2-2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕПИ ЛИНИИ СВЯЗИ
Электрический процесс в цепях ЛС.
Рассмотрим основные электрические свойства цепи — наиболее важного и дорогостоящего элемента системы передачи информации. Цепи ЛС (воздушные, кабельные, волноводы) являются направляющими системами.
Рис. 2-3. Процесс передачи энергии по цепям линии связи.
1 — передатчик; 2 — приемник; 3 — распространение энергии вдоль цепи; 4 — переход энергии с одной цепи на другую.
Передача электромагнитной энергии в таких системах сопровождается двумя явлениями энергии вдоль цепи и взаимным переходом энергии между цепями (рис. 2-3). Оба эти процесса характеризуются своими параметрами: распространение энергии вдоль цепи — параметрами передачи, а взаимные переходы энергии с одной цепи на другую — параметрами влияния.
К параметрам передачи относятся первичные и вторичные электрические параметры цепи ЛС.
Первичными параметрами называются: активное сопротивление R, индуктивность L, емкость С и проводимость изоляции G. Вторичными (волновыми) параметрами являются: коэффициент затухания а, коэффициент фазы β, волновое сопротивление Zв и скорость распространения V.
Параметрами влияния являются: переходное затухание на ближнем конце А0; переходное затухание на дальнем конце Аi, защищенность Aз.
Распространение электромагнитной энергии по направляющим системам описывается основными законами электромагнитного поля, выражаемыми математически уравнениями Максвелла. Электрический процесс в цепях ЛС происходит следующим образом. Часть электромагнитной энергии, распространяющейся вдоль цепи, поглощается проводами и рассеивается из-за тепловых потерь (от вихревых токов), вызывая затухание в металле проводов ам. Эти потери определяются сопротивлением активным R. Другая часть энергии протекает в диэлектрике изоляции. В изоляции, находящейся в переменном электромагнитном поле, происходит явление поляризации, возникают диэлектрические потери и соответственно затухание в диэлектрике ад. Эти потери определяются и проводимостью изоляции G.
Наряду с этим под действием переменного поля происходит перераспределение электромагнитной энергии по сечению проводов, что выражается в виде явления поверхностного эффекта, эффекта близости и воздействия на параметры цепи окружающих провод металлических масс (соседние провода, экран, броня кабеля). В воздушных ЛС и проводах ВЛ, используемых для каналов передачи информации, из-за сравнительно большого удаления проводов друг от друга можно считаться только с явлением поверхностного эффекта. На первичные параметры симметричных кабелей оказывают влияние все названные явления. Под действием этих явлений происходит изменение первичных параметров цепи ЛС, а именно: активное сопротивление и емкость возрастают, а индуктивность уменьшается, сопротивление же цепи существенно возрастает.
Рассмотрим физическую сущность каждого явления.
Рис. 2-4. Физическое представление поверхностного эффекта провода (а) и эффекта близости проводов (б).
Iв т — вихревые токи; Iрез — результирующий ток; I' — ток при отсутствии поверхностного эффекта; I — основной ток; Н — магнитное поле.
Поверхностный эффект возникает под действием переменного поля электромагнитной волны, распространяющейся по проводу. В проводе образуется внутреннее магнитное поле Н (рис. 2-4,а). Его силовые линии пересекают толщу провода и наводят в нем вихревые токи Iв.т. В центре провода направление вихревых токов противоположно направлению основного тока, а у поверхности провода их направления совпадают. При взаимодействии основного и вихревых токов происходит перераспределение тока по сечению провода, в результате чего плотность результирующего тока будет возрастать от центра провода к его поверхности. Поверхностный эффект возрастает с увеличением частоты тока, магнитной проницаемости, проводимости и диаметра провода. Ток высокой частоты проходит практически только по поверхности провода, вызывая увеличение его активного сопротивления.
Глубина проникновения переменного тока в толщу провода, при которой ток уменьшается в —е=2,718 раз, называется эквивалентной глубиной проникновения.
Зависимость коэффициента вихревых токов от частоты тока, магнитной проницаемости и проводимости определяется формулой
(2-4)
где ω — круговая частота; μ — магнитная проницаемость; σ — проводимость.
Эквивалентная глубина проникновения связана с коэффициентом потерь на вихревые токи зависимостью
(2-5)
В [12] приводятся расчетные формулы для определения k и 0.
Эффект близости обусловлен взаимодействием внешних магнитных полей (рис. 2-4,б). Внешнее магнитное поле Н провода а пересекает толщу провода б, наводит в нем вихревые токи. В проводе б, на поверхности, обращенной к проводу а, вихревые токи совпадают по направлению с проходящим по нему током, т. е. Iрез=I+Iв.т, а на противоположной поверхности провода б они противоположны по направлению, т. е. Iрез=I—Iв.т. Аналогичное перераспределение токов происходит в проводе а.
Рис. 2-5. Распределение плотности токов в проводах.
а — направление токов в проводах противоположное; б — направление токов совпадает.
В результате описанного взаимодействия вихревых и основного токов плотность результирующего тока на поверхностях проводов а и б, обращенных друг к другу, увеличивается, а на противоположных уменьшается, т. е. происходит явление «сближения» токов в проводах а и б, которое носит название эффекта близости.
Рис. 2-6. Вихревые токи в окружающей металлической оболочке кабеля.
Эффект близости вызывает увеличение активного сопротивления цепи переменному току и прямо пропорционален квадратному корню из частоты, магнитной проницаемости, проводимости и диаметра провода. С приближением жил кабеля друг к другу эффект близости возрастает.
Распределение плотности токов в проводах симметричной цепи показано на рис. 2-5.
Распределение плотности токов в проводах симметричной цепи показано на рис. 2-5.
Воздействие на параметры цепи окружающих масс сказывается в результате отражения от этих масс электромагнитного поля (рис. 2-6). Протекающий по проводу ток создает магнитное поле Н, которое наводит вихревые токи в соседних жилах кабеля, в окружающем экране, металлической оболочке, броне и т. д. От воздействия вихревых токов происходит нагрев металлических частей кабеля. Эти дополнительные тепловые потери «отсасывают» часть электромагнитной энергии, передаваемой по цепи кабеля, а вихревые токи, создавая поле обратного действия, кроме того, воздействуют на провода цепи и изменяют их параметры.
Таблица 2-1
Формулы для определения первичных параметров цепей воздушных и кабельных линий связи
Первичные параметры цепей воздушных и кабельных ЛС определяются по формулам, приведенным в табл. 2-1 [12]. В табл. 2-1 приняты следующие обозначения: R0 — активное сопротивление цепи длиной 1 км для постоянного тока при t0=20°С; Rt — то же при температуре t; то же для переменного тока при температуре t; r и d — радиус и диаметр провода ЛС или жилы кабеля, мм; f — частота, Гц; μ — магнитная проницаемость (для меди и алюминия μ=1, для стали μ=130); а — расстояние между центрами проводов цепи, мм; G — проводимость изоляции 1 км цепи при постоянном токе, мкСм/км; п — коэффициент, учитывающий потери в диэлектрике при переменном токе. При сухой погоде принимается G=l-10-2 мкСм/км и п=0,05, а при сырой летней погоде G0=0,5 мкСм/км и п=0,25; % — коэффициент укрутки, учитывающий увеличение длины цепи по сравнению с длиной кабеля, происходящее в результате скрутки жил в группы и групп в сердечник, зависит от диаметра повива, в котором находится цепь кабеля, и определяется по табл. [12]; s — эквивалентная диэлектрическая проницаемость комбинированной изоляции или диэлектрическая проницаемость сплошной изоляции; Gf=ωCtgδ — проводимость изоляции 1 км кабеля, обусловленная диэлектрическими потерями при переменном токе. В кабелях Gf существенно больше G0, поэтому можно считать, что Gf=ωCtgδ; tg δ — тангенс угла диэлектрических потерь сплошной изоляции. При комбинированной изоляции tgδ определяется по формуле
(2-6)
где ε1 и ε2 — диэлектрические проницаемости; tgδ1 и tgδ2 — тангенсы углов диэлектрических потерь; S1 и S2 — площади диэлектриков (например, бумаги и воздуха); р и φ — коэффициенты, учитывающие тип скрутки жил кабеля, определяемые по таблицам; F(x) и Q(x) — величины, учитывающие влияние поверхностного эффекта на активное сопротивление и индуктивность проводов цепи или жил кабеля (см. в табл. [12]); G(%) и H(%) — величины, учитывающие влияние эффекта близости на активное сопротивление проводов цепи или жил кабеля; D и d— внутренний диаметр внешнего провода и внешний диаметр внутреннего провода коаксиального кабеля; σD и σd — проводимости соответственно внешнего и внутреннего проводов коаксиального кабеля; μD и μd — магнитная проницаемость материалов внешнего и внутреннего проводов коаксиального кабеля.
