Составляющая активного сопротивления Rм, обусловленная потерями в окружающих металлических массах (соседних группах и металлической оболочке), на частоте 200 кГц определяется по таблице 3.2 как сумма потерь в смежных четвёрках и оболочке.
Таблица 3.2
Число
четвёрок
|
Дополнительное сопротивление Rм200 за счёт потерь, Ом/км
|
в смежных четвёрках для повивов
|
свинцовой оболочке для повивов
|
алюминевой оболочке для повивов
|
в повиве
|
1-го
|
2-го
|
3-го
|
1-го
|
2-го
|
3-го
|
1-го
|
2-го
|
3-го
|
1
|
0
|
-
|
-
|
22
|
-
|
-
|
8,1
|
-
|
-
|
4
|
7,5
|
-
|
-
|
14
|
-
|
-
|
5,2
|
|
-
|
1+6
|
8,0
|
7,5
|
-
|
1,5
|
5,5
|
-
|
0,6
|
2,0
|
-
|
1+6+12
|
8,0
|
7,5
|
7,5
|
0
|
0
|
1,0
|
0
|
0
|
0,4
|
Определение потерь в металле для другой частоты производится по формуле:
Ом/км (3.3)
где f - частота, Гц.
Расчёт потерь в стальной металлической оболочке можно производить аналогичным образом, так как при наличии алюминиевого экрана под стальной оболочкой потери определяются в основном внутренним слоем экрана.
3.1.2 Индуктивность, емкость и проводимость изоляции симметричной кабельной цепи
Индуктивность симметричной кабельной цепи определяется как сумма внешней межпроводниковой индуктивности (Lвш) и внутренней индуктивности самих проводников (La + Lв):
, Гн/км (3.4)
где Q(kr0) - функция поверхностного эффекта, определяемая по таблице (Приложение А).
Емкость симметричной кабельной цепи определяется по формуле:
Ф/км (3.5)
где εэ - эквивалентное значение диэлектрической проницаемости, для различного конструктивного исполнения изоляции приведено в табл. 3.3;
Ψ - поправочный коэффициент.
Таблица 3.3
Тип изоляции
|
εэ
|
tgδэ 10-4 при частотах,
кГц
|
10
|
100
|
250
|
550
|
Кордельно-бумажная
|
1.3
|
30
|
120
|
180
|
260
|
Кордельно-полистирольная
|
1.2-1.3
|
3
|
7
|
12
|
20
|
Полиэтиленовая
|
1.9-2.1
|
2
|
6
|
8
|
14
|
Пористо-полиэтиленовая
|
1.4-1.5
|
3
|
8
|
12
|
20
|
Баллонно-полиэтиленовая
|
1.2-1.3
|
2
|
6
|
8
|
12
|
Поправочный коэффициент Ψ, характеризующий близость проводов цепи к заземлённой оболочке и другим проводникам, при звёздной скрутке определяется по формуле:
, (3.6)
Проводимость изоляции кабельных цепей находится из выражения: G = ωC tgδэ, См/км (3.7)
где tgδэ - тангенс угла диэлектрических потерь комбинированной изоляции (таблица 3.3).
Сведений о значениях tgδэ на более высоких частотах для симметричных кабелей в технической литературе не имеется, однако, учитывая, что чистые полиэтилен и полистирол имеют значение tgδэ постоянное в широком диапазоне частот и потери определяются лишь наличием в изоляции примесей и загрязнений неполярного диэлектрика полярными молекулами, то для более высоких частот значение tgδэ можно принимать равным его величине при f=550 кГц.
3.2 Вторичные параметры передачи симметричного кабеля
Коэффициент распространения цепи определяется по формуле:
(3.8)
где α - коэффициент затухания, Нп/км;
β- коэффициент фазы, рад/км.
В области высоких частот (ωL/R > 3,5) расчёт можно выполнять по упрощённым формулам:
, дБ/км (3.9)
рад/км (3.10)
где αм - составляющая затухания за счёт потерь в металле;
αд - составляющая затухания за счёт потерь в диэлектрике.
Волновое сопротивление цепи определяется по формуле:
Ом (3.11)
При ωL/R > 3,5 . (3.12)
Скорость распространения электромагнитной волны:
v = ω/β , км/с. (3.13)
При выполнении условия (3.12) 
км/с (3.14)
.
Результаты расчёта первичных и вторичных параметров должны быть сведены в таблицу и отражены на графиках частотной зависимости параметров, построенных в линейном масштабе частот. Необходимо объяснить поведение этих параметров в частотной области.
Полученные величины следует сравнить с параметрами близкого по конструкции типового кабеля и дать анализ причин отличия параметров рассчитанного кабеля от типового, выпускаемого кабельной промышленностью.
3.3 Параметры передачи коаксиальных кабелей
Активное сопротивление коаксиальной цепи определяется по формуле:
Ом/км (3.15)
где Rа, Rб - активное сопротивление соответственно внутреннего и внешнего проводников, Ом/км;
d, D - диаметры, соответственно, внутреннего и внутренней диаметр внешнего проводников;
А1 и А2 - постоянные коэффициенты соответственно для внутреннего и внешнего проводников, зависящие от материала проводников. Для меди - А=0,0835, для алюминия - А=0,108;
f - частота, Гц.
Индуктивность коаксиальной цепи состоит из суммы внешней индуктивности между проводами Lвш и внутренней индуктивности проводников Lа + Lв :
, Гн/км (3.16)
Ёмкость коаксиальной цепи определяется как ёмкость цилиндрического конденсатора:
, Ф/м (3.17)
,
где εэ - эквивалентное значение относительной диэлектрической проницаемости комбинированной изоляции (табл. 3.4).
Таблица 3.4
Тип изоляции
|
εэ
|
tgδэ 10-4 при частотах,
МГц
|
1
|
5
|
10
|
60
|
Кордельно-полистирольная
|
1,19
|
0,7
|
0,8
|
1,0
|
1,2
|
Полиэтиленовая шайбовая
|
1,13
|
0,5
|
0,5
|
0,7
|
0,8
|
Пористо-полиэтиленовая
|
1,5
|
2
|
3
|
3
|
-
|
Трубчато-полиэтиленовая
|
1,22
|
1,2
|
1,3
|
1,5
|
-
|
Полиэтиленовая спиральная
|
1,1
|
0,4
|
0,4
|
0,5
|
0,6
|
Проводимость изоляции коаксиальной кабеля находится, как и для симметричного кабеля - по формуле (3.7).
Вторичные параметры передачи определяются по тем же формулам, что и для симметричного кабеля (3.9...3.14).
Для коаксиальных кабелей с медными внутренним и внешним проводниками коэффициент затухания можно определить через габаритные размеры и параметры изоляции:
, дБ/км (3.18)
Если в области высоких частот пренебречь внутренней индуктивностью проводников, то вторичные параметры можно рассчитать по упрощённым формулам:
, рад/км (3.19)
, Ом (3.20)
, км/с (3.21)
где с - скорость света в вакууме.
Результаты расчёта первичных и вторичных параметров должны быть сведены в таблицу и отражены на графика частотной зависимости параметров, построены в линейном масштабе частот. Необходимо объяснить поведение этих параметров в частотной области.
Полученные величины параметров следует сравнить с параметрами близкого по конструкции типового кабеля и дать анализ причин отличия параметров рассчитанного кабеля от типового, выпускаемого кабельной промышленностью.
3.4 Размещение регенерационных пунктов
Размещение регенерационных пунктов по трассе кабельной линии производится основываясь на допустимом затухании и способности элементарного кабельного участка (ЭКУ) или кабельной секции (КС) передать требуемый спектр частот. ЭКУ представляет собой участок кабельной линии совместно со смонтированными по концам кабельными оконечными устройствами.
КС представляет собой совокупность электрических цепей, соединённых последовательно на нескольких соседних ЭКУ для организации регенерационного участка одной или нескольких систем передачи с одинаковым расстоянием между регенераторами, большим, чем на ЭКУ данной линии. При применении на кабельной линии одних и те же систем передачи на все цепи длины ЭКУ и КС одинаковы.
Необслуживаемые регенерационные пункты (НРП) располагаются в незатопляемых водой местах с возможностью организации к ним подъезда при минимально наносимом ущербе для лесных насаждений, плодородных земель и т.п. Расстояние между ними для магистрали с коаксиальным кабелем может быть определено из выражения:
 , км (3.22)
где рПЕР - уровень передачи, дБ;
fT - тактовая частота системы передачи, МГц;
dкус = 10lgDкус - коэффициент собственных помех (шумов) регенератора, дБ;
Апз треб - требуемая помехозащищенность реге нератора;
α(f) - коэффициент затухания кабеля на полутактовой частоте при максимальной температуре грунта на глубине прокладки кабеля, дБ/км.
Апз треб зависит от коэффициента ошибок регенератора и в диапазоне 10-15 < pош < 10-5 определяется по эмпирической формуле:
Апз треб = 4,63 + 11,42lg (lg(1/pош)) + 20lg(mу - 1) + ∆Арег, дБ
где mу – количество регенерационных участков;
∆Арег – защитный интервал регенератора;
Определённые по расчётным формулам параметры кабеля справедливы для температуры t = 20°С. При другой температуре коэффициент затухания может быть определён по формуле:
αмак = α[1 + αα(t – 20)] , дБ/км (3.23)
где α - коэффициент затухания, определённый расчётом на полутактовой частоте, дБ/км;
αα - температурный коэффициент затухания цепей кабеля на полутактовой частоте, определяемой по таблицам [2,3]. При расчёта ориентировочно может быть принят равным αα = 0,002 1/град;
t - максимальная температура грунта на глубине прокладки кабеля, оС.
Для магистрали с симметричным кабелем имеются два случая:
а) количество влияющих цифровых систем передачи (ЦСП), передающих информацию по одному кабелю N > 6.
В этом случае помеха будет иметь нормальное распределение с мощностью равной РПОМ∑ = Рпп N, где Рпп - мощность переходной помехи создаваемой одной влияющей ЦСП.
Длина регенерационного участка определяется формулой:
, , км
где Аб,д - переходное затухание на ближний или дальний конец в зависимости от того, какая система организации работы ЦСП используется - однокабельная или двухкабельная.
б) количество влияющих ЦСП относительно мало (N < 4).
Аналогично с предыдущим вариантом
В результате расчёта и уточнения длин регенерационных участков по секциям между ОРП определяется количество НРП в каждой секции и составляется структурная схема кабельной линии, на которой указываются ОРП и НРП, длины участков и секций, тип кабеля и нумерация НРП. Как правило, нумерация НРП приводится дробью: в числителе указывается номер секции, а в знаменателе - порядковый номер НРП в секции.
4 Взаимное влияние между цепями
Электромагнитное влияние между симметричными цепями обусловлено наличием поперечного электромагнитного поля, которое и наводит в рядом расположенной цепи токи помех. Коаксиальная цепь без щелей во внешнем проводнике не имеет внешних поперечных электромагнитных полей. Радиальная составляющая электрического Еr и тангенциальная составляющая магнитного Hφ полей замыкается внутри цепи между внутренним и внешним проводниками, а радиальная составляющая магнитного Нr и тангенциальная составляющая электрического полей Еφ отсутствуют из-за осевой симметрии цепи.
Влияние между коаксиальными цепями осуществляется за счёт продольной составляющей электрического поля Еz , под действием которой в третьей цепи, образованной внешними проводниками взаимовлияющих цепей, возникает ток, вызывающий падение напряжения на внешней поверхности внешнего проводника цепи, подверженной влиянию. Продольное напряжение на внешней поверхности коаксиальной цепи приводит к появлению продольной ЭДС на внутренней поверхности цепи, подверженной влиянию. Под действием этой ЭДС и возникает ток помех.
С ростом частоты передаваемого сигнала из-за эффекта близости плотность тока во внешнем проводнике коаксиальной цепи возрастает на внутренней поверхности внешнего проводника, а на внешней поверхности уменьшается. Это приводит к тому, что с увеличением частоты уменьшается напряжённость поля на внешней поверхности влияющей коаксиальной цепи, следовательно, уменьшаются и электромагнитные влияния между цепями.
В симметричных кабелях, в отличие от коаксиальных, частотная зависимость влияния другая. В этих кабелях с ростом частоты возрастает скорость изменения электромагнитного поля, и поэтому возрастает электромагнитное влияние между цепями. В коаксиальных же цепях с ростом частоты взаимные влияния уменьшаются.
Величина взаимных влияний между цепями выражается и нормируется через переходные затухания на ближнем конце А0 и дальнем Аl концах, а также через защищённость Аз.
Необходимо рассчитать указанные характеристики и сравнить их с нормами. Если нормы на параметры взаимного влияния не выполняются, то следует указать меры по уменьшению взаимных влияний.
4.1 Взаимные влияния между цепями коаксиального кабеля
Первичным параметром взаимного влияния между коаксиальными цепями является сопротивление связи Z12 , представляющее собой отношение продольной составляющей электрического поля Еz на внешней поверхности внешнего проводника (напряжения U, возбуждаемого на внешней поверхности внешнего проводника) влияющей цепи к току I1, протекающему в этой цепи. Значение Еz численно равно U, поэтому
Z12 = Еz / I1 = U / I1
Рассмотрим расчётные формулы для переходных затуханий и защищённости между одинаковыми по конструкции коаксиальными, согласованно нагруженными цепями, которые справедливы при условии, когда коэффициент распространения третьей цепи γз много больше коэффициента распространения взаимовлияющих цепей γ.
Переходное затухание на ближнем конце определяется формулой:
, дБ (4.1)
Переходное затухание на дальнем конце:
, дБ (4.2)
Защищенность на дальнем конце:
, дБ (4.3)
В этих формулах:
Zв - волновое сопротивление цепи, Ом;
γ = α +iβ - коэффициент распространения, 1/км;
l - длина усилительного участка, км;
Z3 - полное сопротивление третьей промежуточной цепи, состоящее из собственных сопротивлений двух внешних проводников рассматриваемых коаксиальных цепей (Zвн) и индуктивного сопротивления промежуточной цепи Zз = 2Zвн + iωL3 , Ом/км.
Величину параметров взаимных влияний коаксиальных кабелей находят, пользуясь справочными данными, или по результатам расчетов и сравнивают с нормами.
Согласно нормам для коаксиальных кабелей переходное затухание на ближнем конце и защищённость на дальнем конце усилительного участка в области частот, соответствующих максимальной энергии линейного сигнала должны соответствовать следующим эмпирическим формулам:
Если параметры взаимного влияния по результатам расчёта окажутся ниже нормы, то необходимо указать, каким образом можно повысить защищённость и переходное затухание между коаксиальными цепями.
4.2 Взаимное влияние между цепями симметричного ЭКС
При замене аналоговой системы передачи (АСП) на ЦСП в процессе реконструкции линии существенно изменится рабочий спектр частот ЭКС. Линейный сигнал ЦСП с импульсно-кодовой модуляцией имеет значительно более широкую полосу частот, чем в аналоговых системах. Максимальная энергия спектра линейного сигнала ЦСП сконцентрирована в области частот, близких к полу тактовой частоте системы передачи. Поэтому нормирование, расчёты и измерения электрических характеристик кабеля выполняются на полу тактовой частоте конкретной ЦСП.
Основными электрическими характеристиками, определяющими вероятность ошибок в линейном тракте ЦСП и влияющими на длину элементарного кабельного участка (регенерационного участка), являются параметры взаимного влияния между цепями: переходное затухание на ближнем А0 и защищённость А3 на дальнем конце. Для одно кабельной системы, которая применяется на местных сетях, определяющим параметром является А0, а для двух кабельной системы связи, которая применяется на магистральных и внутризоновых сетях, основным параметром является А3.
Нормы на параметры взаимного влияния на длине элементарного кабельного участка (ЭКУ).
Переходное затухание на ближнем конце А0 на полу тактовой частоте нормируется так:
для системы передачи ИКМ-120 на частоте 4,2 МГц А0 > 39 дБ;
для ИКМ-480С на частоте 17,2 МГц А0 > 30 дБ.
Защищённость на дальнем конце А3 на полу тактовой частоте нормируется:
для системы передачи ИКМ-120 на частоте 4,2 МГц А3 > 27 дБ (между цепями внутри четвёрок);
для системы передачи ИКМ-480С на частоте 17,2 МГц А3 > 22 дБ (между цепями разных четвёрок) и А3 > 12 дБ (между цепями внутри четвёрок).
Расчёт переходного затухания на ближнем конце.
Влияние на ближнем конце осуществляется за счёт непосредственного перехода энергии между цепями и обусловлено наличием электромагнитной связи:
N12(х) = iωNр + n(х)] , (4.4)
где Nр - равномерно распределённая (систематическая) связь по длине линии;
n(х) - случайная функция, описывающая нерегулярное изменение связей по длине линии.
Переходное затухание на ближнем конце за счёт систематической связи можно рассчитать по формуле:
,
где l - длина элементарного кабельного участка, км;
α, β - коэффициенты затухания и фазы взаимовлияющих цепей на полу тактовой частоте ЦСП, соответственно в Нп/км и в рад/км.
Величина систематической связи определяется по формуле:
Nр = c12z12 + m12 /zв
где c12 - ёмкостная связь;
m12 = c12 zв2 - индуктивная связь;
zв - волновое сопротивление цепи кабеля.
Переходное затухание на ближнем конце за счёт нерегулярной связи можно определить по формуле:
, дБ (4.5)
где Sn(2ωt) - нормированная спектральная плотность случайной функции нерегулярной связи на ближнем конце n(х).
Величины c12 и Sn(2ωt) зависят от степени однородности сердечника кабеля и в зависимости от типа кабеля задаются в исходных данных. Напомним, что в формулах (4.4) и (4.5) α в Нп/км.
Результирующее значение переходного затухания на ближнем конце можно определить по формуле:
, . дБ (4.6)
Расчёт защищённости на дальнем конце.
При организации связи с применением ЦСП по двух кабельной системе определяющим является взаимное влияние на дальнем конце. При этом нужно иметь в виду тот факт, что составляющие взаимного влияния между цепями разных четвёрок и между цепями внутри четвёрок по величине разные, поэтому необходимо рассматривать их раздельно. Различны и нормы на величину защищённости между указанными цепями.
Взаимные влияния между цепями разных четвёрок.
Проведёнными исследованиями [2] установлено, что взаимные влияния на дальнем конце между цепями разных четвёрок на частотах более 0,5...1 МГц обусловлены в основном непосредственным переходом энергии за счёт нерегулярной составляющей электромагнитной связи, описываемой функцией f(x).
Величина защищённости на дальнем конце за счёт нерегулярной составляющей связи на длине элементарного кабельного участка, состоящего из n строительных длин, рассчитывается по формуле:
, дБ (4.7)
где lсd - протяжённость строительной длины кабеля, км;
l0 - интервал корреляции случайной функции f(x);
Df - дисперсия случайной функции f(x).
Так как между цепями разных четвёрок электромагнитные связи носят случайный характер, то интервал корреляции, характеризующий взаимодействие связей в отдельных сечениях кабеля, обычно невелик, и для расчёта можно принять l0 = 0,02 км.
В процессе изготовления, прокладки и монтажа кабелей связи неизбежно возникают конструктивные неоднородности, заключающиеся в деформации жил, изоляции, оболочки и т.д. Конструктивные неоднородности, носящие случайный характер, нарушают симметрию цепей кабеля и создают условия для взаимного перехода энергии из одной цепи в другую. Поэтому величина Df зависит от типа кабеля и задаётся в исходных данных.
Рассчитав защищённость по формуле (4.7), необходимо сравнить результаты расчёта с нормами.
Взаимные влияния между цепями внутри четвёрок.
Для обеспечения высокой помехозащищенности между цепями симметричного кабе ля с АСП всегда выполняется симметрирование кабеля. Симметрирование высокочас тотных кабелей осуществляется в основном методом скрещивания и включения контуров противосвязи.
Симметрирование скрещиванием основано на компенсации электро магнитных связей одного отрезка кабеля связями другого отрезка путем соеди нения жил четверок по различным операторам скрещивания.
На частотах выше 0,5...1 МГц между цепями внутри звёздных четвёрок определяющим на дальнем конце кабеля является косвенное влияние через третьи цепи за счёт регулярной составляющей связи.
При монтаже муфт кабеля на длине ЭКУ проводят соединение жил в четвёрке по оператору (х..), т.е. первую пару каждой четвёрки скрещивают. В результате знак электромагнитной связи у каждой последующей строительной длины меняется на противоположный. Поэтому при чётном числе строительных длин на ЭКУ происходит компенсация регулярной составляющей связи.
Наилучшая компенсация наблюдается при чётном числе строительных длин на ЭКУ в случае, когда строительные длины кабеля имеют одинаковую протяжённость. При чётном числе строительных длин на длине ЭКУ значение защищённости за счёт влияния через третьи цепи можно определить по формуле:
, дБ (4.8)
где DF - дисперсия электромагнитных связей влияния через третьи цепи, ве личина которой зависит от различия электромагнитных связей соединяемых строительных длин. Величина DF задаётся в исходных данных.
При нечётном числе строительных длин одна строительная длина оста ётся не скомпенсированной, и влияние за счёт регулярной связи через третьи це пи может оказаться значительным.
При нечётном числе строительных длин на длине ЭКУ значение А3тр можно определить по формуле:
, дБ (4.9)
где Fpmp - регулярная составляющая влияния через третьи цепи в строитель ной длине, величина которой задаётся в исходных данных.
Симметрирование включением контуров противосвязи (КПСВ) осно вано на компенсации электромагнитных связей за счет включения между жила ми взаимовлияющих цепей контуров противосвязи, содержащих резисторы и конденсаторы. Следует отметить, что если для АСП включение КПСВ повышает помехозащищенность цепей, то для ЦСП, работающих на существенно более высоких частотах, КПСВ могут существенно снизить помехозащищенность.
Результаты расчета параметров взаимного влияния между симметрич ными цепями должны быть сведены в таблицу и представлены на графиках.
Рассчитав величину Азтр по формуле (4.8) или (4.9), в зависимости от числа строительных длин на ЭКУ, необходимо результаты расчёта сравнить с нормами. Если норма не выполняется, то следует указать пути повышения защищённости между цепями.
Исходные данные для расчета параметров взаимных влияний ре конструируемой линии необходимо получить у преподавателя.
Для обеспечения высокой помехозащищенности между цепями сим метричных кабелей при работе по ним ЦСП на длине ЭКУ проводят следующие мероприятия:
1. При разбивке усилительного участка АСП на ЭКУ ЦСП стремятся на длине ЭКУ иметь четное число строительных длин кабеля, так как при этом обеспечивается наиболее полная компенсация регулярной составляющей электромагнитных связей из-за отсутствия неуравновешенных (не скомпенсированных) строительных длин.
2. Во всех муфтах на длине ЭКУ жилы четверок соединяются по оператору Х-- (первая пара четверки соединяется со скрещиванием, а вторая - напрямую).
3. Если указанные выше мероприятия не позволяют обеспечить норму на защищенность, то по технической документации (паспорт на усилительный участок АСП) определяют место включения КПСВ и демонтируют их. Это, как правило, обеспечивает повышение защищенности между цепями. В случае отсутствия (потери) технической документации, место раз мещения КПСВ находят при помощи рефлектометров (импульсных приборов) по методу перехода энергии в месте включения КПСВ. При этом для повыше ния точности измерений рекомендуется проводить их с двух сторон линии и находить комбинации цепей с наибольшей амплитудой отраженного импульса, соответствующего наибольшему значению емкости конденсатора КПСВ. Вели чина помехозащищенности реконструируемой линии после проведенных меро приятий должна соответствовать установленным нормам.
5 Защита электрических кабелей связи от влияния внешних электромагнитных полей
С развитием Взаимоувязанной системы связи (ВСС) предъявляются всё более высокие требования к на дёжности линейных трактов и качеству передаваемой информации, которые в значительной степени зависят от влияния внешних электромагнитных полей на ЭКС. Быстрые темпы строительства линий электропередачи высокого и сверх - высокого напряжения (ЛВН), электрифицированных железных дорог рез ко обострили проблему их электромагнитной совместимости с сетью связи стра ны.
В настоящее время практически нет кабельных магистралей, не имеющих сближения с ЛЭП или ЭЖД, создающих электромагнитные поля большой интен сивности. Поэтому важной задачей является обеспечение надежной защиты ЭКС от внешних электромагнитных влияний.
Необходимые исходные данные для расчета параметров внешних электромагнитных влияний и надежности кабельной магистрали дает преподаватель.
5.1 Параметры опасных магнитных влияний
Одним из основных факторов, определяющих степень влияния ЛВН на линии связи, является характер сближения. Под сближением понимается взаим ное расположение линии связи и ЛВН, при котором в линии связи могут возник нуть опасные и мешающие напряжения и токи.
Сближение может быть парал лельным, косым и сложным. Участок сближения считается параллельным, если кратчайшее расстояние между линиями (ширина сближения) |
