ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ КАНАЛЫ СВЯЗИ ПО ЛИНИЯМ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
3-1. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭНЕРГИИ ПО ПРОВОДАМ ВЛ
Линии электропередачи сооружаются для передачи электрической энергии на расстояние. Их устройство определяется требованиями техники высоких напряжений. Из-за значительного рабочего напряжения
ВЛ обладают изоляцией высокого качества, а из-за больших рабочих токов, необходимости ограничения потерь электроэнергии на корону, а также соображений механической прочности на ВЛ применяются провода большого сечения. Естественно, что эти факторы являются выгодными также и для передачи информации, так как ВЛ обладают более высокой надежностью, чем проводные кабельные и тем более воздушные ЛС.
Однако при осуществлении по ВЛ каналов связи для передачи информации приходится считаться с рядом особенностей линий, затрудняющих их использование для целей связи. Рассмотрим некоторые из них. На концах ВЛ располагается оборудование распределительных подстанций — выключатели, трансформаторы, разъединители, которые для токов высокой частоты (с помощью которых осуществляется передача информации по ВЛ) можно представить как цепь последовательно соединенных реактивного и активного сопротивлений. Из-за наличия этих сопротивлений, значение которых изменяется в широких пределах, образуется нежелательная связь между ВЛ через шины подстанции и в них поглощается часть энергии ВЧ сигналов, что приводит к увеличению затухания тракта. Поэтому для снижения влияний между каналами и затухания необходимо преграждать пути токам высокой частоты в сторону подстанции с помощью специальных заградителей.
Большое распространение имеют ВЛ с одним и более ответвлениями. Ответвления могут увеличить затухание тракта, так как в них поглощается часть энергии передаваемых сигналов. Наличие ответвлений от ВЛ осложняет задачу осуществления ВЧ каналов.
Линии электропередачи являются многопроходными системами. Например, двухцепная ВЛ с двумя грозозащитными тросами представляет собой восьмипроводную систему. Процесс передачи информации по такой системе существенно отличается от передачи информации по двухпроводной симметричной линии связи.
Расстояния между проводами ВЛ соизмеримы с высотой их подвеса над землей. Поэтому в процессе передачи сигналов информации участвуют все провода и земля даже в тех случаях, когда аппаратура уплотнения канала присоединяется к двум проводам линии или к одному проводу (по схеме провод — земля). Сопротивление земли влияет на затухание сигналов в линии, которое нередко оказывается существенным.
Все перечисленные выше особенности превращают ВЛ в неоднородную систему, в которой процесс распространения энергии ВЧ сигнала весьма сложен. Поэтому требуется осуществлять ряд мероприятий, чтобы создать благоприятные условия для более эффективной передачи информации и прежде всего оборудовать ВЛ специальными устройствами, т. е. обработать линию.
Совокупность ВЛ, распределительных подстанций, устройств обработки и присоединения к линии высокочастотной аппаратуры, разделительных фильтров, шунтирующих сопротивлений и соединительных ВЧ кабельных линий, представляющих собой четырехполюсник, называется ВЧ трактом канала связи по ВЛ или сокращенно ВЧ трактом по ВЛ. Зажимами этого четырехполюсника являются зажимы ВЧ кабеля, к которым присоединяется аппаратура уплотнения.
Неоднородности возникают в местах транспозиции проводов,ответвлений, перехода от одного профиля подвески проводов к другому и др. В местах этих неоднородностей энергия бегущей (падающей) волны в каждом волновом канале переходит в энергию проходящих и отраженных волн, а также происходит переход энергии волн из одних составляющих в другие, что оказывает влияние на параметры ВЧ тракта. В местах таких неоднородностей, как ответвления от ВЛ, шунтирование основной линии может изменяться даже при коммутациях в схеме подстанции в конце ответвления. Даже если ВЛ однородна, процесс передачи сигнала в общем случае происходит по нескольким волновым каналам, число которых равно числу проводов, а энергия сигнала распространяется в каждом волновом канале с разными коэффициентами затухання и фазовыми скоростями. В этом процессе в конце линии могут возникать интерференции между токами различных волновых каналов, которые являются в ряде случаев причиной резкого увеличения затухания сигнала.
Транзитные (промежуточные) подстанции, оборудуемые обходами для токов высокой частоты, могут иметь значительную электрическую связь между соседними участками ВЧ тракта. При изменениях схемы транзитной подстанции изменяется и значение электрической связи, а это влечет за собой изменения параметров ВЧ тракта.
Провода, изоляторы и арматура ВЛ при наличии высокого напряжения создают помехи из-за коронирования проводов и разрядов на поверхности изоляторов. Уровень помех значителен даже при нормальном состоянии линии, а при повреждении изоляции резко возрастает и может быть соизмерим с уровнем сигнала.
Рис. 3-1. Поперечное сечение и волновые каналы двухпроводной линии. а — поперечное сечение; б — волновой канал провод—провод; в — волновой канал два провода—земля.
Ввиду перечисленных особенностей ВЛ проблема их использования для передачи информации оказывается весьма сложной технической задачей при проектировании каналов связи. Эксплуатационная надежность каналов по ВЛ может быть удовлетворительной, если будут учтены особенности распространения ВЧ энергии по высокочастотному тракту. Для понимания физических процессов распространения энергии сигнала в многопроводных ВЛ рассмотрим сначала этот процесс в двухпроводной линии вблизи поверхности земли с поперечным сечением, показанным на рис. 3-1 [29]. Распространение энергии сигнала в такой линии происходит двумя независимыми трактами: между проводами (провод — провод) и два провода — земля. Первый тракт, в котором ток проходит по одному проводу и возвращается по другому, называют волновым каналом провод — провод (междуфазным каналом), а второй тракт, в котором ток проходит в одну сторону по двум проводам, а возвращается через землю, называют волновым каналом два провода — земля или каналом земляного возврата (земляной волной).
Описанные закономерности распространения энергии сигнала в многопроводной ВЛ справедливы, пока она однородна. На таких линиях не происходит обмена энергии и трансформации одних волновых составляющих в другие. Совсем иная картина происходит в неоднородной линии, когда в местах неоднородностей (транспозициях, ответвлениях), а также на конце линии возникают отражения волн во всех волновых каналах и переход энергии сигнала из одних волновых составляющих в другие. На каждом однородном участке могут быть падающие и отраженные волны каждой из волновых составляющих. Сумма напряжений падающей и отраженной волн каждой волновой составляющей представляет собой полное напряжение этой составляющей
(3-17)
Разность токов падающей и отраженной волновых составляющих является полным током этой составляющей:
(3-18)
Для определения параметров ВЧ тракта с учетом всех явлений процесса распространения энергии сигнала вдоль многопроводной ВЛ необходимо проделать гораздо более трудоемкий расчет по сравнению с расчетом тракта воздушных линий связи. Вопросы, относящиеся к расчету ВЧ трактов по ВЛ, рассматриваются в § 3-8.
