 2003.

6 Правила устройства электроустановок ПУЭ. 7-е изд., М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2003.

7 Huertas J.I., Barraza R., Echeverry J.M. Wireless data transmission from inside electromagnetic fields // 6th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control. – 2009.

8 Pakala W.E., Chartier V.L. Radio noise measurements on overhead power lines from 2.4 to 800 kV // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. – 1971. – vol. 90. – pp. 1155-1165.

9 Olsen R.G., Schenum S.D., Chartier V.L. Comparison of several methods for calculating power line electromagnetic interference levels and calibration with long term data // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. – 1992. – vol. 7. – №2. – pp. 903-913.

10 ГОСТ Р 51317.4.3-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю. Требования и методы испытаний. – М. – 2000.

11 Crane P.C. Radio-Frequency Interference (RFI) from Extra-High Voltage (EHV) transmission lines. – 22 March 2010. – URL: http://www.ece.vt.edu/swe/lwa/memo/lwa0168.pdf (дата обращения: 20.07.2012)

12 СО 153.34.20.501-2003. Правила технической эксплуатации электрических сетей и станций Российской Федерации. – М. – 2003.

13 СанПин 2.2.1/2.1.1.1200-03. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. – 2008.

14 СТО 56947007-29.240.044-2010. Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства. – ОАО «ФСК ЕЭС». – 2010.

11 ПоддержкаПо всем вопросам, касающимся данного документа, обращаться к:

• Екатерина Ушакова, главный технолог (UshEY@vols-vl.ru)

Создано: 20 июля 2012 г.

Редакция: 01

15 из 16

ОАО «УПРАВЛЕНИЕ ВОЛС-ВЛ»ДОЧЕРНЕЕ ОБЩЕСТВО ОАО «ХОЛДИНГ МРСК»

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОФИС, СЕМЕНОВСКИЙ ПЕР., 15МОСКВА, 107023, РОССИЯ

ТЕЛЕФОН: +7 495 984 6631ФАКС: +7 495 984 6630

E-MAIL: INFO@VOLS-VL.RUWWW.VOLS-VL.RU