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

4.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ЦЕПЯМИ

Рассмотрим природу и характер действия электрических (Д'12= =g+kö/c) и магнитных (М&=*г + 'шт) связей между цепями.

Емкостная связь к является результатом асимметрии частич­ ных емкостей между жилами влияющей и подверженной влиянию цепей. На рис. 4.7а показаны жилы 1—2 влияющей цепи / и жилы

Рис. 4.7. Мосты связей: а) электрической; б) магнитной

3—4 цепи //, подверженной влиянию. Частичные емкости между жилами сіз, С23, Cu, С2 4 образуют так называемый мост.

Если мост симметричен и находится в уравновешенном состоя­

Существующая в действительных условиях емкостная асимме­ трия (неуравновешенность) моста, являющаяся причиной возник­ новения мешающих влияний между цепями связи, называется ем­ костной связью;

Индуктивная связь m по аналогии может быть представлена мостом частичных индуктивностей, имеющих трансформаторную связь (рис. 4.76). Здесь приходится иметь дело не с электрически­ ми зарядами, а с магнитными потоками. Условием симметрии мо­ ста является выражение

(ти + т2Я) — (т13- f ти) = 0.

—212 —

асимметрией потерь энергии в диэлектрике. В этом случае плечи моста представляют собой эквивалентные потери энергии в ди­ электрике, окружающем кабельные жилы, gi3, g 2i, g 2s, g u (см.

рис. 4.7а).

Если по жилам кабеля протекает переменный ток, то диэлек­ трик вносит потери, пропорциональные проводимости изоляции G=KoCtg6 . Если диэлектрик неоднороден по своим электрическим свойствам, или толщина изоляции жил различна, или кабель де­ формирован в разных местах и т. д., то частичные потери в ди­ электрике gi3 , g z 3, g 24 , g u будут неодинаковыми. Это нарушает сим­ метрию моста и создает условия для взаимного перехода энергии между цепями.

Активная составляющая электрической связи выражается урав­

Активная составляющая магнитной связи, или так называемая активная связь, г обусловлена вихревыми токами. При прохожде­ нии переменного тока по цепи кабеля в соседних жилах за счет переменного магнитного поля наводятся вихревые токи, вызываю­ щие дополнительные потери энергии в цепи передачи. Аналогич­ ные потери имеют место в экране, свинцовой оболочке и других металлических частях кабеля.

Несимметричность расположения жил одной цепи относительно жил другой и металлических оболочек кабеля, а также примене­ ние жил различных диаметров и электрических свойств приводят к асимметрии потерь на вихревые токи, что проявляется в виде расстройки моста связей ris, г2з, г и , г24 (см. рис. 4.76). В результа­ те создается асимметрия активных потерь энергии, характеризуе­ мая связью

Величина активной связи тем больше, чем больше различаются жилы по активному сопротивлению и потерям энергии на вихревые токи в соседней цепи, экране, свинце и других металлических ча­ стях кабеля.

Активная составляющая электрической связи обусловливается асимметрией потерь в диэлектрике, а активная составляющая маг­ нитной связи — асимметрией потерь в металле. Соотношения меж­ ду электрическими и магнитными связями, их активными и реак­ тивными составляющими могут быть различными в зависимости от типа цепей, диапазона передаваемых частот и ряда других фактО’- ров.

- 213 -

В воздушных линиях, где провода расположены сравнительно далеко друг от друга и нет изоляционных оболочек, активные со­ ставляющие связей (г и g) можно не учитывать и влияние опре­ деляется лишь реактивными связями: Кі2 = шк и Мі2 = ісот.

Рис. 4.8. К рас- Рис. 4.9. Процентное соотношение связей внутри четчету коэффициверки в кабелях

ента связи

Значение к и т воздушных линий связи зависят в основном от взаимного расположения проводов (рис. 4.8) и могут быть рассчи­ таны следующим образом:

т= 200 ІпМ ^М СГ6 , Г/км

а14 а 23

где а — расстояние между проводами цепи; г — радиус провода; аі3, «2 4 , au, Ö2 3 — расстояния между соответствующими проводами.

Между электрическими и магнитными связями действует соот­ ношение m /K~Z2B. Для медных цепей воздушных линий ZB~ «550 Ом, поэтому т/кжЗ00 000 Г/Ф.

В кабельных цепях необходимо учитывать все четыре первич­ ных параметра влияния, причем в зависимости от частоты соотно­ шение и удельная значимость их меняются.

На рис. 4.9 приведена частотная зависимость процентного соот­ ношения различных видов связей внутри четверки. Из графика сле­ дует, что:

—в области низких частот (тональный спектр) доминируют ем­ костные связи ü)KZb, другие составляющие связей в этом диапазо­ не можно не учитывать;

—с возрастанием частоты увеличивается удельная значимость магнитного влияния и, уже начиная примерно с 35 кГц, индуктив­

ные связи становятся равными емкостным (со/сZB~ G>m/ZB) ;

— 214 —

—активные связи r/ZBи g Z B, будучи равными практически ну­ лю на низких частотах и при постоянном токе, в области высоких частот существенно возрастают. В среднем соотношение активных

иреактивных составляющих связей равно g / а к — 10—15%, г/а*т=

=(20—40%;

—между индуктивными и емкостными связями в кабелях су­ ществует соотношение m / K = Z 2B.

Для кабеля со звездной скруткой ZE= 165=170 Ом. т. е. т/к = = 25 000-4-30 000 Г/Ф. Поэтому если известна величина к (которая обычно нормируется в технических условиях на кабели связи), то легко определить и величину т. Так, если /с=15 пФ на строи­ тельную длину кабеля, то m = /cZ2B= 15-10-12-1702=435 нГ.

При высокочастотном уплотнении кабелей необходимо считать­ ся со всеми составляющими связей. В области низких частот до­ статочно учитывать лишь емкостную связь. На рис. 4.10 приведен

наиболее характерный вариант соотношения электрических и маг­ нитных связей между цепями воздушных и кабельных линий связи.

Во всех случаях электромагнитная связь на ближнем конце М12 больше, чем на дальнем Рі2. У воздушных линий в связи с отсутст­ вием активных составляющих связей угол у Ni2 равен 0, а у F&— 180°. В кабельных линиях углы электромагнитных связей различ­ ны, причем, как правило, угол у Fі2 больше, чем у Nі2.

Рассмотрим частотную характеристику векторов электромаг­ нитной связи. Такую характеристику называют годографом. Век­ торы электромагнитных связей на ближний (Na) и дальний (Fa) концы при сосредоточенной связи можно представить в следую-

— 215 —

На рис. 4.116 показан годограф связи для дальнего конца с: учетом эффекта перестановки (РІ2Ф Р 21). Этот эффект ухудшает защищенность цепей от помех на дальнем конце и существенно затрудняет симметрирование кабельных цепей.

Как видно из формул для N і2, перестановка цепей, влияющей и подверженной влиянию, не скажется на величине защищенности на ближнем конце.

4.4. ЗАВИСИМОСТЬ ПЕРЕХОДНОГО ЗАТУХАНИЯ ОТ ДЛИНЫ

в случае воздушных линий фигурируют параметры |у| и |/|, а в

кабельных — |a j и | У 1\. Такое отличие обусловлено тем, что для суммирования влияния в кабелях использовался среднеквад­ ратичный закон сложения помех с отдельных строительных длин к брались абсолютные значения токов помех без учета фазовых со­ отношений, а у воздушных линий суммировались помехи с учетом фазовых соотношений.

У воздушных линий связи и симметричных кабелей с увеличе­ нием передаваемой частоты тока возрастает взаимное влияние между цепями и соответственно уменьшаются переходное зату­ хание и защищенность (рис. 4.12).

Переходное затухание уменьшается по закону ln(coi/a»2 )- Это объясняется тем, что с ростом частоты увеличиваются значения

Рис. 4.12. Частотная зависи­ мость переходного затухания

электрической и магнитной связей (К .п= ё + т’ к и Mi2= r + m m )t. так как реактивные составляющие их находятся в прямой зависи­ мости от частоты. Сущность этого явления заключается в том, что с увеличением частоты изменяются электрические и магнитные по­ ля, образующиеся вокруг влияющей цепи; в связи с этим более интенсивно индуцируется помеха в цепи, подверженной влиянию.

Переходное затухание на дальнем конце Аі больше, чем на ближнем Ап, так как на ближнем конце суммируются электриче­ ские и магнитные связи Nі2, а на дальнем — вычитаются Fi2. Ха­

—217 —

рактер зависимости переходного затухания и защищенности от длины линии показан на рис. 4.13.

Переходное затухание на ближнем конце Л0 с увеличением длины линии і вначале уменьшается, а затем стабилизируется.

дБ Нп

Рис. 4.13. Изменение переход­ ного затухания и защищенно­ сти с увеличением длины ли­ нии

Это объясняется тем, что, начиная с определенной длины линии, токи помех с отдаленных участков приходят настолько слабыми, что практически не увеличивают взаимного влияния между цепями и величина А0 остается постоянной (рис. 4.14а).

Рис. 4.14. Характер сложения токов влияний с различных участков линии:

а) на ближнем конце; б) на дальнем конце

Защищенность от взаимных помех А 3 для воздушных линий с увеличением длины уменьшается по закону \ g { l i l h ) , а для кабель­

ных линий связи — по закону lg У Ulk. Физически это объясняет­ ся тем, что с увеличением длины линии увеличивается взаимное влияние между цепями. На рис. 4.146 показан характер сложения токов взаимных влияний на дальнем конце с увеличением длины линии. Из рисунка видно, что все участки вносят одинаковые ве­ личины помех / 2 = / з = / 4 ) .

— 218 —

Переходное затухание на дальнем конце Ai (см. рис. 4.13) из­ меняется по закону А і= А 3 + аІ. До некоторой длины линии наи­ большее значение имеет А 3, которое с увеличением / уменьшается, поэтому Аі вначале имеет падающий характер, после некоторого оределыного значения длины возрастает собственное затухание цепи (аі) и величина А; резко увеличивается.

Рассматривая закономерность изменения Лг=і|)(7), можно от­ метить, что с увеличением длины линии увеличивается число уча­ стков влияния и следует ожидать возрастания взаимных помех* Однако с увеличением длины токи помех уменьшаются, так как удлиняется путь их прохождения и растет собственное затухание-

цепи (рис. 4.146).

Указанные закономерности изменения величины переходного затухания и защищенности от частоты и длины линии полностью справедливы как для воздушных, так и кабельных линий. Отли­ чие имеется лишь при расчете переходного затухания на ближнем конце воздушных линий связи. В воздушных линиях строго по оп­ ределенному закону изменяются коэффициенты фазы токов помех с изменением длины линии и частоты передаваемого тока, причем при определенных длинах линии и частотах токи помех, прихо­ дящие с разных участков линии, складываются, а при других— вычитаются. Возникают как бы резонансные явления, которые придают зависимости А0 от частоты и длины линии волнообразный: характер. На значениях Аі и А3 эти резонансные явления не ска­ зываются, так как токи влияния, поступающие на дальний конец, с любого участка цепи, проходят одинаковый путь и имеют одина­ ковые амплитуду и фазу.

Рассмотрим характер изменения А0 от длины линии и частоты, передаваемого тока для воздушных линий связи. Переходное за­

Отсюда следует, что при постоянной частоте с изменением дли­

ны линии модуль выражения | 1 —е~2у/|, а следовательно, и А0 из­ меняются волнообразно.

— 219 —

где « — целое положительное число; А. — длина волны.

Таким образом, при длине линии, равной нечетному числу чет­ вертей длин волн, влияние на ближнем конце достигает макси­ мальных значений и при длине линии, равной четному числу чет­ вертей длин волн, — имеет минимальное значение.

Как видно из рис. 4.15, величина переходного затухания для воздушной линии при малой длине резко колеблется, а затем эти колебания постепенно сглаживаются и величина А 0 стабилизи-

-руется на определенном значении. Аналогичный характер волнооб­ разного изменения А0 будет наблюдаться при изменении частоты передаваемого тока для неизменной длины линии. На отдельных частотах, называемых критическими, влияния будут либо макси­

ределяются выражением При четных значениях коэффи­ циента гармоник к влияния минимальные, а при нечетных — мак­ симальные.

Рассчитывая переходное затухание в широком диапазоне ча­ стот, необходимо учитывать эти колебательные процессы и, в пер­

—220 —

вую очередь, проверить соответствие линии нормам на критиче­ ских частотах с максимальным влиянием (при нечетных к).

4.5.КОСВЕННЫЕ ВЛИЯНИЯ МЕЖДУ ЦЕПЯМИ

Впредыдущих разделах процесс влияния рассматривался при

наличии двух однородных цепей с согласованными нагрузками. В действительных условиях наряду с непосредственным влияни­ ем между двумя цепями действуют косвенные влияния.

Косвенные влияния возникают за счет отражений при несо­ гласованных нагрузках, конструктивных неоднородностях цепей по длине, а также из-за наличия соседних, третьих, цепей. Косвен­ ные влияния, суммирующиеся с непосредственными влияниями, снижают помехозащищенность цепей.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями уста­ новлено, что косвенные влияния особенно сказываются на даль­ нем конце линии в области высоких частот, а в ряде случаев пре­ вышают непосредственное влияние между цепями.

В л и я н и е з а с ч е т о т р а ж е н и й возникает из-за несогла­ сованности входных сопротивлений аппаратуры с волновым сопро­ тивлением линии. В результате этого возникают отраженные вол­ ны. которые приводят к увеличению собственного затухания це­ пей, появлению искажений передаваемых сигналов и возникнове­ нию дополнительного влияния между цепями. На рис. 4.17 пока­

I

Рис. 4.17. Влияние между цепями из-за несогласован­ ности сопротивления нагрузки (Zi) и волнового сопро­ тивления цепи (2 Ш)

зана природа возникновения дополнительных влияний между це­ пями за счет несогласованности сопротивлений нагрузки и линии

(”Z(t4=Zb_).

В приемник цепи I поступает лишь некоторая доля электро­ магнитной энергии, часть энергии отражается и раопространяется обратно к началу цепи. Из-за электромагнитной связи между це­ пями эта энергия частично переходит в цепь II и проявляется на ближнем и дальнем концах в виде тока помех. Таким образом, кроме тока прямого влияния, появляется дополнительное влияние

— 221 —