книги из ГПНТБ / Гроднев, И. И. Линейные сооружения связи учебник

зрачности») и задерживает высокие частоты («полоса затухания»). Эта особенность является крупным недостатком пупинизированных

где L3B и Сзв — индуктивность и емкость звена пупинизации. Пупиновские катушки представляют собой замкнутый кольцеоб­

разный сердечник, обмотанный медной изолированной проволокой (рис. 3.47). Сердечники пупиновских катушек изготовляются преи-

Рис. 3.47. Пуеиновекая катушка:

а) разрез катушки; б) катушка в экране

мущественно из магнитодиэлектрика, состоящего из магнитного материала (карбонильное железо, феррит, альсифер) и диэлектри­ ка (полистирол, шеллак, бакелитовая смола и т. д.). Собранные комплекты пупиновских катушек укрепляются на стальном сердеч­ нике и укладываются ів латунный іи затем чугунный ящики.

Расчет пупинизированных цепей для полосы пропускания от 0

152 —

Здесь первый член характеризует потери в жилах кабеля (ям)„

ам составляет 60—70%, яд — 20—30% и як — 1 0 % от общего за­ тухания.

Первичные параметры пупинизированного кабеля берутся для

К о э ф ф и ц и е н т з а т у х а н и я пупинизированного кабеля оп­ ределяется из выражения ’яп — afs.

На рис. 3.48 приведен график частотной зависимости коэффи­ циента затухания пупинизированного кабеля (яп) в сравнении с затуханием непупигаизировэнного кабеля (я). Из графика следует, что пупинизация в 2 —3 раза снижает затухание в довольно ши­ рокой полосе частот, что является достоинством пупинизированных кабелей. Однако на частотах, близких к предельной f0 и выше ее, затухание резко возрастает и даже становится больше, чем у непупинизированных кабелей.

Недостатком этих кабелей являются ограниченная дальность связи и сравнительно узкий частотный диапазон их использования.

') В числителе указана величина индуктивности катушки для основной цепи, в знаме­ нателе— для искусственной.

— 153 —

Известно несколько различных систем пупинизации кабелей связи (табл. 3.11). Из таблицы видно, что пупинизированные ка­ бели имеют ограниченную дальность; так при легкой пупинизации она составляет 3500 км, а при средней — всего лишь 1400 км. Это объясняется следующим. По нормам МК.КТТ для сохранения удовлетворительного качества переговоров время распространения сигнала от одного абонента к другому не должно превышать / = 250 мс. Из них 100 мс отводится на связь между двумя между­ городными станциями.

Время распространения сигнала на участке в 1 км

Отсюда предельная дальность связи

Чем больше величины L и С, тем медленнее проходит сигнал по линии и тем меньше дальность связи. Естественно, что в пупинизированных цепях, индуктивность которых значительно больше, чем непупинизированных, дальность связи невелика.

3.29. ДРУГИЕ СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ИНДУКТИВНОСТИ КАБЕЛЕЙ

Увеличить индуктивность кабельных цепей и соответственно снизить их затухание можно также путем применения ферромаг­ нитной обмотки на токопроводящей жиле (рис. 3.49а) или за счет применения биметаллических ожелезненных жил (рис. 3.496).

й) 1 2

Рис. 3.48. Коэффициенты затухания ітуіпинизироваиного і(ап) я непупинизироваиного (а) кабелей

Рис. 3.49. Способы увеличения индук­ тивности кабельны-х цепей:

а) .наложение на жилы ферромагнит­ ной обмотки; б) ожелезнение медных жил; в) применение магнитодиэлек­ трика;

./ — медная жила; 2 — ферромагнитная об­ мотка; 3 — сталь; 4 — магиитодиэлектрик

154

Первый сіпоооб, называемый ирарупизацией, состоит в нанесе­ нии на токопроводящую жилу тонкой -проволоки или ленты из стали, пермаллоя или другого сплава с большой магнитной про­ ницаемостью.

По второму способу на медную токопроводящую жилу нано­ сится электролитическим путем тонкий слой железа ( 1 0 — 2 0 мк). Благодаря этому вокруг медной жилы образуется магнитопрово­ дящая среда, увеличивается магнитный поток и соответственно воз­ растает индуктивность кабеля. Этого же эффекта увеличения ин­ дуктивности можно достигнуть также путем применения магнито­ диэлектрика (рис. 3.496). Технологически слой магнитодиэлектрика наносится на медную жилу кабеля обычным шприцпрессом.

Особенность магнитодиэлектрика состоит в том, что, прибли­ жаясь по величине удельного сопротивления к диэлектрикам, он в то же время обладает повышенной магнитной проницаемостью. Благодаря магнитодиэлектрической оболочке повышается индук­ тивность кабельной цепи, а потери вследствие большого р остаются незначительными (коэффициент потерь на вихревые токи обратно

пропорционален удельному сопротивлению к= V соца = У соц/р). Существуют разнообразные магнитоідиэлектрики, но наиболее

часто применяется полиэтилен с наполнением ферритом или альсифером. Увеличение степени наполнения магнитного порошка су­ щественно повышает магнитную проницаемость магнитодиэлектри­ ка и одновременно снижает его удельное сопротивление. Так, магнитодиэлектрик имеет ц=8ч-10 и р= 107-^ 10s Ом-см.

Наряду с симметричными кабелями известны также конструк­ ции коаксиальных подводных кабелей с магнитодиэлектриком, в ко­ торых внутренний проводник имеет покрытие магнитодиэлектриком из композиции полиэтилена и феррита толщиной 1 — 2 мм.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

3.30. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВЕРХПРОВОДНИКАХ

Ряд металлов и сплавов обладают особыми свойствами — сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному ну­ лю (—273°С). Это явление открывает широкие возможности созда­ ния линий передачи электромагнитной энергии с весьма малым затуханием. Достаточно сказать, что сопротивление проводников при сверхнизких температурах может быть меньше ІО- 2 3 Ом/см, что в ІО1 7 раз меньше, чем сопротивление меди при температуре 20°С. З-атухаіние кабеля ів режиме сверхпроводимости (меньше, чем: затухание в обычных условиях, в 1 0 6 -М 0 8 раз.

Наряду с малыми сопротивлением и затуханием сверхпроводни­ ки при низких температурах обладают еще таким замечательным свойством, как полное экранирование электромагнитного поля. Это обусловлено тем, что в режиме сверхпроводимости поле в толщу металла почти не проникает. Кроме того, при низких температурах

— 155 —

■существенно снижаются потери в диэлектрике, в силу чего элек­ тромагнитная энергия по такому кабелю проходит с весьма ма­ лыми потерями и затуханием.

Эффект сверхпроводимости объясняется следующим образом. Электрический ток в металле — это поток электронов через кри­ сталлическую решетку проводника. С увеличением температуры возрастает хаотическое движение атомов решетки, происходит столкновение электронов с ними и увеличивается сопротивление проводника. При уменьшении температуры, наоборот, колебание атомов решетки уменьшается и создаются более благоприятные условия прохождения потока электронов. И, наконец, при темпера­ турах, близких к абсолютному нулю, колебания практически пре­ кращаются и проявляется эффект сверхпроводимости. Для каждо­ го металла и сплава существует своя критическая температура пе­ рехода Тк, при которой возникает явление сверхпроводимости. При­ чем сверхпроводимость проявляется и исчезает довольно резко -скачком при достижении критической температуры.

Однако свойством сверхпроводимости обладают далеко не все металлы. Например, такие лучшие электрические проводники, как медь, серебро, золото, не становятся сверхпроводниками и во всем диапазоне температур не наблюдается резкого скачка изменения сопротивления. На рис. 3.50 изображены характерные зависимости

-изменения электрического сопротивления от температуры для про­ водников, не обладающих свойствами сверхпроводимости, — / и для сверхпроводящих проводников — 2.

Т а б л и ц а 3.12

КРИТИЧЕСКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕХОДА Гк СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МЕТАЛЛОВ

— 156 —

Значения критических температур перехода для некоторых сверхпроводящих металлов приведены в табл. 3.12. Показания при­ ведены по шкале Кельвина (К), которая обычно используется для оценки сверхпроводящих металлов. По Кельвину отсчет ведется от абсолютного нуля (—273°С). Между показаниями по Кельвину и Цельсию существуют следующие соотношения: іс=Тц—273°; Тк — tc +273°, т. е. нулевая температура по Цельсию соответствует 273° по Кельвину, а нуль по Кельвину означает —273° по Цель­ сию.

Из таблицы видно, что температура перехода Тк из обычных условий к условиям сверхпроводимости у различных металлов раз­ лична и равна примерно (1 —9) К, что составляет минус 272-^264° по Цельсию. Из таблицы также следует, что наибольшую величи­ ну критической температуры перехода имеет ниобий, затем идет свинец. Близки к абсолютному нулю — алюминий и цинк.

Приведенные данные сверхпроводимости характерны для посто­ янного тока. При очень высоких частотах сопротивление сверхпро­ водника возрастает и имеет конечное значение. Так, в области частот инфракрасного и оптического диапазонов 101 2 -^101 4 Гц со­ противление сверхпроводимости становится равным сопротивлению проводника в нормальном состоянии. Таким образом, если при по­ стоянном токе сопротивление сверхпроводника равно нулю, то при высоких частотах сопротивление достигает значительной величины.

На рис. 3.51 показана частотная зависимость сопротивления обычного проводника (медь) и проводника, обладающего сверхпро­ водимостью (ниобий). Сопротивление медного проводника плавно

возрастает с увеличением частоты по закону корня из частоты (К7 )- Сопротивление сверхпроводящего проводника в области темпера­ тур меньше критических (7’< Г К), имеет нулевые значения при по­ стоянном токе и весьма низкие значения до 1 ГГц, затем резко возрастает по квадратичному закону (f2) и достигает значитель­ ной величины. Причем чем ниже температура и выше Тк, тем меньше сопротивление сверхпроводника переменному току. Уста­ новлено, что при температуре абсолютного нуля Т= 0 (t = —273°) все сверхпроводники имеют почти нулевые сопротивления во всем широком диапазоне частот (примерно до 76 ГГц).

Аномальный характер частотной зависимости сопротивления сверхпроводников (f2) обусловлен тем, что проникновение электро­ магнитного поля в металл не подчиняется закону классической электродинамики и поверхностный эффект проявляется по-друго­ му. Электромагнитное поле проникает в толщу сверхпроводника на очень малую величину. Причем закон проникновения поля в ме­ талл различен. Если в обычных проводниках глубина проникнове­

ния с ростом частоты уменьшается по закону У /, то в сверх­ проводниках проникновение поля в металл ничтожно и имеет тен­ денцию несколько расти с увеличением частоты. Глубина проник­ новения в сверхпроводник в 1 0 0 раз меньше, чем в обычный ме­ талл. Так, для меди, не обладающей сверхпроводимостью

— 157 —

Глубина проникновения поля в сверхпроводник зависит от тем­ пературы охлаждения и может быть определена из выражения

(3.88)

где Ѳ0 — глубина проникновения при t = 0;

Ѳ — глубина проникновения при 0 < t < T K; Тк — температура перехода (см. табл. 3.12);

t — температура, при которой определяется глубина проник­ новения.

Сверхпроводники, наряду с отсутствием сопротивления, обла­ дают также свойством экранирования электромагнитного поля. Это объясняется следующим образом. В обычном проводнике, находя­ щемся в переменном электромагнитном поле, в наружном слое ме­ талла на относительно большой глубине возбуждаются вихревые токи, которые затухают в толще металла, выделяя тепло на со­ противление проводника. В сверхпроводнике вихревые токи огра­ ничены очень тонким слоем поверхности и не затухают, так как сопротивление сверхпроводника равно нулю. Вихревые токи созда­ ют отраженное поле, направленное навстречу влияющему полю и компенсирующее его. Таким образом, сверхпроводник может вы­ полнять роль электромагнитного экрана.

Достоинством сверхпроводников является также практическое отсутствие собственных тепловых шумов, свойственных обычным проводникам.

Процесс охлаждения влияет также на диэлектрики, пластмас­ сы, меняя их электрические и физико-механические свойства. Ди­ электрические потери (tg б) таких наиболее распространенных кабельных материалов, как полиэтилен, полистирол, фторопласт, при глубоком охлаждении (t = —260° до —269°С) примерно в 100 раз меньше, чем при комнатных температурах (t== +20°С). При­ чем чем ниже температура, тем меньше tg б. Так, для фторопласта tg 6 составляет 2-10~ 4 (при ^=20°С), 4 - ІО- 5 (при t=216°C) и

охлаждения диэлектрика и практически постоянна в широком диа­ пазоне частот до 101 0 Гц. Например, полиэтилен имеет стабильно е= 2,3 практически при всех частотах и температурах. Для фто­ ропласта принимают S — 2.

Электрическая прочность диэлектриков увеличивается с пони­ жением температуры. Вероятность теплового пробоя уменьшает­ ся, так как при низких температурах электрические потери малы.

— 158 —

3.31. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ

. КАБЕЛЕЙ

Сверхпроводящий кабель связи обычно имеет коаксиальную кон­ струкцию. В качестве материала для проводников применяется ниобий, свинец, цинк. Изоляция — из фторопласта или полиэтиле­ на. Кабель имеет весьма малые размеры и относится к группе микрокоакеиальных кабелей.

Исходя из назначения и особенностей сверхпроводящего кабеля, специфическим параметром его является активное сопротивление R. Остальные первичные (L, С, G) и вторичные (а, р, ZB, ѵ) могут

где Rsd и Rsd — поверхностное сопротивление внутреннего и внеш­ него проводников; d и D — диаметры внутреннего и внешнего про­ водников; f — расчетная частота; / 0 — критическая частота.

Другие первичные параметры рассчитываются по формулам:

—'внешний проводник из свинца £>=0,850 мм;

—изоляция фторопласт:

(3-10 6 — сверхпроводящий режим,

е = 2 , tgö =

(2 - 1 0 — обычный режим.

Поверхностные сопротивления:

—ниобия R sd = 4;6->10~5 Ом;

—свинца ■/?іо = 7,0-,10- 4 Ом.

— 159 —

160

Критическая частота

________ 2 с___________________ 2-3- ІО11_______

fo ~ n (D + d ) V e ~ 3,14 (0,85 -f- 0,275) У 2 ~ 1 2 0 Гц'

Результаты -расчета электрических -параметров сверхпроводящего кабеля п-р-я Т=4,2 К «ли / = —268,8°С приведены в табл. ЗЛЗ. В табл. 3.14 для сравнения приведены значения параметров того же кабеля при использовании в обычных температурных условиях, равных 20°С или 7=293 К.

Анализируя приведенные данные, можно отметить следующее. Активное сопротивление кабеля в режиме низких температур су­ щественно меньше, чем при обычных температурах. Так, при ча­ стоте в 1 МГц соотношение составляет ІО8 раз. С ростом частоты это соотношение уменьшается и составляет ІО4 раз при 1 ГГц. Можно считать, что сверхпроводящий кабель в диапазоне до ІО8 Гц лишен активного сопротивления. С ростом частоты сопро­ тивление возрастает. Емкость и индуктивность практически оди­ наковы. Проводимость изоляции в сверхпроводящем режиме на два-три порядка меньше, чем в обычном.

Основным достоинством сверхпроводящего кабеля является его малое затухание. Так, затухание охлажденного кабеля по сравне­ нию с обычным меньше в ІО8 раз при 1 кГц, в 10е раз при 1 МГц и 104 раз при 1 ГГц.

3.32. КОНСТРУКЦИИ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ л и н и й

Сверхпроводящая кабельная система состоит из непосредствен­ но сверхпроводящего кабеля (электрическая часть) и криогенных устройств, обеспечивающих создание и поддержание требуемых низких температур (криогенная часть).

Выше было показано, что активное сопротивление сверхпро­ водников в широком диапазоне частот ничтожно мало и потери в диэлектрике также во много раз меньше, чем при обычных тем­ пературах. В результате сверхпроводящий кабель имеет затухание в сотни и тысячи раз меньше по сравнению с обычными кабеля­ ми и позволяет осуществить связь без дополнительных усилитель­ ных устройств на очень большие расстояния. Это дает возмож­ ность выбирать размеры сверхпроводящих кабелей не из сообра­ жений снижения затухания, а только из конструктивных требо­ ваний и условий производства. Необходимо лишь обеспечить опре­ деленную механическую прочность кабеля, поэтому габариты сверхпроводящих кабелей могут быть значительно меньше сущест­ вующих.

Из конструктивных соображений и обеспечения экранирования от внешних электромагнитных полей сверхпроводящие кабели де­ лают коаксиальными. В известных конструкциях сверхпроводящих коаксиальных кабелей внутренний проводник имеет диаметр по­ рядка 0,25 мм, а внешний — 2,5 мм. Внутренний проводник чаще всего делается из ниобия, тантала, сплава ниобия с оловом, а внешний — из свинца, алюминия. В качестве изоляции применя-