Методическое пособие к дисциплине «Специальная технология» (стр. 7 )

Вторичные ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕДАЧИ Вторичными параметрами линии являются волновое (характеристическое сопротивление Zв и коэффициент распространения γ. Они широко используются для оценки эксплуатации технических качеств линии связи. При проектировании, сооружений и эксплуатации кабельных магистралей в первую очередь нормируются и контролируются именно вторичные параметры линии. Волновое сопротивление ZB — это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, т. е. при условии от­сутствия влияния на процесс переда­чи несогласованности нагрузок по концам линии. Волновое сопротивле­ние свойственно данному типу кабеля и зависит лишь от его первичных па­раметров и частоты передаваемого тока. Волновое сопротивление, Ом, рас­считывается по формуле (4.14) По своей физической природе величина ZB не зависит от дли­ны кабельной линии и постоянна в любой точке цепи. электромагнитная энергия, распространяясь вдоль кабельной линии, уменьшается по ве­личине от начала к концу линии. Уменьшение или затухание энергии объясняется потерями ее в цепи пе­редачи. Различают два вида потерь. Во-первых, потери её металлических элементах кабеля (токопроводящие жилы, экран, оболочка, броня). При прохождении тока по кабельной цепи происходит нагревание токопроводящих жил и других металлических эле­ментов и создаются тепловые потери энергии. С ростом частоты эти поте­ри увеличиваются: чем больше актив­ное сопротивление цепи R, тем боль­ше потери энергии в металлических элементах кабеля. Во-вторых, потери в изоляции (диэлектрике). Эти поте­ри обусловлены несовершенством при­меняемых изоляционных материалов и затратами энергии на диэлектриче­скую поляризацию (G). Потери в цепи передачи учитыва­ются через коэффициент распростра­нения у, который является комплекс­ной величиной и может быть пред­ставлен суммой действительной и мнимой ее частей: (4.15) чем длиннее кабельная линия, тем больше изменяется пере­даваемая энергия (сигналы связи) по величине и фазе. При передаче сигналов связи пара­метры α и β характеризуют соответ­ственно затухание и изменение фаз тока, напряжения и мощности на участке кабельной цепи длиной 1 км и называются коэффициентом затухания и коэффициентом фазы. Коэффициент распространения γ =α+jβ одновременно определяет из­менение сигнала как по абсолютной величине, так и по фазе на 1 км дли­ны кабеля. Логарифмируя обе части приведен­ных выше выражений, получаем фор­мулы для расчета затухания, дБ: αl = 20 al= (4.19) Затухание в 1 дБ характеризует уменьшение по мощности в 1,26 раза, а по току или напряжению в 1,12 раза. Между неперами и децибелами су­ществует следующее соотношение: а (дБ) =20 Коэффициент фазы β измеряется в радианах или градусах на 1 км (1 рад = 57,3 ПЕРВИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИММЕТРИЧНЫХ КАБЕЛЕЙ

Активное сопротивление симметричной кабельной цепи, Ом/км, состоит из сопротивления постоянному току Ro, сопротивления за счет поверхностного эффекта Rп. э, сопротивления за счет эффекта близости Rбл и сопротивления за счет потерь в окружающих металлических массах (соседние жилы, экран, броня) RM - Сопротивление без учета потерь в металлических массах определяет по формуле: R = Rо + Rп. э + Rбл + Rм (4.27) Индуктивность, Гн/км, состоит из внешней и внутренней индуктивностей (4.28) Значения составляющих этой формулы приведены выше. Первая составляющая индуктивности превалирует над второй. С ростом частоты внутренняя индуктивность уменьшается. Емкость, нФ/км, определяется по формуле (4.29) где ε — эффективная диэлектриче­ская проницаемость изоля­ции; ψ— поправочный коэффициент, характеризующий близость металлических проводников. Расчетные формулы коэффициента фазы для парной и звездной скруток при­ведены ниже: скрутка парная скрутка звездная Проводимость изоляции, См/км, со­стоит из двух частей, обусловленных утечкой постоянного и переменного токов, и определяется формулой G = Gо+ G~ = l/Rиз+ ωCtgδ. (4.30) Здесь первый член Gо =l/Rиз — учи­тывает утечку постоянного тока за счет несовершенства изоляции. Со­противление изоляции Rиз составляет для городских телефонных кабелей — 2000 МОм-км, а для кабелей дальней связи—10000 МОм-км. Второй член учитывает утечку вследствие потерь в изоляции кабеля при переменном токе. Здесь tg δ —тангенс угла ди­электрических потерь в изоляции ка­беля. В существующих кабелях второй член по абсолютной величине больше чем первый и проводимость изоляции можно рассчитывать по формуле G =ωСtgδ Кабели связи имеют, как правило, сложную комбинированную изоляцию, состоящую из твердого диэлектрика (стирофлекс, полиэтилен, фторопласт и др,) и воздуха. Результирующие эф­фективные значения диэлектрической проницаемости εэ и тангенса угла ди­электрических потерь tg δэ сложной изоляции определяются электрически­ми свойствами и соотношением объ­емов составных ее частей. ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ первичных ПАРАМЕТРОВ СИММЕТРИЧНЫХ ЦЕПЕЙ Рассмотрим графики зависимости первичных параметров линий связи R, L, С, G от частоты, диаметра проводника и расстояния между провод­ками. С увеличением частоты (рис. 4.12) значение параметров R и G возрастает за счет потерь в проводниках на вихревые токи и в изоляции на диэлектрическую поляризацию, а индуктивность L уменьшается, так как из-за поверхностного эффекта уменьшается внутренняя индуктивность проводника. Емкость С от частоты не зависит. При увеличении расстояния между проводниками (рис. 4.13) параметры R, С, G закономерно уменьшаются, а индуктивность L возрастает. L. G.C Рис. 4.12. Зависимость первичных параметров цепи от частоты Рис. 4.13. Изменение пер­вичных параметров цепи с увеличением расстояния между проводниками Сни­жение R обусловлено уменьшением потерь на эффект близости. Рост L связан с увеличением площади конту­ра, пронизываемого магнитным пото­ком. Емкость С уменьшается, так как проводники удаляются друг от друга и уменьшается их взаимодействие. С увеличением диаметра проводни­ков (рис. 4.14) параметры С и G ра­стут, a L уменьшается. Изменение ак­тивного сопротивления имеет сложный характер. Это обусловлено тем, что с увеличением диаметра проводника сопротивление постоянному току рез­ко уменьшается, а сопротивление за счет поверхностного эффекта и эффек­та близости растет. Поэтому вначале R снижается резко, а затем снижение замедляется. Теоретически от температуры зависят все четыре первичных параметра. Рис. 4.14. Изменение пер­вичных параметров цепи с увеличением диаметра про­водников Однако практически следует учиты­вать лишь температурную зависи­мость активного сопротивления. Из­менение от температуры L, С, G весь­ма незначительно. Температурная за­висимость активного сопротивления цепи определяется по формуле: (4.35) где Rt — сопротивление при темпера­туре t°С, R20 — тоже при температуре 20°С; αR — температурный коэффици­ент сопротивления, равный для меди 0,004 и для алюминия 0,0037. С увеличением температуры сопро­тивление цепи растет (рис. 4.15). Фи­зически это объясняется тем, что с увеличением температуры возрастает хаотическое движение атомов решетки и затрудняется прохождение элек­тронов через нее. Рис. 4.15. Зависимость электрического сопро­тивления от температуры

ВТОРИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИММЕТРИЧНЫХ ЦЕПЕЙ Вторичные параметры симметрич­ных цепей ZB, α, β, υ следует рассчи­тывать по формулам, приведенным выше. В ряде случаев вторичные па­раметры выражают непосредственно через габаритные размеры цепей d, a и качество исходных материалов ε, tg δ. Подставив в формулу ZB = YL/C значения L и С, получим значение волнового сопротивления симметричной цепи, Ом, (4.36) Коэффициент затухания симметричной цепи с медными проводника определится по формуле α= дБ/км, путем подстановки в нее значений первичных параметров: (4.37) Коэффициент фазы, рад/с, определится формулой β = ω√LС или β = ω√ε/с, (4.3J где с — скорость света. Скорость распространения энергии, км/с. (4.38) Типовые частотные зависимости вторичных параметров цепи приведены на рис. 4.5—4.7.

Электромагнитная волна состоит из волны напряжения и волны тока. Между ними в любой точке цепи существует определенное со­отношение, зависящее от свойств цепи и имеющее размерность со­противления (ом), называемое волновым сопротивлением

Распространение электромагнитной энергии вдоль однородной кабельной линии с согласованными нагрузками характеризуется уравнениями:

где U0, I0 и Р0 — напряжение, ток и мощность в начале цепи; Ux, Ix и Px — напряжение, ток и мощность в любой точке цепи на рас­стоянии х от ее начала; γ — коэффициент распространения.

Между напряжением, током и мощностью в начале (0) и конце кабельной линии (l) существует следующая зависимость:

При согласованной нагрузке Zе

При несогласованной нагрузке (ZH), когда цепь изолирована на конце (ZH = ∞), или цепь замкнута накоротко (ZH = 0), электромаг­нитная энергия, дойдя до конца линии, полностью отразится и не будет воспринята приемником. В случае, когда цепь нагружена на любое сопротивление, отличное от Zc, за счет несогласованности появятся отраженные волны и лишь часть энергии поступит в при­емник.

Скорость распространения электромагнитных волн по кабелю определяется частотой тока и параметрами цепи. При передаче по кабельной цепи электромагнитная энергия уменьшается (затухает) по амплитуде и изменяется по фазе. Явление затухания обусловлено тепловыми потерями энергии в токопроводящих жилах, потерями в изоляции на диэлектрическую поляризацию, дипольными потерями, токами утечки и т. д.